医学影像工程师社区
专注影像设备维修技术交流与分享

【CT大讲堂】一篇文章完整了解CT成像技术(完整版)

  


1.CT的发明与发展

1.1 CT的发明

CT是计算机断层摄影术(Computed Tomography,CT)的简称,是继1895年伦琴发现X线以来,医学影像学发展史上的一次革命。

CT的发明可以追溯到1917年。当时,奥地利数学家雷登(J.Radon)提出了可通过从各方向的投影,并用数学方法计算出一幅二维或三维的重建图像的理论。

1967年,由考迈克(Allan Macleod Cormack)完成了CT图像重建相关的数学问题。亨斯菲尔德(Godfrey Newbold Hounsfield)在英国EMI实验中心进行了相关的计算机和重建技术的研究,用9天时间获得数据组,2.5小时成功地重建出一幅图像。

1971年9月,第一台CT装置安装在Atkinson-Morley医院。同年10月4日在安普鲁斯(Ambrose)医师的指导下做临床实验,检查了第一个患者。档时,每一幅图像的处理时间减少到20分钟左右。后来,借助微处理器使一幅图像的处理时间减少到4.5min,CT的临床实验获得了成功。

1972年4月,在英国放射学研究院年会上亨斯菲尔德和安普鲁斯宣读了关于CT的第1篇论文,宣告了CT机的诞生。同年10月,在北美放射学会年会(RSNA)上向全世界宣布了这一在放射学史上具有划时代意义的发明。

1974年,美国George Town医学中心的工程师莱德雷(Ledley)设计出了全身CT扫描机,使CT不仅可用于颅脑,而且还可用于全身各个部位的影像学检查。

由于他们的成就,亨斯菲尔德于1972年获得了与工程学诺贝尔奖齐名的McRobert奖。1979年亨斯菲尔德和在塔夫茨大学从事CT图像重建研究工作的考迈克教授一起,获得了诺贝尔医学生理学奖。

1.2 CT的发展

自20世纪70年代初CT机问世以来,根据其发展的时序和构造性能,大致可分成五代,而发展到螺旋扫描方式的CT机,则不再以代称呼。

现将各代CT机的主要特点叙述如下:

1.2.1

第一代CT扫描机

第一代CT机为旋转-平移扫描方式属头颅专用机。X射线管是油冷固定阳极,扫描X射线束为笔形束,探测器一般是二到三个。扫描时X射线管和探测器环绕患者作旋转和同步直线平移运动,X射线管每次旋转1°,同时沿旋转反方向作直线运动扫描。下一次扫描,再旋转1°并重复前述扫描动作,直至完成180°以内的180个平行投影值。这种CT机结构的缺点是扫描时间长,一个断面需3~5分钟。

1.2.2

第二代CT扫描机

第二代CT机仍为旋转-平移扫描方式,扫描X射线束由笔形改为5°~20°的小扇形束,探测器增加到3~30个,平移扫描后的旋转角度由1°提高到扇形射线束夹角的度数,扫描的时间缩短到20~90秒。第二代CT与第一代CT机相比缩小了探测器的孔径、加大了矩阵和提高了采样的精确性,使图像质量有了明显的改善。

这种扫描方式的主要缺点是:由于探测器排列成直线,对于扇形的射线束而言,其中心和边缘部分的测量值不相等,需要作扫描后的校正,以避免伪影的出现,否则影响图像的质量。

1.2.3第三代CT扫描机

第三代CT机改变了扫描方式,为旋转/旋转方式。X射线束是30°~45°较宽的扇形束,探测器数目增加到300~800个,扫描时间进一步缩短到2~9秒或更短。这种方式的探测器或探测器阵列排列成彼此无空隙的弧形,数据的采集以X线管为焦点,随着X线管的旋转得到不同方位的投影,这种排列使扇形束的中心和边缘与探测器的距离相等,无需作距离测量差异的校正。

这种扫描方式的缺点是:扫描时需要对每一个相邻探测器的灵敏度差异进行校正。否则由于同步旋转的扫描运动会产生环形伪影。

所谓的旋转/旋转方式是X射线管作360°旋转扫描后,X线管和探测器系统仍需反向回到初始扫描位置,再作第二次扫描。近年发展的螺旋CT扫描方式,其基本结构仍归类为第三代CT扫描机。但是,它采用了滑环技术,取消了往复式的旋转,是单向的连续旋转。

1.2.4第四代CT扫描机 

第四代CT机的扫描方式只有球管的旋转。X射线束的扇形角比第三代CT扫描机更大,达50°~90°。因此,减少了X线球管的负载,使扫描速度可达1~5秒。此类的CT机具有更多的探测器,可达600~1500个,全部分布在360°的圆周上。扫描时,没有探测器运动,只有球管围绕患者作360°的旋转。第四代扫描方式与第三代CT机扫描的不同是,对于每一个探测器来说所得的投影值,相当于以该探测器为焦点,由X射线管旋转扫描一个扇形面而获得,故此种扫描方式也被称为反扇束扫描。

