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1、X线计算机断层成像技术一、CT的诞生1914年，俄国学者K.Maenep氏，依照运动产生模糊的理论，首先提出体层摄影 的理论，即用一种特殊装置，使想观察的人体某层组织影像较清楚地显示，而该 层组织以外的则模糊不清，以获取较大的空间分辨力。1930年意大利的Vallebona氏开始将体层摄影的有关理论和它的使用方法应用 于临床并取得了很好的临床效果。随着机械工业的发展，1947年Vallebona率先获取了以人体为模型的横断面影 像，这种技术后来又发展成回转人体横断面体层技术。1961年美国神经内科医生Ooldendor提出了电子计算机X线体层技术的理论， 1968年英国工程师Hounsfild
2、氏与神经放射学家Ambrose氏共同协作设计，于 1972由英国EMI公司成功制造了用于头部扫描的电子计算机x线体层装置并在 英国放射学会学术会议上公诸于世，称EMI扫描仪。这种影像学检查技术与传统 X线摄影相比，图像无重叠、密度分辨力高、解剖关系清楚，病变检出率和诊断 的准确率均较高而又安全、迅速、简便、无创性，是医学影像学的一项重大革新， 促进了医学影像诊断学的发展。1974年在蒙特利尔(Montreal)召开的第一次国际专题讨论会上正式将这种检查 方法称作电子计算机体层摄影(computer tomography,简称CT)。二、CT的发展CT的应用还不到30年，但发展迅速。从只能扫描头
3、部的第一二代平移/旋转扫 描方式的CT机，至1974年旋转扫描方式的体部CT机；以及1989年在旋转扫描 的基础上采用了滑环技术的螺旋CT;后来的电子束CT或称超速CT相继问世。CT 机性能在不断提高，检查领域不断拓宽.CT发展前景广阔，并将沿着影像医学 所追求的目标提高显示病变的敏感性、特异性和推确性，微创或无创，操作 简便和降低检查费用等方面不断改进、完善和发展。第二节CT的组成与功能CT由扫描部分、计算机部分、操作台、显示与记录系统等组成。一、扫描系统扫描系统包括：扫描机架、扫描床、扫描控制电路等。图6-1是扫描机架外形图，图6-2是扫描机架内部结构。X线系统、图像采集、 X线过滤器、系
4、统准直器均装在机架内。机架可根据检查需要进行200或土 l 30。 的倾斜。不同机型，该角度可不同。2X系统包括X线管、水冷系统、高压发生系统。1）X线管：是产生X线的器件，由阴、阳极和真空玻璃管（或金属管）组成。 与普通的X线管一样，分固定阳极和旋转阳极两种。安装固定阳极管，其长轴与 探测器平行，安装旋转阳极管其长轴与探测器垂直。n固定阳极管主要用于一二代CT机，扫描时间长、产热多，采用油冷或水冷强制冷却。n第三第四代CT机多采用旋转阳极管，因扫描时间短，要求管电流较大，一般为100mA-600mA，采用油冷方式。旋转阳极管焦点小，要求热 容量大，可达3-6M个热单位，这种X线管一般寿命很长
5、，可达2万次扫描以上。2）冷却系统：一般扫描架内有两个冷却电路：即X线管冷却电路和电子线路 的冷却电路。无论旋转阳极管还是固定阳极管，在扫描过程中均会产生大量的热。 一方面会影响电子的发射，更为严重的是靶面龟裂，影响到X线质量，所以冷却 是必须的。X线管用绝缘油与空气进行热交换，扫描机架静止部分则用风冷或 水冷进行热交换。扫描机架与外界是隔绝的，所以只有热交换器控制温度。球管 和机架内都有热传感器把信号传给主计算机，当温度过高时，则会产生中断信号， 机器停止工作，直到温度降到正常范围才可以重新工作。另外，主计算机根据扫 描参数的设定预算热量值，当预算值超过正常范围时，计算机会在屏幕上给出提 示
