第5章-CT成像基礎(chǔ)

1、第5章 CT成像陳家榮密度分辨力低CT的發(fā)展CT是“X-ray computed tomography”的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，即計(jì)算機(jī)x線斷層掃描攝影術(shù)，是電子計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和x線斷層攝影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。第一臺(tái) CT機(jī)是Hounsfield 1971年發(fā)明早期CT發(fā)展：在掃描部位的延伸。從單一的頭部檢查拓展到體部檢查。20世80年代到90年代，主要是掃描速度的角逐。 近年來(lái)，CT技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在： 從非螺旋CT到螺旋CT 從單層螺旋CT到多層螺旋CT 從單源螺旋CT到雙源螺旋CT90年代以后，CT發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段第一次 是1989年，在CT傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)掃描的基礎(chǔ)上，采用了滑環(huán)技術(shù)和連續(xù)進(jìn)床技術(shù)從而實(shí)

2、現(xiàn)了螺旋掃描CT。第二次 是1998年多排螺旋CT （MDCF 或MSCT）的問(wèn)世，使得機(jī)架球管?chē)@人體旋轉(zhuǎn)一圈能同時(shí)獲得多幅圖像，大大提高了掃描速度。第三次 是2004年推出了64排螺旋CT，稱(chēng)容積CT：一次旋轉(zhuǎn)即可完成一個(gè)器官的掃描。 掃描速度：1S 單器官檢查，5S 心臟的檢查， 10S 全身的檢查第四次 2005年雙源螺旋CT（DSCT） 通過(guò)兩套x射線球管系統(tǒng)和兩套探測(cè)器來(lái)采集數(shù)據(jù)，大大提高了心臟掃描的時(shí)間分辨率。二、CT應(yīng)用評(píng)價(jià) （一）CT的優(yōu)勢(shì) 1.CT圖像的密度分辨率高。 肺部高于常規(guī)20倍。 2.對(duì)病灶的定位、定性準(zhǔn)確。 無(wú)干擾橫面圖像、層厚準(zhǔn)確、測(cè)量。 3.為臨床提供直觀可

3、靠的影像學(xué)資料。 增強(qiáng)前后比較。如數(shù)字骨科二）CT的進(jìn)展 1.心臟成像：是CT臨床應(yīng)用劃時(shí)代的突破，對(duì)運(yùn)動(dòng)臟器的觀察和診斷。 2.CT灌注技術(shù)：對(duì)組織的血液動(dòng)力學(xué)進(jìn)行診斷分析，主要用于急性腦梗死，腫瘤的診斷、治療、預(yù)防評(píng)價(jià)。 3.三維CT技術(shù)：能顯示掃描目標(biāo)的空間主體形態(tài)，用于直觀地顯示病變的部位，范圍及與周?chē)那闆r，如復(fù)雜骨折及骨畸形。 4.低劑量掃描技術(shù) 低劑量肺部CT掃描，其它參數(shù)不變的情況下，降低管電流也能達(dá)到圖像的診斷要求。降低了受檢者的輻射量，延長(zhǎng)球管的使用壽命。 5.CT內(nèi)鏡技術(shù) 目前CT結(jié)腸鏡、支氣管、膽道鏡、付鼻竇鏡。 優(yōu)點(diǎn)：到達(dá)普通內(nèi)鏡無(wú)法到達(dá)的位置 觀察到管腔外的情況 簡(jiǎn)

4、單、無(wú)創(chuàng)傷 缺點(diǎn)：看不到組織黏膜或病灶表面的顏色， 無(wú)法進(jìn)行活檢。6.CT連續(xù)成像技術(shù) 連續(xù)成像主要用于CT的介入手術(shù)，每秒鐘可以連續(xù)顯示8-12幅圖像，也叫CT透視。第二節(jié) CT構(gòu)造及其特性一、掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)包括掃描機(jī)架、掃描床、掃描控制電路等。 （一）掃描機(jī)架 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)：x線系統(tǒng)、圖像采集、x線過(guò)濾器、系統(tǒng)準(zhǔn)直器等。機(jī)架可傾斜20或30。 1.x線管 固定陽(yáng)極 第一代、第二代、其長(zhǎng)軸與探測(cè)器平行。 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 第五代、第四代、其長(zhǎng)軸與探測(cè)器垂直。 旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極 x線管、壽命長(zhǎng)、可達(dá)2萬(wàn)次掃描以上。2.冷卻系統(tǒng)在掃描機(jī)架內(nèi)有2個(gè)冷卻電路：x線管冷卻電路和電子冷卻電路。在掃描過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱

