CT基本原理

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1、安科公司 第六期培训班主题 l1、Computerized Tomography(CT)的发 展历史和基本原理； l2、ANATOM CT的发展历史和工作原 理； l3、基本操作、日常检修和维护； l4、常见故障及处理。 l 第一章 CT的基本原理 l1、历史回顾 l2、各代CT机 l3、X射线衰减系数 l4、CT扫描成像原理 4.1 直接矩阵求解法 4.2 反投影法 4.3 二维傅立叶变换重建法 CT的历史回顾 lCT是在1895年伦琴发现X射线以来，X 射线在诊断方面的最大突破，是近代飞 速发展的计算机技术与X射线检查摄影 技术相结合的产物。 l1917年，奥地利数学家J.Rodan提出，

2、 对二维或三维的物体可以从各个方向上 投影，然后用数学计算方法重建出图像 。 CT的历史回顾 l1956年，Bracewell第一次将一系列有不 同方向测得的太阳微波发射数据，运用 图像重建方法，绘制了太阳的微波发射 图像； l1961年，Oldendorf叙述了将一种晶体光 电倍增管（PM管）作为探测器，运用 直接反投影法的方法，将模型中的钉子 分辨出来。 CT的历史回顾 l1963年，Cormack用一个圆桶围在木材 上，然后对其扫描获得吸收系数的剖面 图像。扫描后利用傅立叶变换准确的计 算出了铝和木材的实际吸收系数，他是 正确运用图像重建数学的第一个研究者 ，这为CT的深入研究打下了坚实

3、的基 础。 CT的历史回顾 l1967年,Hounsfield在英国EMI实验研究 中心将计算机技术和数学重建原理运用 于X射线的扫描重建中,花了9天的时间 产生数据，3小时计算机运算,重建出一 幅图像。 l1972年，世界上第一台CT在EMI诞生了 。因为Hounsfield在医学诊断上的这个 贡献，他受到了多方的奖励，并于1979 年获得了诺贝尔医学奖。 CT的临床用途 lCT和普通X线摄片都是利用X线能穿透物体成像 的基本原理，但CT可以清晰的显示出人体的组 织结构，这是普通X线平片无法做到的。 lCT是无创检查。 lCT对病灶定位非常精确，介入CT技术的应用， 更拓宽了CT的应用范围。

4、 lCT增强已是CT常规应用技术之一，对病变的发 现和确诊是不可缺少的。 l螺旋CT+CT压力注射器的应用，使CTA成为现实 ，它的应用，使CT对血管系统的诊断具有重要 意义 CT的划代与CT的发展 l自70年代初期CT机问世以来，各国专 业公司竞相研制，产品发展日新月异。 根据CT扫描成像方式将CT机分为第一 代、第二代、第三代、第四代和第五代 CT机。 CT的划代与CT的发展 l第一代CT： l特点：是由一个X线管和23个探测器组 成。一束笔型X线束，直线平移扫描运动 ，再旋转1度，反向作直线扫描运动，再 旋转1度，再扫描，直到180度以内得180 个扫描数据，及完成采集过程，成为平 移旋

5、转扫描方式。 l缺点：X线利用率低，扫描时间长，35 分钟。头颅要半小时扫描。 第二代CT l特点：笔型线束改为小角度扇形线束， 检测器增加至352个。旋转角度从1度 提高520度，扫描时间提高到数十秒钟 。 l缺点：速度仍然较慢，移动伪影较明显 。 第三代CT l特点：X线束角度增加到3045度，检 测器数量2561000个，环绕物体作旋转 扫描，称为旋转-旋转式扫描。360度扫 描一般在31秒之间，最快可达0.5秒， 图象质量明显改善，空间分辨率可达10 线对/厘米左右，可用于全身检查（除 心脏内部结构外）。当前以第三代CT 为主流，如螺旋CT、双螺旋CT、CTA 、CTE、3D等软件广泛