6、，操作者可通过修改扫描方案，如缩短扫描范围，降低毫安、干伏，螺旋CT 则还可用增大螺距的方法等，直到计算机认可。扫描机架内部温度的升高会影响 到电子电路的热稳定性，因此也必须控制温度，一般在1827度为宜。3）高压系统：包括高压发生器和稳压装置。高压发生器产生X线的形式主要 为连续X线发生器和脉冲X线发生器，CT机对高压的稳定性要求很高，电压波 动会影响X线能量，而X线能量与物质的衰减系数口（或称吸收值）密切相关， CT图像是计算机求解吸收值而重建出来的，显然电压的波动会影响到图像质量。 一般说来，CT值的精度要求在0.5%以下。这就要求高压发生器的高压稳定度必 须在干分之一以下，纹波因素为万
7、分之五。因此，任何高压系统必须采用高精度 的反馈稳压措施。现在新机型多采用高频逆变高压技术，这种方法，电压一致性 好，稳定，纹波干扰小，图像分辨力更高。二） 数据采集系统 数据采集系统（dataacquisition system, DAS）包括探测器、缓冲器、积分器和 A/D转换器等组成。由探测器检测到的模拟信号，在计算机控制下，经缓冲、 积分放大后进行模数（A/D）转换，变为原始的数字信号。DAS采集数据的时间 和控制信导由扫描控制系统SCU产生,并且通过接口提供到DAS。数据窗开关（DWS） 在三种扫描方式（即TOM、TOP、Offset）中任何一种方式下打开数据窗，采集完 数据后再关闭
8、数据窗。数据窗工作时间即数据采集时间。1、探测器（de tect or）,是一种能量转换装置。一般CT常用的探测器为两种基本 类型，一种是收集电离电荷的探测器，有气体和固体探测器两种。气体探测器主 要有电离室，正比计数器、盖革计数器等。固体探测器主要是半导体探测，另一 种是闪烁晶体探测器。无论哪种探测器必须具备以下条件：2电源：电源适应性强，不同电压均能正常使用，有良好均匀性。2社会范围：动态范围宽。强弱信号都能检测.灵敏度高。2余辉时间：余辉时间短，竭止性能好。2稳定性：成分稳定，受理化因素影响小、寿命长。2体积：体积小、空间配置容易。气体探测器技术应用的是气体电离室，它是在一个公共压力下的
9、探测器管套内， 排列着数百个至数千个单独通道所组成的，每一个通道为一个最小单元。电离室 的两个电子阴极被连到高压电源，另一个阳极连接到电流/电压转换电路（图 63）。当x线进入探测器，极板间氙气被电离，形成带电离子，在电场作用下， 带电离子沿着场线形移动形成电流。该电流在外电路电阻中就会产生一个电压信 号，输送到检测电路。目前，CT机上所用的气体探侧器多采用化学性能稳定的惰性气体氙气（Xenon, 符号Xe）或氪气（Krypton，符号K r）等。气体探测器稳定性好，几何利用率高, 但光子转换率低，因此通常使用高压气体（1015个大气压），提高气体分子密 度，增加电离几率，增强灵敏度。对气体探
10、测器的要求是：探测器密封性能好 有足够的机械强度、极板精度高、各通道气体压力相等、容积相等。闪烁晶体探测器是利用某些晶体受射线照射后发光的特性制成的，组成部分是闪 烁晶体，光导及光电倍增管等，结构简图如图6-5。当X线照射晶体后，原子接 受X线光量子的能量，产生激发或电离，处于激发状态的原子返回到基态时，释 放能量，这种能量以荧光光子的形态出现（荧光现象）。这种荧光经光导传给光电 倍增管的光电阴极上，其上的光电敏感物质发出光电子，光电子经聚焦投射到光 电倍增管的联极，经联极的光电倍增作用，光电子数大增，然后打在阳极上，并 在输出电阻上形成一个电压脉冲(该脉冲幅度与被探测器单元探测到的放射强度
11、成正比)，再经前置放大后，反馈到检测电路。常用的闪烁晶体有碘化钠(Nal)、碘化铂(CsI)、锗酸铋(BGO)等。BG0具有残光 少，转换效率高，易加工不易潮解，不易老化，性能稳定等优点，因而被很多种 CT机所米用。2、 A/D转换器，从探测器所获得的信号是一个脉动的模拟信号，经缓冲处理 后送至对数一一双坡积分板，进行积分放大，然后经A/D转换器转变为数字信 号后才能被计算机识别处理，因此，A/D转换器在DAS系统中起着重要作用，常 用的A/D转换器有两种，逐次逼近式和双积分式。(三) 滤过器具有一定能量的电子接近靶原子核附近时，在核电场力作用下会改变运动的速度 和方向，电子会因能量的减小而离