5、，會(huì)影響電子的發(fā)射，靶面龜裂，影響到x線質(zhì)量。球管和機(jī)架內(nèi)都有熱傳感器，把信號(hào)傳給主計(jì)算機(jī)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，機(jī)器停止工作，直到溫度降到正常才可以重新工作。另外，主計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描參數(shù)的設(shè)定預(yù)算熱量值，當(dāng)預(yù)算值超過(guò)正常范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)在屏幕上給出提示，操作者通過(guò)修改掃描方案，如縮短掃描范圍，降低毫安、千伏、增大螺距的方法。3.高壓系統(tǒng)：包括高壓發(fā)生器和穩(wěn)壓裝置。CT機(jī)對(duì)高壓的穩(wěn)定性要求很高，電壓波動(dòng)會(huì)影響x線能量，而x線能量與物質(zhì)的衰減系數(shù)（吸收值）密切相關(guān)，CT圖像是計(jì)算機(jī)求解吸收值而重建而來(lái)的，所以電壓波動(dòng)會(huì)影響到圖像質(zhì)量。CT值的精度在0.5%以下高壓發(fā)生器的高壓穩(wěn)定度必須在

6、千分之一以下，新機(jī)型CT 的高壓發(fā)生器多采用高頻逆變 高壓技術(shù)，這種電壓一致性好、穩(wěn)定、紋波干擾小，圖像分辨率更高。（二）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS） DAS包括探測(cè)器，緩沖器，積分器和A/D轉(zhuǎn)換器等部分，由探測(cè)器檢測(cè)到的模擬信號(hào)，在計(jì)算機(jī)控制下，經(jīng)緩沖，積分放大后進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，變?yōu)樵嫉臄?shù)字信號(hào)。1.探測(cè)器：是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。 分兩種基本類(lèi)型：一種收集電離電荷的探測(cè)器，另一種閃爍晶體測(cè)探器。 探測(cè)器必須具備條件： （1）電源適應(yīng)性強(qiáng)，不同電壓均能正常使用，有良好均勻性； （2）動(dòng)態(tài)范圍性強(qiáng)，強(qiáng)弱信號(hào)都能檢測(cè)，靈敏高； （3）余輝時(shí)間短，竭止 性能好； （4）成分穩(wěn)定：受理化因素影響小、

7、壽命長(zhǎng)； （5）體積小、空間配置容易 氣體探測(cè)器多采用惰性氣體，氙氣Xe，氪氣Kr。常用的閃爍晶體有碘化鈉、碘化鉑、鍺酸鉍。2.A/D轉(zhuǎn)換器：從探測(cè)器所獲得的信號(hào)是模擬信號(hào)，經(jīng)緩沖處理后，進(jìn)行積分放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后才能被計(jì)算機(jī)識(shí)別 （三）濾過(guò)器 X線管發(fā)射的x線是由不同波長(zhǎng)組成的連續(xù)光譜。所以從球管發(fā)出x線必須進(jìn)行過(guò)濾，濾過(guò)器的作用：1、吸收軟射線 2、使X射線變?yōu)槟芰糠植季?勻的硬射線（四）準(zhǔn)直器CT機(jī)一般有兩套準(zhǔn)直器一套在x線球管一側(cè)稱(chēng)前準(zhǔn)直器，控制放射源，另一套在探測(cè)器一側(cè)的稱(chēng)后準(zhǔn)直器，后準(zhǔn)直器主要起到減少放射線，減少讀數(shù)誤差，與前準(zhǔn)直器配合，完成切層厚度的作用。第三代