6、应用于临床。 第四代CT l特点：将检测器排成一周，数量在 6005000个之间，扫描时检测器不动， X线球管环绕被扫描物体旋转，称为旋 转-固定式扫描。 l缺点：检测器利用率低，图象质量及扫 描速度改变不大，目前生产厂家较少 第五代CT l特点：取消了传统的X线球管的机械转 动，由一个大型特制扫描电子束X线管 和固定的检测器阵列组成。通过特制锥 状X线管内电子束偏转来完成CT扫描。 速度非常快，只需50毫秒。目前主要用 于心脏扫描。 CT主要性能指标及名词解释 lCT值： 测量CT图象中不同组织的密度数值。 根据Housfield的设定，水的CT值定标 为：“0”；空气CT值：“-1000”

7、。 l空间分辨率： 又称高对比度空间分辨率，是指两种物 质密度反差较大的情况下，每1cm内能 分辨出的线对数目。一般中档CT，空 间分辨率在10LP/cm左右，高档CT可达 24LP/cm左右。 CT主要性能指标及名词解释 l密度分辨率： l又称低对比度分辨率，是指两种物质密度 反差很小的情况下，能分辨出其中一种物质 的最小直径。在标明密度分辨率时，也需标 明两种物质的密度差，如0.50.3%等。在密 度差为0.5%时，如其中一个物质的CT值为 “0HU”（如纯水），则另一个物质的CT值应 是+5HU或-5HU，CT图像能分辨的最小物质 直径是3mm时，那么其密度分辨率为3mm 0.5%。 C

8、T主要性能指标及名词解释 l图象噪声： 均匀物质的图象中，某一确定区域内CT值偏 离平均值的程度。图象噪声的大小用选择区 （感性趣区）内均匀物质的CT值的标准偏差 表示。 l伪影： 在图像中出现而实际物体中并不存在的假像 。 l重建矩阵： 是计算机根据CT扫描过程中检测器采集的大量数 据而重建的CT原始图象矩阵。矩阵的大小、直接 表示图象像素的多少，像素越多，分辨率越高；反 之分辨率较低。重建像素的质量与检测器的数目和 采样频率有密切关系。目前，一般CT的图象重建 矩阵有340X340；512X512，高档CT重建矩阵可达 1024X1024等。 l显示矩阵： 是CT监视器显示像素的矩阵，该矩

9、阵的大小和显 示图像质量有关。矩阵越大，图像越细，但分辨率 不会提高（要提高图像分辨率，必须提高图像重建 矩阵）。由此可见，显示矩阵和重建矩阵是完全不 同的概念。 l扫描孔径和扫描视野： 扫描孔径表示扫描孔的大小。扫描视 野（FOV）表示能扫描成像的最大范围 直径。如头颅CTFOV一般只需240mm 左右，而全身CTFOV必须大于400mm 。 l检测器 检测器是将CT扫描时穿透人体后不 同强度的X线转换为电信号的重要部件 。检测器的品质和数量是影响CT图像 的重要因素。 l（1）检测器数量： 一般来说检测器越多，一次采样所获得的 数据就越多，空间分辨率就越高。这里要 说明一点，检测器数量分实

10、际数量和有效 数量两个概念。因为检测器成本较高，所 以国际上一些名的公司，利用高技术手段 ，提高检测器的有效使用率，如美国 Analogic公司，采用非对称性排列，德国的 西门子公司，采用飞焦技术等均能提高检 测器的有效使用率一倍。简单比喻，一个 检测器当两个使用。由此可见，检测器数 量以有效数量为依据。目前国际上大多CT 厂家，检测器实际数量和有效数量基本一 致。 l（2）灵敏度： 是指检测器将X线能转换为可利用的电 信号的能力。高灵敏度的检测器只需微 量的X线能，便可获得较强的电信号。 检测器的灵敏度决定于两个因素检 测器材料和内部结构。如固态检测器的 灵敏度明显高于气态检测器，是衡量 C

11、T品位的一个重要因素。 lX线球管 CT 扫描成像的X线束由X线球管产生的， 所以X线球管是CT设备中必不可少的重 要部件。X线球管的性能指标和CT的技 术指标有直接关系。 l（1）焦点： l（2）球管功率： l（3）球管热容量： l螺旋CT及临床应用 l 螺旋CT（Spiral or Helical CT，简称SCT ），又称容积CT（Volumetric CT），是一 种通过连续扫描方法采集螺旋状立体数据的 新技术，是CT成像技术的一次革命性飞跃 。最初由Kalender和Vock等在90年报道了容 积扫描的有关技术，引起了广大学者和厂商 的重视，在短短几年时间内，论是螺旋CT 的制造技术

