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1、.,第十二章 CT设备,.,第一节 概述 一、发展简史,1895年,德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen);发现X射线,为射线CT奠定了基础。 1917年,奥地利数学家雷登(Radon):从数学上证明,利用物体在各个方面的投影数据,可以重建出物体的二维断面或三维图像。 1945年,计算机的发明:为投影重建理论提供了物质基础. 1963年,美国物理学家科马克(Cormack)发表了一篇研究报告,详细描述了用X射线投影数据重建图像数学方法。 1971年,英国工程师亨斯费尔德(Hounsfield):在EMI公司研制成功世界上的第一台头颅CT。 1974年,美国工程师莱德利(Ledley):研制
2、成功世界上的第一台全身CT。,.,1971年,英国工程师亨斯费尔德(Hounsfield):,Hounsfield,Cormack,.,CT机的分代: 第一代CT机:X线为单束,探测器数有单个或几个,运动方式平移加旋转,扫描时间长数分钟,头部. 第二代CT机:X线为多束,探测器数有数个或几十个,运动方式平移加旋转,扫描时间数十秒,全身. 第三代CT机:X线为扇形,探测器数有几百个扇形排列,运动方式旋转+旋转,扫描时间长数秒钟. 第四代CT机:X线为扇形,探测器数有数百到几千个呈圆周状排列,提高了图像质量.运动方式为旋转. 第五代CT机:电子束CT超高速型CT机(UFCT).扫描无机械旋转维护费
3、用高.,.,（一）第一代CT（平移+旋转扫描方式）,第一代CT由X线管和1-2个探测器（detector）组成。 X线束穿过和探测器同步直线平移运动。 获得透射数据后，X线管和探测器环绕中心旋转1，做上次相反的直线扫描运动。 获得数据后，再旋转1，重复上述过程直到180，采集到数据组成的平行投影值，即完成了数据的采集过程。,.,第一代CT（平移+旋转扫描方式）,.,（二）第二代CT（平移+旋转扫描方式）,第二代CT X线束改为扇形线束，由一只X线管和330个晶体探测器组成。 由呈扇形排列的多个探测器，每次平移后的旋转角由1提高到扇面角度，扫描时间减至18s。为了提高图像质量采用240、360平
4、移加旋转扫描，比第一代CT各项指标有提高，已具备了做全身CT检查的条件。 第二代CT主要缺点是：在扫描过程时间长，由于病人的生理运动，易产生伪影。,.,.,第二代CT（平移+旋转扫描方式）,.,（三）第三代CT（旋转-旋转扫描方式）,第三代CT的扇形角较宽（3045），探测器增加到3001000个逐个依次无空隙排列。 扫描时，X线管和探测器无直线平移运动，仅做围绕病人进行连续旋转运动即可。扫描时间可更短。 优点：结构较简单，使用操作方便，可获得较理想的CT图像。 缺点：需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正，相邻探测器的性能差异将产生同心环形伪影。,.,第三代CT（旋转-旋转扫描方式）,.,（四）
5、第四代CT（旋转-静止扫描方式）,第四代CT具有更多（6004800个，分布在360的圆周上）探测器。扫描时X线管做围绕病人一周的旋转运动，而探测器则固定不动。 扇形线束角度也较大，扫描速度可达15s。 其工作原理和第三代CT没有本质的区别，仅是第三代CT的一个变形。,.,第四代CT（旋转-静止扫描方式）,.,（五）第五代CT（静止-静止扫描方式）,第五代CT由一个电子束X线管、由864个固体探测器构成216的阵列固定环内和一个数据采样、图像处理、数据显示的计算机系统组成。 每个固体探测器作为一个数据采集单元。它由一个X线可见光转换晶体、一个光电转换硅二极管和一个前置放大器构成。 第五代CT适
6、用于心脏，查易动病人检查，是一种新型的CT。其缺点是造价昂贵。,.,电子束CT,.,第五代CT （静止-静止扫描方式）,.,电子束CT,.,双源CT,.,各代CT比较,.,.,二、现状与发展趋势,滑环技术（slipring） 螺旋扫描技术（helical scan） 多层面螺旋扫描技术：2层CT、4层CT、8层、16层、32层、64层CT 容积扫描（volume Scan） 平板探测器CT机：锥形CT扫描机（cone beam CT）。 排(层)的发展: 单排CT 双排CT64排CT平板（锥形）CT,.,锥形CT机面临的难点是：,克服锥形线束伪影（cone beam artifact）； 改进
7、图像重建算法； 提高大量数据的处理速度； 提高平板探测器的性能； 克服机械结构限制。,.,容积扫描,.,锥形CT THREE-DIMENSIONAL,.,第二节 CT工作原理,X线CT扫描机能对人体进行横断体层成像，将各种组织对X线的吸收系数以数字（CT值）表示出来。 X线CT扫描机与常规X线体层摄影的原理和成像方法也完全不同，它没有纵向体层摄影时上下层模糊影像对目标体层的影响，被检查层各点CT值经数学方法重建出来的图像。,.,投影像,.,X线投影,.,一、线衰减系数,将X线束穿过人体一横断层面则对面的探测器可获得该层面的信息。借助于各组织对X线具有不同衰减系数的特征来实现还原为该层面的图像。
8、X线在人体被衰减的程度，按组织对X线的衰减系数和组织厚度D以指数函数关系发生变化其式为: 或 式中：I0入射X线强度；I为穿过病人衰减后的强度；D为组织厚度，为线性衰减系数。,.,沿X线束穿过的人体各组织密度一般是非均一的。认为是由大量各不相同的密度单元体所组成。单元体厚度为D，单元体被分割得越细小，其体内密度越接近一致.,.,二、工作原理,需要从一个横断面的许多视角射入X线，以便测得大量“衰减系数之和”，即所谓数据采集过程，随后建立n元一次方程组求解，即可得到各单元体的衰减系数。若一幅图像有nm个像素，则需解nm个n元一次方程，方能求出一个层面各单元体的衰减系数。 数据采集的基本组成部分是X
