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1、第5章 医学CT影像设备与应用,5.1 CT影像设备简述 5.2 医学CT影像设备成像系统 5.3 螺旋CT 5.4 多排螺旋CT 5.5 CT影像设备新技术进展与应用,5.1 CT影像设备简述,5.1.1 CT影像设备发展概况 5.1.2 CT影像设备功能 5.1.3 CT影像设备主要性能指标,NHousfield,科马克,双能CT扫描仪,5.1.2 CT影像设备功能,利用高度准直X线束环绕人体某一部位,并以一定层厚的层面进行断层扫描,部分X线光子被组织器官吸收,X线强度因而衰减,未被吸收的X线光子穿透人体后,由探测器接收,将其转变为可见光后,经放大由光电转换器转变为电信号,再经模拟/数字转
2、换器转为数字信号,输入计算机进行运算处理.,1CT成像的基本原理,5.1.2 CT影像设备功能,图象形成过程: CT每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的X线吸收系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵（digital matrix），数字矩阵经过数字/模拟转换器（D/A）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，即像素（pixel），也按矩阵排列，即构成了CT图像。,1CT成像的基本原理,CT影像设备的基本结构与工作原理流程,5.1.2 CT影像设备功能,CT机主要分以下三部分：即
3、 扫描系统（X线管、探测器和扫描架）; 计算机系统（数据储存、运算等）; 图像显示和存储、照相系统。,2CT影像设备的组成与功能,5.1.2 CT影像设备功能, 扫描系统（X线管、探测器和扫描机架）:,扫描机架（gantry）内安装有X线系统、图像采集、X线过滤器、系统准直器等，其中X线球管和数据采集系统（data acquisition system，DAS）最为重要。扫描机架的孔径与倾斜范围也是两项重要的应用指标，目前多数扫描机架的孔径为70cm，倾斜角度通常为1230。,CT扫描系统的扫描机架与扫描床 扫描机架内部结构,5.1.2 CT影像设备功能, 扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:
4、,X线球管是CT影像设备的心脏部分，由阴极、阳极和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为固定阳极和旋转阳极两种。 固定阳极X线球管主要应用于单束和多束形的扫描机中，其焦点是矩形的，主要用于第1、2代CT机中； 旋转阳极X线球管主要用在扇束旋转扫描机中，故在第3、4代CT机中多采用此种X线球管；,5.1.2 CT影像设备功能,目前，CT多采用2个焦点交替工作，大大延长了X线球管的寿命，其曝光次数由原来的2万次达到2550万次以上。 2003年末Siemens公司推出所谓的零兆阳极热容量的概念，代表球管为Straton电子束控金属球管，是以0.37秒速度进行机架旋转的球管,可以实现亚毫米满负荷扫描。,
5、Straton电子束控金属球管外形,CT的数据采集系统（DAS）作用是测量X射线束，并将这些数据编码成二进制数据，送往计算机进行运算。 探测器（detector）是DAS系统中重要的部件，其主要功能有：接受透过病人检查部位的X射线；将接收到的X线转换成模拟形式的电子信号；将模拟信号放大；将模拟信号转换成数字信号（通过A/D转换器）。, 计算机系统:,CT和MRI等临床大型医疗设备均使用的是小型计算机。CT的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。主计算机控制CT整个系统的正常工作。其主要的功能有： 扫描监控，并将CT扫描得到的数据进行存储； CT值的校正； 图像的重建控制与图像后处理； CT
