CT--電子計(jì)算機(jī)斷層掃描

1、CT-電子計(jì)算機(jī)斷層掃描摘要: 本文介紹了CT機(jī)的定義、組成及基本工作原理，并對(duì)其在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及新興產(chǎn)業(yè)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了全面詳細(xì)的闡述。同時(shí)指出CT在當(dāng)前應(yīng)用中存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展方向。關(guān)鍵字：CT X射線 計(jì)算機(jī) CT- Electronic Computer TomographyAbstract: CT of the definition, composition and basic working principle are introduced in this paper, and then it makes a comprehensive and detailed descr

2、iption of its application in medical, industrial and emerging industries. At the same time , the current application of CT problems and the future direction of development are pointed out in this paper.Keywords: CT; X-ray; Computer.目錄摘要2關(guān)鍵字21 CT簡(jiǎn)介41.1 CT技術(shù)簡(jiǎn)介41.2 CT技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展52 CT成像原理52.1原理概述53 CT技術(shù)的應(yīng)用

3、63.1 CT 技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用63.1.1 CT 灌注成像63.1.2 CT 心臟成像73.1.3 外傷或急重癥病人73.2 CT 技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展73.2.1 尺寸測(cè)量及裝配結(jié)構(gòu)分析83.2.2 密度分布表征83.3 CT成像技術(shù)的新發(fā)展83.3.1 雙源 CT 技術(shù)83.3.2 移動(dòng) CT94 前景及展望9參考文獻(xiàn)101 CT簡(jiǎn)介CT(Computed Tomography)，即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，它是利用精確準(zhǔn)直的X線束、射線、超聲波等，與靈敏度極高的探測(cè)器一同圍繞人體的某一部位作一個(gè)接一個(gè)的斷面掃描，具有掃描時(shí)間快，圖像清晰等特點(diǎn)，可用于多種疾病的檢查；根據(jù)所采用的射線不同

4、可分為：X射線CT（X-CT）、超聲CT（UCT）以及射線CT（-CT)等【1】。1.1 CT技術(shù)簡(jiǎn)介CT 設(shè)備主要由以下三部分組成：掃描部分，由 X 射線源、探測(cè)器和掃描架組成； 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將掃描收集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行貯存運(yùn)算；圖像顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)，將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理、重建的圖像顯示在電視屏上或用多幅照相機(jī)或激光照相機(jī)將圖像攝下。CT 工作原理流程如圖 1.1.1 所示。 CT 是用 X 線束對(duì)被檢測(cè)對(duì)象具體部位一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過(guò)該層面的 X 線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計(jì)算機(jī)處理。圖像形成的處理有如將選定層面分成若干個(gè)體積

5、相同的長(zhǎng)方體稱(chēng)之為體素。掃描所得信息經(jīng)計(jì)算而獲得每個(gè)體素的 X 線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣。數(shù)字矩陣可存儲(chǔ)于磁盤(pán)或光盤(pán)中。經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器把數(shù)字矩陣鐘的每個(gè)數(shù) 位轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素，并按矩陣排列，即構(gòu)成 CT 圖像【2】。圖1.1.1 CT 工作原理流程圖1.2 CT技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展 CT 引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，其理論研究及設(shè)備制造技術(shù)在相當(dāng)程度上與醫(yī)學(xué)科學(xué)有關(guān)。從1971年 Hounsfielld 發(fā)明頭顱 CT 到 20 世紀(jì) 80 年代，CT 技術(shù)的發(fā)展主要在于掃描部位的延伸，即從單一的頭部檢查拓展到體部檢查；從 80 年代到 90 年代

6、，主 要是掃描速度的角逐，突破了亞秒的掃描速度；20 世紀(jì) 90 年代到 2000 年代，螺旋 CT 技術(shù)使橫斷 CT 向可以連續(xù)掃描的螺旋 CT 過(guò)渡，多層螺旋 CT 從 4/16/32/40 層到 64 層 CT 廣泛 的臨床應(yīng)用，大大拓展了 CT 的臨床價(jià)值【3】。2 CT成像原理2.1原理概述利用高度準(zhǔn)直X線束環(huán)繞人體某一部位，并以一定層厚的層面進(jìn)行斷層掃描，未被吸收的X線光子穿透人體后，由探測(cè)器接收，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，經(jīng)放大由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。2.1.1 CT成像原理數(shù)學(xué)上可以證明，通過(guò)對(duì)物體進(jìn)行多次投影就可得到該物體

7、的幾何形狀。CT的基本思想是：讓一束射線投射在物體上，通過(guò)物體對(duì)射線的吸收（多次投影）便可獲得物體內(nèi)部的物質(zhì)分布信息。當(dāng)強(qiáng)度為I0的一個(gè)窄束射線穿過(guò)吸收系數(shù)為的物體時(shí)，其強(qiáng)度滿足指數(shù)衰減關(guān)系 (1)式中t為射線所穿過(guò)物質(zhì)層厚度。在實(shí)際情況中，所研究的物體往往不是由單一成分組成的，當(dāng)物體由若干個(gè)不同成分組成時(shí)，物體內(nèi)部各處的也將可能不同。在這樣的物質(zhì)中，束穿過(guò)整個(gè)物件后的強(qiáng)度為 （2）式中為處的吸收率。CT系統(tǒng)通過(guò)改變一組射線路徑L，記錄下對(duì)應(yīng)出射強(qiáng)度I(L)的變化來(lái)分析物體內(nèi)部的分布。在實(shí)際操作中，總是假定物體中的吸收系數(shù)是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，通過(guò)射線測(cè)量方法和圖像處理技術(shù)，將數(shù)學(xué)物理方程通過(guò)計(jì)算機(jī)