8、以后的CT機(jī)都不加后準(zhǔn)直器，因掃描速度加快了，前后準(zhǔn)直器的協(xié)調(diào)也難以同步，影響接收質(zhì)量。前準(zhǔn)直器，根據(jù)主計(jì)算機(jī)指令在掃描控制電路控制下，前準(zhǔn)直器在Z軸方向變換不同的寬度，決定掃描層厚。檢查床1.檢查床在掃描過(guò)程中有很高的精度、誤差不允許超過(guò)0.5mm。2.檢查床的進(jìn)退還應(yīng)有準(zhǔn)確的重復(fù)性，如掃描過(guò)程中，有時(shí)要對(duì)興趣區(qū)反復(fù)掃描，每次掃描檢查度必須能準(zhǔn)確地到達(dá)同一層面。床面在掃描控制系統(tǒng)的控制下，做恒速運(yùn)動(dòng)。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CT計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：由主計(jì)算機(jī)和陣列計(jì)算機(jī)兩部分組成。主計(jì)算機(jī)是中央處理系統(tǒng)，利用I/O接口，通過(guò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)總線進(jìn)行雙向通迅，從而控制CT整個(gè)系統(tǒng)的正常工作 主計(jì)算機(jī)主要功能： 1.掃描

9、監(jiān)控，存儲(chǔ)掃描所輸入的數(shù)據(jù)。 2.CT值的校正和輸入數(shù)據(jù)的擴(kuò)展。 3.圖像的重建控制及圖像后處理。 4.CT自身故障診斷。 陣列處理器，是60年代發(fā)展起來(lái)計(jì)算技術(shù)，是一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，在主計(jì)算機(jī)的控制下高速進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，本身不獨(dú)立工作。 掃描控制系統(tǒng) 安裝在掃描機(jī)架內(nèi)。CT機(jī)的掃描過(guò)程都是在主計(jì)算機(jī)控制下，由掃描控制系統(tǒng)來(lái)完成的。掃描控制系統(tǒng)控制的硬件主要有調(diào)整單元，脈沖控制，旋轉(zhuǎn)控制和遮光板控制等。如掃描旋轉(zhuǎn)停止，掃描的開(kāi)始，中斷等都由調(diào)整單元控制. 操作系統(tǒng)（OC） 又稱(chēng)為人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)，主要通過(guò)操作臺(tái)完成。操作臺(tái)是操作員與計(jì)算機(jī)對(duì)話的工作平臺(tái)，掃描參數(shù)的編輯、設(shè)定。掃描過(guò)程的控制，觀

10、察分析，病人資料的輸入及機(jī)器故障診斷均在操作臺(tái)OC平臺(tái)上完成。第三節(jié) 不同CT機(jī)的構(gòu)造及特點(diǎn) 普通CT第一代CT掃描機(jī)：只有一個(gè)X線管和一個(gè)探測(cè)器，數(shù)據(jù)的采集是基于X線管和探測(cè)器作平移加旋轉(zhuǎn)的掃描方式。第二代CT掃描機(jī)：采用較多的探測(cè)器和多路X線束，但都是同一X線管。第三代CT掃描機(jī)：取消了X線管和探測(cè)器的平移運(yùn)動(dòng)，只需要X線管和探測(cè)器圍繞病人同步旋轉(zhuǎn)。第四代CT掃描機(jī)：在三代掃描機(jī)上，有了更多的探測(cè)器，多達(dá)2000個(gè)，排成圓環(huán)，分布在360度的圓周上。二、螺旋CT螺旋CT是以x線管繞被檢物體勻速旋轉(zhuǎn)，被檢物勻速前進(jìn)為特征的掃描過(guò)程，x線在被查物體上留下的軌跡是螺旋曲線，故稱(chēng)為螺旋CT。容積掃