6、机自身故障的诊断与分析。, 计算机系统:,阵列处理器（Array Processor,AP）：本身不能独立工作，它与主计算机相连，在其控制下进行高速的数据运算以完成CT扫描的庞大数据量的处理与运算。,Philips 16排MSCT影像设备的AP柜,CPU 3.06GHz Hard Disk 146GB,图像显示与存储：,CT图像的显示：由操作台上的CRT屏显示，目前多层螺旋CT多配有高性能的工作站（workstation），也可以在工作站的显示屏上显示。 CT图像的记录系统：系统硬盘、外部存储器等构成。CT图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁光盘、软盘以及各种照相机等。,5.1.3 C
7、T影像设备主要性能指标,CT影像设备可应用于许多领域，如： 应用在工业上可以进行无损检测； 应用在农业上可以测量树木的年轮、虫蛀或含水情况； 应用在地球物理方面可以进行地球资源的勘探、地震的预测以及地质结构的确定等。 在医学上，目前的CT影像设备几乎可以应用于人体各个部位的检查，在临床疾病的诊断和治疗中发挥越来越重要的作用。,CT值：是CT图像中各种组织与X线吸收系数（值）相当的对应值，它是从人体组织器官的值换算出来的。CT值=(-w) /wa ，其中和w分别为受检物和水的吸收系数（骨皮质吸收系数为2.0，空气吸收系数为0，水的吸收系数为1.0），a为分度因数。 一般将人体组织CT值划分为20
8、00个单位（HU），最上界为骨+1000HU，最下界为空气-1000Hu，水的理想CT值为0。CT值不是绝对不变的数值，与X线管电压、CT设备、扫描层厚等因素有关。CT值有助于大致判断组织类型，从而有助于提示疾病的诊断。,1X线球管的热容量与散热率 热容量的单位MHU，X线球管的热容量越大，表示可承受的工作电流越大，连续工作的时间也越长； 散热率的单位是kHU，散热率越高，说明X线球管的性能越好。 如：TOSHIBA公司的Aquilion 16排MSCT的X线球管热容量达到7.5MHU，散热率达到1386KHU/min；而GE公司的64排LightSpeed VCT的X线球管热容量达到8.0M
9、HU,散热率超过2100KHU/min。,2探测器的数量 探测器是位于X线球管和计算机系统之间重要的数据检测部件。一般来说，探测器的数量越多，采集到的扫描数据就越多，可提高X射线的利用率，相应的缩短扫描时间和提高图像的质量。 比如GE公司LightSpeed 16排MSCT的探测器系统共有24排矩阵式探测器组合，每排有912个稀土陶瓷探测器，共有21，888个探测器。,3扫描时间、重建时间和周期时间 CT扫描时间是指X线球管以一定的层厚围绕人体旋转扫描一周（360）所需要的时间。扫描时间取决于X线球管旋转的速度与能力，以往的CT扫描时间为1s、2s、3s或更长，现在已实现了亚秒扫描。 如GE公
10、司LightSpeed Plus 16排CT的扫描时间为0.5s； Philips公司的Brilliance 16排CT最短扫描时间可达0.42s； 扫描时间的缩短可以减少病人的检查时间，提高单位时间内病人的检查量，还能减少不配合病人的运动伪影等。,3扫描时间、重建时间和周期时间 重建时间是指计算机的阵列处理器将CT扫描的原始数据重建成图像所需要的时间。目前，由于计算机功能的异常强大,CT图像的重建速度有了大幅度提升，如先进的16排MSCT能够在1秒重建出12幅512512的图像。,图像扫描与重建时间7分钟 图像扫描与重建时间7秒,3扫描时间、重建时间和周期时间 周期时间是指从CT扫描开始、图
11、像的重建、直到图像的显示这一全过程所需要的时间，一般来说，周期时间是扫描时间与重建时间的总和。 最大连续扫描时间是指螺旋CT扫描时的X线球管连续、不间断曝光时间的长短。该时间的长短不仅与X线球管的热容量和散热率因素有关，还与DAS数据采集的速度、计算机的处理能力等因素有关。目前的多层螺旋CT最大的连续扫描时间可以超过100秒。,（4）CT扫描方式 （5）计算机硬磁盘容量 （6）矩阵 矩阵（matrix）是数字图像的格式，矩阵的大小直接决定了CT图像像素的大小与分辨率，矩阵与像素大小的关系： 像素（mm）= 扫描野（FOV）mm / 矩阵。 矩阵包括重建矩阵和显示矩阵。早期CT机的矩阵较小，一般