8、解出函數(shù)。在計(jì)算機(jī)屏幕上，可用顏色或灰度來(lái)表示的大小，從而被掃描的物體的切面圖像即可顯示出來(lái)。實(shí)際的掃描裝置通常是由排列成一定角度的多組探測(cè)器構(gòu)成的，這樣在每一個(gè)位置就可以獲得多組數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，提高了工作效率。共有三種信息收集方式：透射式CT（TCT）、放射式CT(ECT)、反射式CT。我們主要考慮前兩種CT的成像原理。3 CT 技術(shù)的應(yīng)用3.1 CT 技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用3.1.1 CT 灌注成像CT 灌注成像（CT perfusion imaging）是新近開(kāi)展的項(xiàng)目之一，它不同于以往的 CT 形態(tài)學(xué)成像，屬于功能成像（function imaging）的范疇【4】。它充分利用了

9、多層螺旋 CT 可以顯示毛細(xì)血管染色情況這一功能，通過(guò)在靜脈中注射造影劑后，對(duì)特定的組織或器官進(jìn)行連續(xù)多層掃描，以獲得該組平面內(nèi)的時(shí)間密度曲線（TDC），以便用不同的數(shù)學(xué)模型得出血流量（BF）、血容量（BV）、平均通過(guò)時(shí)間（MTT）、峰值時(shí)間（TTP）等參數(shù)，并用這些參數(shù)對(duì)該層面的組織或器官的功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。 在常規(guī)掃描和增強(qiáng)掃描上不易鑒別的腫瘤、感染、炎癥、梗塞等，其灌注參數(shù)均有所表現(xiàn)；并可對(duì)癡呆、精神疾病、偏頭痛等作出評(píng)價(jià)。有研究表明【5-6】CT 灌注成像灌注參數(shù)值的測(cè)定對(duì)于原發(fā)性肝癌、肝轉(zhuǎn)移瘤和肝血管瘤的鑒別診斷以及對(duì)鄰近的肝組織受累情況的評(píng)估具有重要的臨床意義。3.1.2 CT 心臟成

10、像運(yùn)動(dòng)器官一直是常規(guī)軸向掃描 CT 機(jī)臨床應(yīng)用的盲區(qū)，多層螺旋 CT 的出現(xiàn)突破了這一盲區(qū)。新的 64 層螺旋 CT 只用 5s 就可完成全心臟掃描，可看清軟、硬斑塊及支架等。每幅圖像的時(shí)間分辨率也已縮短至0.40.25s。而且隨著多層螺旋 CT 所謂扇形或斑狀掃查，可使一層面的數(shù)據(jù)重建由多列探測(cè)器分擔(dān)采集，時(shí)間分辨率已進(jìn)一步縮短至百余毫秒甚至數(shù)十毫秒【7】。64 層螺旋 CT 做心臟冠狀動(dòng)脈成像成功率接近100【8】。3.1.3 外傷或急重癥病人 外傷或急重癥病人需要及時(shí)并且準(zhǔn)確的診斷，才能正確及時(shí)地?fù)尵?。?64 層螺旋 CT 全身高分辨率各向同性采集只要10s，真正實(shí)現(xiàn)全身大范圍的掃描，

11、可迅速查出內(nèi)臟受損傷的情況，以便及時(shí)進(jìn)行搶救，是外傷急診 CT 臨床應(yīng)用的巨大突破【9-10】。3.2 CT 技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展將 CT 技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)大致始于20世紀(jì)70年代中后期。初的研究工作是用醫(yī)用CT進(jìn)行的，檢測(cè)的對(duì)象為石油巖芯、碳復(fù)合材料及輕合金結(jié)構(gòu)等低密度工件。由于醫(yī)用CT所用的射線源能量較低、穿透能力有限，而機(jī)械掃描系統(tǒng)又是專(zhuān)門(mén)為人體設(shè)計(jì)，因此，在檢測(cè)高密度及大體積物體方面存在著明顯局限性。從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始，由美國(guó) 軍方首先提出若干專(zhuān)門(mén)的研究計(jì)劃，制造檢測(cè)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或小型精密鑄件的CT設(shè)備。 經(jīng)過(guò)大約20年的發(fā)展，工業(yè)CT研究已成為一個(gè)專(zhuān)門(mén)的分支，并在