第四代CT机的探测器可获得多个方向的投影数据,故能较好地克服环形伪影。但随着第三代CT机探测器稳定性的提高,并在软件上采用了相应的措施后,第四代CT机探测器数量多且在扫描中不能充分发挥作用,相对于第三代CT机它已无明显的优越性。

1.2.5第五代CT扫描机 

第五代CT扫描机又称电子束CT,它的结构明显不同于前几代CT机。它由一个电子束X射线管、一组由864个固定探测器阵列和一个采样、整理、数据显示的计算机系统构成。最大的差别是X射线发射部分,它有一个电子枪、偏转线圈和处于真空中的半圆形钨靶。扫描时,电子束沿X射线管轴向加速,电磁线圈将电子束聚焦,并利用磁场使电子束瞬时偏转,分别轰击四个钨靶。扫描时间为30ms、50ms和100ms。由于探测器是排成两排216°的环形,一次扫描可得两层图像。且由于一次扫描分别轰击四个靶面,故总计一次扫描可得八个层面。

1.2.6螺旋CT扫描机 

螺旋CT机改变了以往扫描方式,是连续单向的旋转。射线束仍为大扇束。单层螺旋CT的螺旋扫描时间通常是1秒,而多层螺旋扫描的最短时间为0.37秒,一次扫描时间更短。单层螺旋CT的探测器数目与第三代CT机相比没有数量的增加和材料的改变。

但是,多层螺旋CT的探测器不仅在数量上有较大的增加,而且改用了超高速的稀土陶瓷材料,使射线的利用率大大提高,从原来的50%左右上升到99%。射线束角度没有什么大的改变,同以往的非螺旋CT扫描机。扫描层面在单层螺旋机中仍为每次一层,在多层螺旋机中一次扫描最多可达4层、8层、16层、64层甚至更多。结合层厚、扫描通道的组合运用,已可逐步满足动态器官如心脏等成像的需要。单层螺旋CT只是提高了连续扫描的能力,而多层螺旋CT不仅扫描速度快、覆盖范围大,而且几乎能作人体所有器官的CT检查。


2.CT的临床应用

2.1 CT的临床应用

·在常规的CT检查中,由于CT的密度分辨率高,它可以分辨人体组织内微小的差别,使影像诊断的范围大大扩大,以前常规X线检查无法看到的如软组织等,CT都能显示。

·在增强的CT检查中,CT除了能分辨血管的解剖结构以外,还能观察血管与病灶之间的关系,病灶部位的血供和血液动力学的一些变化。

·利用CT计算机软件提供的标尺和距离测量等,CT还可作人体多个部位的穿刺活检,其准确性也优于常规X线透视下的定位穿刺。

·CT还有助于放射治疗计划的制订和治疗效果的评价。根据病变组织的X线吸收衰减值和计算软件,能将放射线集中至病变部位并使放射线量均一,使患者得到更恰当、更合理的治疗。

·利用X线的衰减,CT还可作各种定量计算工作。如在老年骨质疏松患者中,利用X线的衰减及计算,可测量人体内某一部位的骨矿含量情况。通过对心脏冠状动脉钙化的测量,有助于临床上冠心病的诊断。

·利用CT的三维成像软件,CT还可作人体多个部位的三维图像。如颅骨和颌面部,为外科制订手术方案和选择手术途径提供直观的影像学资料,该方法尤其适合颌面部的整形外科手术。

2.2 CT的优势与局限性

2.2.1 CT成像技术的优势

CT与常规的影像学检查手段相比,主要有以下四个方面的优点。

·真正的断面图像

CT通过X线准直系统的准直,可得到无层面外组织结构干扰的横断面图像。与常规X线体层摄影比较,CT得到的横断面图像层厚准确,图像清晰,密度分辨率高,无层面以外结构的干扰。另外,CT扫描得到的横断面图像,还可通过计算机软件的处理重组,获得诊断所需的多平面(如冠状面、矢状面)的断面图像。

·密度分辨率高

CT与常规影像学检查相比,它的密度分辨率最高。其原因是:第一,CT的X射线束透过物体到达检测器经过严格的准直,散射线少;第二,CT机采用了高灵敏度的、高效率的接收器;第三,CT利用计算机软件对灰阶的控制,可根据诊断需要,随意调节适合人眼视觉的观察范围。一般,CT的密度分辨率要比常规X线检查高约20倍。