12、为256256，320320等；目前的CT机的矩阵增加到512512，10241024；还有的CT机的重建矩阵为512512，而显示矩阵为10241024，对于显示的CT图像而言，其矩阵的大小不能小于重建矩阵。,7高对比度分辨力 高对比度分辨力（high contrast resolution）也称空间分辨力（spatial resolution）是指在CT图像中可辨认的相邻物体空间几何尺寸的最小限度，即对影像细微结构的分辨能力。 高对比度分辨力有两种表示方法，即每厘米包含多少线对数（Lp/cm）或毫米线径（mm）。以往的CT机的高对比度分辨力一般在10 Lp/cm左右，目前的最先进的多层螺旋
13、CT机分辨力可达到24 Lp/cm或更高。,8低对比度分辨力 低对比度分辨力（low contrast resolution）又称密度分辨力（density resolution）是指在低对比情况下，图像中能够区分物体密度的微小差别的能力，用百分数（%）表示。影响因素有探测器灵敏度和采集层厚等。 CT图像的密度分辨力明显高于X线图像，一般比X线图像高1020倍，这是CT机性能的标志性优点之一。 9时间分辨率 时间分辨率（temporal resolution）是指影像设备在单位时间内采集图像的帧数。该性能指标与CT机对每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。,（10）其他性能指标及
14、概念 伪影、噪声、体素与像素、重建与重组、CT值、窗口技术、部分容积效应等。 重建与重组（reconstruction and reformation）CT图像的重建与重组实际上不是同一个概念。重建是指原始CT扫描得到的数据经过计算机采用特定的算法进行处理，最后得到能用于诊断的一幅图像，这一处理方法或过程称为重建；而重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法。,（10）其他性能指标及概念 窗口技术：人体组织的CT值范围是2000个单位，人体的CT图像实际上是用2000个灰度值表示的、层次非常丰富，而人眼一般仅能分辨出16个灰度等级。若将2000个灰度等级划分为16个灰阶，则每个灰阶所能分辨的C
15、T值为200016=125HU，也就是说，当相邻的两种组织的CT值相差125HU时，人眼才能将两者区分出来。为了显示组织结构的细节和反映准确的密度差值，就必须使用窗口技术 窗位（window level）是指观察某一组织结构细节时，以该组织的CT值为中心进行观察。如脑组织的CT值大约为35HU，则窗位选择为35HU，窗宽常用100HU。 窗宽（window width）是指显示图像所包含的CT值范围，在此范围内的组织结构按密度的高低从白到黑分为16个灰度等级进行观察分析。调节窗宽主要影响对比度，窗宽大则图像层次多，组织对比少，反之亦然。,（10）其他性能指标及概念 部分容积效应：CT图像上各个
16、像素的数值代表相应单位组织全体的平均CT值，它不能如实反映该单位内各种组织本身的CT值。在CT扫描中，凡小于层厚的病变，其CT值受层厚内其它组织的影响，所测出的CT值不能代表病变的真正的CT值：如在高密度组织中较小的低密度病灶，其CT值偏高；反之，在低密度组织中的较小的高密度病灶，其CT值偏低，这种现象称为部分容积效应。 采用薄的扫描层面和高矩阵重建或显示图像，有助于减少部分容积效应的影响。,5.2 医学CT影像设备成像系统,5.2.1 数据采集系统 5.2.2 计算机和图像重建系统 5.2.3 图像显示和存储系统,医学CT影像设备的数据采集系统（data acquisition system，DAS）包括探测器、缓冲器、积分器和A/D转换器等部分。在CT扫描过程中，由探测器检测到的透过人体组织结构的不可见的X线光转换成模拟电信号，在计算机的控制下，经过缓冲、积分放大后进行模数（A/D）转换，形成原始的数字信号并送给计算机运算。 探