12、开碰撞点，在此过程中，该电子能量的损失变 为连续的放射。由于每个电子的能量并不一定相等，碰撞方式也不相同，(有的 是发生一次碰撞，有的多次碰撞。)因此转变为光子的能量也不相等，所以X线 是不同波长形成连续光谱。而CT扫描必须要求X线束为能量均匀的硬射线，所 以从球管发出X线必须进行过滤。滤过器的功能：第一，吸收软射线；第二，使 射线束变为能量分布均匀的硬射线。(四) 准直器在X线管保护套里有阳极靶面，X线束仅从窗口射出，CT扫描仅 需要非常小的扇形放射源，它必须能够调节Z轴方向厚度，以得到不同的扫描层 厚，并抑制散射线，减少患者辐射，提高图像质量。如图6-9，CT机一般有两套 准直器，一套在X
13、线球管侧称前准盲器，控制放射源；另一套在探测器一侧，称 后准直器。在扫描控制电路(SCU)控制下，根据主计算机指令，前准直器在Z轴 方向可有1、2、5、8mm的层面宽度和10mm的标准宽度，其他层面厚度为3、6、 7、9mm，也应能够被选择。前准直器在X轴方向的长度(d)决定射线束的扇形角 度(a)，如图6-10。不同代的CT机及不同机型的a或d会有差异。后准直器主要起到减少散 射线，减少读数误差，与前准直器配合，完成切层厚度的作用SCU控制准直器 的要求是：前、后准直器在Z轴方向绝对平行；扇形束必须覆盖探测器排列在X 方向的满范围；放射源焦点到每一个探测器距离相等。因为在三代CT以后，焦 点
14、尺寸很小，经滤过器和前被直器的调整，X线束具有很好方向性。探测器窗口 很小，中心射线以外的散射线很难到达探头，并且，因扫描速度加快，前后准直 器的协调也难以同步，影响到接收质量，所以不加后准直器。二、检查床 检查床，它可由扫描机架和操作台上相应按钮作上下升降和进退等动作，部分CT扫描可沿人体横轴力方向左右摆动，以便在扫描过程中将要扫描的器官置于 同一层面内扫描。在扫描过程中则由主计算机和SCU控制。检查床在扫描过程中要求有很高的精度，绝对误差不允许超过0. 5mm。特别是 对1 mm的薄层扫描，检查床进给精度要求更高。另外，检查床的进退还应有准确 的重复性，如扫描过程中有时要对兴趣区反复扫描，
15、每次扫描，检查床必须能准 确地到达同一层面。这就要求检查床不仅要有一定机械精度，控制信号也必须准 确无误。在连续旋转式CT机（或螺旋CT机）中，床面还必须在扫描控制系统的控 制下作恒速运动，其速度的准确性和稳定性直接影响图像质量。三、扫描控制系统扫描控制系统（scan control unit，简称SCU）设置在扫描机架内。扫描控制系 统自身的中央处理器（CPU）,连接在数据总线和控制总线上，接受来自主计算机 的各种操作指令和向主计算机输送数据。I/O接口一般采用串行方式，通过接口， 使主计算机与各功能组之间进行信息分配，实现双向通讯。CT机的扫描过程都 是在主计算机控制下，由扫描控制系统来完
16、成的。主计算机的扫描程序软件与扫 描控制系统的监控程序、测试单元和初始化始终保持着双向通讯。扫描控制系统 控制的硬件主要有调整单元、脉冲控制、旋转控制和遮光板控制等。像扫描旋转 停止、复位电路、控制检查床升降移动及扫描架倾斜；扫描旋转运动，控制检查 床的水平进退运动和X线的发生；扫描的开始和中断等都由调整单元控制。机架 里面设有各种检测探头，如旋转速度检测、机架倾角、床面位置等，将检测讯号 通过数据总线传给主计算机，主计算机通过控制总线给扫描控制系统发出指令。 扫描控制系统对妇描旋转的控制通过角度脉冲的角度来实现，每度有8个角度脉 冲，旋转一周（360度）则产生2，880个角度脉冲。旋转速度器接收来自光栅的 角度脉冲，以进行速度的测量和位置探测。旋转速度从开始到结束在测量范围内 必须是非常精确的恒定位。CT旋转部分需要的主要条件是：测量范围内的恒定 速度、旋转系统的位置信息