11、描：一次收集到掃描范圍內(nèi)全部容積（如心臟）的數(shù)據(jù)。螺旋CT是在滑環(huán)掃描技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)的一種新掃描技術(shù)，分為單層螺旋CT和多層螺旋CT。常規(guī)CT和螺旋CT的比較常規(guī)CT和螺旋CT的比較 螺旋CT 常規(guī)CT1、球管運(yùn)動(dòng)形式： 繞病人長(zhǎng)軸連續(xù)旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)回位旋轉(zhuǎn)2、走床方式： 勻速直線運(yùn)動(dòng) 間停式運(yùn)動(dòng)3、掃描速度： 快，0.5-1秒 慢。35秒4、掃描形式： 容積式掃描 單層掃描5、數(shù)據(jù)形式： 連續(xù)， 不連續(xù) 便于進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理； 不便于后處理6、檢出敏感性： 不會(huì)因呼吸運(yùn)動(dòng)漏檢； 容易出現(xiàn)漏檢。 一、單層螺旋CT 一個(gè)x射線管，一組園弧狀排列的探測(cè)器。 螺旋CT的供電方式，采用了滑環(huán)技術(shù)。 螺旋CT的

12、掃描方式，x線管向一個(gè)方向圍繞受檢體連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描，受檢體（檢查床）同時(shí)向一個(gè)方向連續(xù)勻速移動(dòng)通過(guò)掃描野，x線管運(yùn)動(dòng)在受檢體的外圍劃的一個(gè)園柱面螺旋線形軌跡。螺距與層厚螺距：相鄰螺線圈沿螺線圈軸線方向床移方向的距離稱(chēng)為螺距（pitch），螺距也等于x線管旋轉(zhuǎn)一圈受檢體隨掃描床移動(dòng)的距離。螺距（pitch）=0時(shí)，相當(dāng)于傳統(tǒng)CT螺距 層厚 迭加掃描螺距 =層厚連續(xù)掃描螺距 層厚 跳躍掃描 二、多層螺旋CT 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多排探測(cè)器和多個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。二、多層螺旋CT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多排探測(cè)器和多個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 1.探測(cè)器 弧形狀排列，探測(cè)器以一定組合方式（電子開(kāi)關(guān)）接收信號(hào)，然后將信號(hào)傳遞給有多個(gè)通道的數(shù)

13、據(jù)采集系統(tǒng)。 2.X射線束 X射線束形狀是以X射線管為頂點(diǎn)的四棱錐形，這樣X(jué)線束可以同時(shí)覆蓋多排探測(cè)器。 3. MSCT螺距與層厚 束螺距=掃描一圈床移距離/掃描束寬度 層螺距=掃描一圈床移距離/ 層厚寬度 兩種螺距關(guān)系：層螺距=層數(shù)束螺距 MSCT的層厚：取決于探測(cè)器的有效探測(cè)寬度，或等于探測(cè)器組合寬度。 4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多組數(shù)據(jù)采集通道，分別接收探測(cè)器接收的X線所產(chǎn)生的電信號(hào)，進(jìn)行采集，輸出。5決定層厚的方法 單層螺旋的層厚與非螺旋CT一樣，通過(guò)改變X線束的寬度來(lái)完成，層厚等于X線束的寬度。 多層螺旋CT的層厚不僅取決于X線束的寬度，而且取決于不同探測(cè)器陣列的組合。單層螺旋CT和多層面CT

14、的比較 多層面CT 單層螺旋CT 1、X線束形態(tài)： 錐形線束 扇形線束2、探測(cè)器形狀： 多排并列 單列3、層厚因子： 探測(cè)器的排列 X線束寬度4、掃描3600 圖像： 多幅 1幅5、掃描時(shí)間： 秒 1.0秒6、圖像分辨率： 4 17、X線劑量： 0.6 1.0 三電子束CT 電子束CT是由美國(guó)Douglas Boyd博士1983年開(kāi)發(fā)應(yīng)用于臨床。發(fā)明者的初衷是使心臟結(jié)構(gòu)清晰成像并能獲得足夠的空間分辨率。 電子束CT與常規(guī)螺旋CT相比，掃描速度更快，達(dá)到毫秒級(jí)水平，時(shí)間分辨率顯著提高，電子束CT對(duì)運(yùn)動(dòng)器官如心臟和腹部臟器可在短時(shí)間內(nèi)獲得多層，多幅清晰圖像，以電影形式顯示于屏幕，適合心血管以及胸腹