·可作定量分析

CT能够准确地测量各组织的X射线吸收衰减值,通过各种计算,可作定量分析。

·可利用计算机作各种图像处理

借助于计算机和某些图像处理软件,可作病灶的形状和结构分析。采用螺旋扫描方式,可获得高质量的三维图像和多平面的断面图像。

2.2.2 CT成像技术的局限性

CT虽然极大地改善了诊断图像的密度分辨率,但由于各种因素的影响,也有其局限性和不足。

·极限空间分辨率仍未超过常规的X线检查。目前,中挡CT机的极限空间分辨率约10LP/cm,而高挡的CT机其极限空间分辨率约14LP/cm或以上。常规X线屏/片摄影的分辨率可达7~10LP/mm,无屏单面药膜摄影,其极限空间分辨率最高可达30LP/mm以上。

·CT虽然有很广的应用范围,但并非是所有脏器都适合CT检查。如空腔性脏器胃肠道的CT扫描,还不能取代常规X线检查,更不如内窥镜。由螺旋CT扫描的CT血管造影(CTA),其图像质量仍不能超越常规的血管造影。目前,由于多层螺旋CT的出现和一些新的成像方法的应用,已使两者的差距逐渐缩小。

·CT的定位、定性诊断只能相对比较而言,其准确性受各种因素的影响。在定位方面,CT对于体内小于1cm的病灶,常常容易漏诊。在定性方面,也常受病变的部位、大小、性质、病程的长短、患者的体型和配合检查等诸多因素的影响。

·CT的图像基本上只反映了解剖学方面的情况,几乎没有脏器功能和生化方面的资料。当体内的某些病理改变其X射线吸收特性与周围正常组织接近时,或病理变化不大,不足以对整个器官产生影响,对此CT也无能为力。

·由于硬件结构上的限制,CT只能作横断面扫描,尽管机架能倾斜一定的角度,但基本上也只是倾斜的横断面,而依靠图像后处理方法产生的其它断面图像,其影像质量则有所降低。

3.CT机结构

3.1 X线发生部分

3.1.1高压发生器

CT对高压电源的稳定性要求很高,一般CT的高压系统中都采用高精度的稳压反馈措施。高压发生器有连续式和脉冲式之分,连续式主要用于第二代CT机;脉冲式主要用于第三代CT机。高频发生器于20世纪80年代起开始用于CT机,它的工作原理是将低频、低压的交流电源转换成高频、高压电源,可产生500~25 000Hz的高频,经整流和平滑后,其电压波动范围小于1%,而常规三相、十二脉冲发生器的波动范围为4%。

3.1.2 X线管

旋转阳极X射线管主要用于扇束扫描方式的第三、第四代CT机中。由于扫描时间短,管电流较大(一般为100mA~600mA)多采用油冷却方式,焦点大小1.0´1.0mm,高速旋转阳极管焦点约为0.6´0.6mm,阳极靶面材质多为钨、铼合金,转速为3600转/分或10 000转/分。

现在螺旋CT扫描机所使用的X射线管,由于要适应长时间的连续扫描,一般都采用大功率的X射线管。采用金属管套和陶瓷作为绝缘材料,全金属的靶体由钛、锆和钼组成,靶面90%是钨10%是铼。但全金属靶分量太重不适合螺旋CT扫描使用。目前螺旋CT扫描的球管采用的是钛、锆、钼和石墨组成的复合材料靶体结构。CT新型X线管开始采用液体轴承来替代过去的滚轴轴承,液体轴承的主要成分是液态的镓基金属合金。采用液体轴承后,一方面能增加球管的散热率,另一方面还能减少噪声和振动。

此外,现代X射线管为了提高热容量,还采用了所谓的“飞焦点”设计,即X射线管阴极发出的电子束,曝光时交替使用,其变换速率约1.0ms。

3.1.3冷却系统

CT的冷却系统一般有水冷却、空气冷却和水、气冷三种,各个公司在各种型号的CT机中分别采用其中的一种,并且这三种冷却系统各有优缺点。如水冷效果最好,但是装置复杂、结构庞大,需一定的安装空间和经常性地维护;气冷效果最差,其它一些方面也正好与水冷相反;而水、气冷则介于两者之间,目前新型的CT机多采用这种冷却方式。

3.1.4准直器

在CT扫描中,准直器的作用是减少患者的辐射剂量和改善CT图像的质量,其次准直器大小的调节还决定了CT扫描的层厚。CT机中的准直器有两套:一套是X射线管端的准直器或称前准直器;另一套是探测器端的准直器或后准直器。