12、，还是临床应用均以惊人速度迅 猛发展。CTA CT血管造影）、CTE（CT内 窥镜）和三维图像重建等技术相继用于临 床，并获得满意的效果。我国在90年代初期 就引进了SCT，并广泛应用于临床。 螺旋CT的基本原理 l SCT是指在扫描期间，X线管连续旋转并连 续发射X线束，同时扫描床在纵轴方向匀速 移动，这样，扫描区域X线束运动的轨道对 检查物体呈螺旋状运动。要实现螺旋扫描功 能，必须具备以下五个条件： l（1）扫描架单方向连续旋转。实现这一功能 ，目前国际上有两种方式。 a. 滑环技术： l滑环装在固定部分，电刷装在转动部分 ，电刷沿着滑环转动，供电系统则经滑 环和电刷向X线球管供电。根据供

13、电电 压的 高低，可分为高压滑环和低压滑环。 b. 自由滑环技术（又称无滑 环技术）： l这是美国Analogic公司的专利技术。该技术 是在扫描机架的转子上设置一个高能量太空 电站，是扫描机转子的供电电源系统。信号 是通过旋转的环状天线传输的，这种自由旋 转的“天线”与机架上固定的收发装置间只有 几毫米的间距，确保数字信号传递的可靠性 ，并克服了一般滑环技术的磨损缺陷（滑环 在使用过程中，碳刷会有一定的磨损，使用 一定时间后需要维修和更换碳刷，维修费用 较贵）。 螺旋CT的基本原理 l（2）运算速度快，容量大的计算机系 统。 l（3）大功率、大热容量的X线球管， 要求能连续扫描时间达30秒钟

14、以上（与 每周扫描时间有关）。 l（4）扫描床的匀速运动。 l（5）丰富软件支持。 螺旋CT扫描和CT平扫的性能 比较 l（1）扫描速度 虽然时间对同一台CT而言，平扫和螺扫一周 时间是相同的(Anatom /Anatom Minus 每周扫 描时间是2秒），但对某一部位完成扫描时间 螺扫比平扫要快得多，因为平扫每扫一层， 扫描床要按扫描层面的计划移动位置，加上 图像重建，这个间隔时间一般要37秒左右（ Anatom /Anatom Minus间隔时间为5秒）， 螺旋CT扫描和CT平扫的性能 比较 而螺扫对某一部位的扫描（最大允许连 续扫描时值以内，Anatom/ Anatom Minus，最

15、大连续扫描时间50秒或70秒 ）是连续的，没有层间间隔时间。按肝 区扫描12层计算，螺扫一般在20秒左右 可以完成，而平扫要3分钟左右。由此 可见，螺扫比平扫要快得多。 （2） 小病灶检出率 lSCT明显高于CT平扫，当病灶前后经小于扫 描层厚而密度反差较小时，如果此病灶骑跨 在CT平扫的两个层面之间，就很容易造成漏 诊。而螺旋扫描，实际上是三维立体采样， 利用重叠重建方法，不存在层面间隔遗漏病 灶的缺陷。另外，CT平扫是逐层扫描，中间 有间隔时间，所以会出现层面之间不一定完 全衔接，而有呼吸错位 现象，称为呼吸漂移 ，导致小病灶漏诊。 （3） 伪影和分辨率 l 虽然SCT采集的原始数据没有精

16、确 地位于一个平面上，而使其空间分辨率 稍低于CT平扫。但是由于运算方式上 二者之间的差别，SCT图像上骨伪影要 小于CT平扫。 （4） SCT增强效果和增强剂 用量问题 lSCT扫描时间 明显比CT平扫快，如上腹部扫 描，一般在30秒以内即可完成。因此，应用 专用CT注射器，采用一次快速注药方式（速 率34ml/s），第一延时1820秒，开始第一 次螺旋扫描；第二次延时60秒，进行第二次 螺旋扫描（同部位、同方向）。结果，一次 注药可以获得肝脏动脉期和门静脉期增强图 像，这一技术称为双期增强技术。当然，也 可以进行三期增强，即肝动脉期、门静脉期 和平衡期。 （4） SCT增强效果和增强剂 用量问题 l由此可见，SCT的增强，对肝、胰等实质性 脏器病变的检