9、线管、滤过器、准直器和探测器，,.,将计算出各单元体衰减系数的过程称为图像重建。一幅图像至少由几十万至上百万个单元体（像素）组成。,不同组织的衰减系数之和可能相等的示意图,.,CT信号检测原理,.,投影图像重建,.,各组织的CT值,.,数据采集的组成: 是X线管、滤过器、准直器和探测器。 为了从不同视角获取数据，需要一个扫描机架。 X线管、探测器环绕患者作360旋转，以获取大量原始数据。,.,Housfield unit (HU) :,WW decides what we see Kv ;mA;保用次数 热容量: 0.5MHU 0.75MHU 1.5MHU 2MHU 3MHU 5MHU 5.5
10、MHU 6MHU ,.,X线管组件接线图,.,二、探测器,探测器是一种将射线能量转换电信号的装置。,.,（一）探测器性能,1效率 是指它从线束吸收能量的百分数。几何效率;吸收效率;总检测效率 。 2稳定性 是指从一瞬间到另一瞬间探测器的一致性和还原性，探测器需经常进行校准以保证其稳定性。 3响应性 是指探测器接收、记录和抛弃一个信号所需的时间。 4准确性 人体软组织及病理变化所致衰减系数小的变化。,.,（二）探测器类型,固体探测器： 是一种收集荧光的探测器，称闪烁探测器。 气体探测器： 是收集气体电离电荷的探测器。,.,1固体(闪烁)探测器,闪烁探测器是利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测
11、射线的装置。,.,Solid State Detector,.,Solid State Detector (SSD),Internal Collimator,External Collimator Plate,Scintillator,Photo diode,x-ray,Light,Collimator: Molybdenum 0.1mm thickness 1.028 pitch eliminate scatter Scintillator: material is secret converts x-ray to visible light too much x-ray can chang
12、e the sensitivity Photo diode: converts visible light to an electrical signal,to DDC,i,.,Solid State Detector,.,部分闪烁晶体性能表,.,2气体探测器,气体探测器是利用气体（一般采用化学性能稳定的惰性气体）电离的原理，入射的X线使气体产生电离，通过测量电流的大小来测得入射X线的强度。,.,探测器,.,固体探测器 Picker公司分布式处理方式; 西门子公流水线处理方式。,.,（一）流水线处理方式,流水线处理方式（pipeline processing） 采用了生产上的流水线概念，把每条
13、指令分为若干个顺序的操作，每个操作分别由不同的处理器实施。这样可以同时执行若干条指令，对每个处理器来说，每条指令中的同类操作像流水线一样被连续加工处理。这样可以提高计算机工作速度和提高各个处理器的使用效率。,.,流水线处理方式,.,（二）并行处理方式,并行处理方式（parallel processing） 是由三台多任务计算机通过系统总线耦合成一系统，分别形成扫描处理器、显示处理器和文件处理器。扫描处理器中采用二台阵列处理器和一台反投影处理器，使其重建速率为每秒6400万次浮点运算。显示处理器中采用一立的阵列处理器用于整形、放大、窗位控制和图像分析。,.,并行处理方式,.,（三）分布式处理方式
14、,分布式处理方式（distributed processing） 由若干立的处理器构成，各台处理器可分别处理同一程序的各个子程序，也可按功能分别处理一道程序的各个阶段。每台处理器都有自己的局部存储器，能独立承担分配给它的任务。在统一操作系统控制下工作，相互间可以通信。系统具有动态分配任务的能力，能自动进行任务调度和资源分配 。 其优点是： 可靠性高；一台处理器失效，对系统影响不大； 灵活性高，由于系统模块化，便于扩充、替换和更换部件； 经济性好，可以用价格便宜的微处理器。,.,并行处理方式,.,四、软件 （一）基本功能软件,1人机对话方式 2条件联系方式 3返回处理方式,.,（二）专用功能软件
15、,1动态扫描（dynamic scan）软件 2快速连续扫描（fast continue scan）软件 3定位扫描（scanogram or scout）软件 4目标扫描（object scan）软件 5平滑过滤（smoothingcuppingfiltering）软件 6三维图像重建（three dimension imaging reconstruction）。 7高分辨力CT（high resolution CT）软件 8定量骨密度测定软件 9氙气增强CT扫描软件,.,第六节 图像显示、记录和存储系统,计算机和图像重建系统提供的数字图像: 可以显示在监视器上供医生观看; 可以直接存储在
16、磁性载体上供以后需要时调用;也可以永久性地记录在胶片上。 CT上配置了图像显示、 记录和存储系统。,.,图像的存储,显示和记录,磁盘(硬盘) 光盘 磁带或软磁盘 显示器 照相机,.,一、图像显示系统,CT机用的常是高分辨率黑白电视监视器,1024*1024矩阵,16灰阶.,.,二、图像存储系统（储存介质）,.,三、图像记录系统,（一）阴极射线管型多幅相机 （二）激光型多幅照相机,.,照相机,种类 干式打印机 多幅照相机 激光打印机,.,（一）阴极射线管型多幅相机,X,Y,.,（二）激光型多幅照相机,.,激光图像形成原理图,.,激光相机图像的形成,从激光管放出的激光，调制器AOM(acoustic optical modulater)调制，随着图像数据变化。 通过AOM的激光束器调整成适合扫描的光束。 靠多面转镜的旋转，激光形成水平的扫描。 圆柱透镜校正,多棱镜反射不同角度变成水