15、部血管檢查。電子束CT的基本結(jié)構(gòu)：電子槍?zhuān)劢咕€圈，掃描機(jī)架，檢查床，冷卻系統(tǒng)。電子槍聚焦線圈電子束偏轉(zhuǎn)線圈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探測(cè)器環(huán)X線束真空泵掃描床靶環(huán)*X射線管有電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和處于真空中的半園形的四個(gè)鎢靶*864個(gè)晶體探測(cè)器排成兩排216的環(huán)形電子束CT（EBCT)電子束CT的基本構(gòu)造包括電子槍、聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、掃描機(jī)架以及普通CT的一些基本構(gòu)造。1.電子槍位于系統(tǒng)后部，由離子清除電極（ICE）保持高真空，其陰極燈絲加熱產(chǎn)生游離電子簇，在130kV的高壓下加速產(chǎn)生約640mA的電子束。 2.聚焦線圈-在真空管中使電子束聚焦成毫米級(jí)的小焦點(diǎn)（1mm1.2mm）。3.偏轉(zhuǎn)線圈-使電子束偏轉(zhuǎn)

16、轟擊掃描機(jī)架的靶面。4.掃描機(jī)架-電子束CT的掃描機(jī)架是固定不動(dòng)的，它的下方有4個(gè)并排的圓弧形鎢靶環(huán)（依次為A、B、C、D環(huán)），上方有兩組鎢酸鎘晶體探測(cè)器。這種探測(cè)器具有高效能，快速衰減的特點(diǎn)，以適時(shí)短時(shí)，快速和多層掃描。 5.檢查床-位于系統(tǒng)前部，床面可傾斜25（頭高足低），并可左右旋轉(zhuǎn)，以得心臟的多軸位掃描。 6.冷卻系統(tǒng)-電子束CT是靠靶環(huán)裝置上的水冷卻系統(tǒng)快速消除熱量和巨大鎢靶體積分散熱量。另外，電子束CT掃描器裝置了四個(gè)靶環(huán)，分散了傳遞到靶環(huán)上的熱量。常規(guī)CT靠靶環(huán)和球管緩慢散熱。四雙源CT雙源CT是在成熟的64層CT技術(shù)上，加裝兩個(gè)零兆金屬球管與兩套探測(cè)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電磁直接驅(qū)動(dòng)，并

17、采用先進(jìn)的靜音技術(shù)，特殊的散射線校正技術(shù)。雙源CT同時(shí)使用兩個(gè)射線源，但在常規(guī)檢查時(shí)，也可使用一個(gè)射線源，此時(shí)相當(dāng)于一臺(tái)普通的64層CT機(jī)。 雙源CT特點(diǎn) 1.兩套X線球管和兩套探測(cè)器采集CT圖像，在間在X-Y平面上相隔90 2.獲得180數(shù)據(jù)，單扇區(qū)采集的時(shí)間辯率達(dá)到83ms 3.兩個(gè)X線源的總能量160kw 4.移床速度高達(dá)87mm/s下，可獲得小于0.4mm的各向同性分辨率。 5.兩個(gè)球管的管電壓分別為80kv和140kv。低kv球管的管電流是高kv球管的3倍。 6.兩個(gè)球管能同時(shí)，同層進(jìn)掃描，所獲得數(shù)據(jù)，兩者不存在位置和時(shí)間上的偏差。 雙源CT臨床應(yīng)用的優(yōu)勢(shì) 1.掃描速度更快 在5-10內(nèi)完成心臟冠脈檢查，球管旋轉(zhuǎn)一周最短時(shí)間0.33s。時(shí)間分分辨率83