12、以后的十多年內(nèi)取得了飛速發(fā)展【11】。工業(yè)CT具有圖像清晰直觀、密度分辨率高、探測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍廣、圖像數(shù)字 化等特點(diǎn)因此在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用中有著獨(dú)特的優(yōu)越性【12】。 3.2.1 尺寸測(cè)量及裝配結(jié)構(gòu)分析 通過(guò)工業(yè) CT 得到的三維空間信息同樣可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件內(nèi)部尺寸的測(cè)量及關(guān)鍵件裝配 結(jié)構(gòu)的分析，以驗(yàn)證產(chǎn)品尺寸或裝配情況是否符合設(shè)計(jì)要求。 孫明太等人【13】利用工業(yè) CT 對(duì)航空深彈進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，精確測(cè)量其零部件位置及尺寸變化，并據(jù)此繪制圖紙、制定拆卸方案，從而保證了深彈拆卸和研究的安全性和可靠性。工業(yè) CT 的發(fā)展為我國(guó)引進(jìn)的高尖端武器的研究以及延壽提供了充足的資料。3.2.2 密度分布表征

13、 工業(yè) CT 圖像提供的密度信息，可直接用于均勻材料物理密度的測(cè)定，以驗(yàn)證產(chǎn)品密度 是否符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，將CT值和物理密度之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系需要特定的標(biāo)定技術(shù)。現(xiàn)代武器工業(yè)的發(fā)展對(duì)彈藥裝藥質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，各種大口徑炮彈要求對(duì)各種裝藥缺陷（氣泡、縮孔、裂紋、底隙等）進(jìn)行嚴(yán)格的限制，而這些缺陷通常又與炮彈 的裝藥密度有著密切的關(guān)系。炮彈的裝藥密度不僅直接影響武器的殺傷能力，而且炮彈裝藥密度的均勻性還對(duì)武器的發(fā)射安全性有著不同程度的影響。實(shí)踐證明，高能工業(yè) CT 技術(shù)在裝藥質(zhì)量的檢測(cè)中體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)【14】。3.3 CT成像技術(shù)的新發(fā)展3.3.1 雙源 CT 技術(shù) 雙源 CT 技術(shù)

14、在 2005 年北美放射學(xué)會(huì)（RSNA）年會(huì)上推出，展示了 CT 在技術(shù)與臨床應(yīng)用領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新，重新定義和詮釋了 CT 的概念，全面拓展了 CT 的臨床應(yīng)用，將影像診斷領(lǐng)域推向了一個(gè)令人驚喜的高度。西門(mén)子SOMATOM Definition 系統(tǒng)是全球首臺(tái)雙源計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)（Dual Source Computed Tomography，DSCT），它通過(guò)兩個(gè)X射線源和兩套探測(cè)器來(lái)采集數(shù)據(jù)。另外，通過(guò)雙源在不同能量下的數(shù)據(jù)采集，即兩個(gè)X射線源以不同的能量設(shè)置來(lái)工作。DSCT拓展了新型臨床應(yīng)用的范圍。該技術(shù)可應(yīng)用于大量的臨床實(shí)踐，如腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病和各類(lèi)急癥的診療等。3.3

15、.2 移動(dòng) CT NeuroLogica 公司推出的可移動(dòng)的無(wú)線傳輸圖像的頭部專(zhuān)用8層CT機(jī)，該機(jī)安裝在4個(gè)輪子上，可推到搶救患者床邊進(jìn)行頭部 CT 檢查，可用于急診室/ICU/導(dǎo)管室/手術(shù)室等場(chǎng)所。該機(jī)沒(méi)有檢查床，由電池驅(qū)動(dòng)，通過(guò)其設(shè)計(jì)的專(zhuān)利蜈蚣腳系統(tǒng)移動(dòng)主機(jī)來(lái)掃描，掃描圖像可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦ぷ髡尽? 前景及展望 CT 作為一種計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、地球物理、農(nóng)業(yè)、工程檢測(cè)和探測(cè) 等多方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CT技術(shù)將向著多源、多排、多層方向發(fā)展，以求得掃描速度、覆蓋范圍、圖像質(zhì)量的同時(shí)改善。同時(shí)便攜化的 CT 技術(shù)也將成為今后CT發(fā)展的方向。同時(shí)，

16、近年來(lái)出現(xiàn)了分子成像【15】、µ 子成像【16】等先進(jìn)的成像技術(shù)。分子成像技術(shù)可以對(duì)疾病進(jìn)行早期探測(cè)和跟蹤，在致病因素尚未在患者體內(nèi)成為疾病時(shí)或在患者尚未出 現(xiàn)臨床癥狀之前即作出明確的診斷。µ子成像檢測(cè)技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、對(duì)高原子序數(shù)材料敏感、消耗能源少等特點(diǎn)，特別適合檢測(cè)特殊核材料，是監(jiān)控核材料走私的有效方式之一。當(dāng)今世界正處于一個(gè)日新月異的時(shí)代，相信在將來(lái) CT 技術(shù)將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。參考文獻(xiàn)【1】李珍照. 國(guó)外大壩監(jiān)測(cè)幾項(xiàng)新技術(shù)J. 大壩觀測(cè)與土工測(cè)試, 1997, 21(1): 16-18. 【2】 Kalender W A. 計(jì)算機(jī)體層成像M. 北京: 人民

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