3.1.5楔形滤过器/板

CT机中所使用的楔形滤过器具有能吸收低能量X射线,优化射线的能谱,减少患者的X射线剂量作用,并且使通过滤过后的X射线束变成能量分布均匀的硬射线束。

目前CT机的滤过器有一些不同形状,通常都置于X线球管与患者之间。


3.2 X线检测部分

3.2.1探测器

探测器的作用是接收X射线,并将其转换为可供记录的电信号。

探测器作为一种成像介质,必须要具有转换效率、响应时间、动态范围、和稳定性等特性。转换效率指探测器将X线光子俘获、吸收和转换成电信号的能力;响应时间是指两次X线照射之间探测器能够工作的间隔时间长度;动态范围是指在线性范围内接收到的最大信号与能探测到的最小信号的比值;稳定性是指探测器响应的前后一致性,如果探测器的稳定性较差,则CT机必须频繁地校准来保证信号输出的稳定。

20世纪70年代末至80年代初的CT机大都使用钨酸镉探测器,80年代至90年代初则改用闪烁晶体和高压氙气探测器。光两极管探测器的主要部件是一个半导体,它有一个P-N结点,曝光时该结点允许电流通过,其前端有一光学镜片,用来聚焦从闪烁晶体到P-N结点的入射射线。当入射射线到达结点后,产生电子空穴对,电子移动到结点的N极,空穴则相应移动到P极,产生的电流量和入射线量成正比,由于两极管的输出量很小,通常光两极管探测器中还有一个放大器,此外,光两极管的响应速度也相当快,一般约在0.5~250纳秒之间。

固体探测器优点是灵敏度较高,有较高的光子转换效率。缺点是相邻的探测器之间存在缝隙,X射线辐射的利用率相对较低;其次是晶体发光后余辉较长影响响应函数,使高低密度交界处的图像会产生拖尾伪影;最后是整个探测器阵列中的各个探测器不易做得完全一致,造成误差影响成像质量。

最新的固体探测器是采用两种新型的闪烁晶体材料耦合光两极管做成,它们分别是钨酸钙和高纯度的、稀土氧化物陶瓷。稀土氧化陶瓷实际上是掺杂了一些像钇、钆之类金属元素的超快速氧化陶瓷,其采用光学方法使这些材料和光两极管结合在一起。钨酸钙的转换效率和光子俘获能力是99%,动态范围为1 000 000:1;而氧化稀土陶瓷的吸收效率也是99%,闪烁晶体的发光率却是钨酸钙的三倍。目前最先进的多层螺旋机的探测器都采用后一类超快速稀土陶瓷材料做成。

第三代CT扫描机和部分厂家的螺旋CT扫描机曾采用了气体探测器。气体探测器多采用氙气,利用气体电离的原理,入射的X射线使气体产生电离,然后测量电流的大小测得入射X射线的强度。气体探测器通常做成一个密封的电离室,密封的气室内被加入约30个大气压,以增加气体分子的电离,电离室的上下夹面由陶瓷拼成,每个电离室两侧用薄钨片构成,中心收集电极也由钨片构成,而X射线入射面由薄铝片构成,所有的分隔相互联通。电离室内充满氙气,当入射X射线进入电离室后使氙气电离,其正电离子由中心收集电极接收,通过前置放大器放大后送入数据采集系统。电离室侧面的钨片对X射线有准直作用,可防止被检测物体产生的散射线进入电离室。研究发现,增加气室的深度可提高电离的效率,如深度为一英寸的电离室的电离效率是36%,而深度增加为二英寸,则电离效率可提高到42%。总体来说,气体探测器的稳定性好、响应时间快、无余辉产生。然而,气体探测器的光子转换效率比固体探测器要低,采用高压氙气可提高一些,又因为气体探测器电离室的间隔为很薄的钨片,其几何利用率高于固体探测器,因此气体探测器与锗酸铋、钨酸镉做成的固体探测器的总剂量效率大致上相近,约在50%~70%。另外,气体探测器的各电离室相互联通,处于同一环境条件,有较好的一致性。气体探测器的主要缺点是吸收效率较低。

3.2.2模数、数模转换器

模数转换器是CT数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)的主要组成部分。CT最初探测到的模拟信号是连续的随时间变化而不断变化,它可由电压表读取或由示波器显示,但无法被计算机识别。模数转换器的作用是将来自探测器的输出信号放大、积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理。模数转换器由一个频率发生器和比较积分器组成,后者是一组固态电路,被称为“时钟”,它的作用是把模拟信号通过比较积分后转变成数字信号。同样数模转化器是上述的逆向运算,它的“时钟”电路根据输入的数字信号转换成相应的模拟信号。

3.3机械运动部分

3.3.1扫描机架

机架是一个与检查床相垂直安装的框架,里面安装各成像部件。机架内装有成像系统组件,如滑环、X线球管、高压发生器、准直器、探测器和数据采集系统等。

机架的孔径和倾斜范围两项性能指标在应用中较为重要,孔径指机架的开口大小,多数CT机的机架孔径为70cm。机架必须能够倾斜,以适应不同患者情况和各种检查的需要,倾斜角度通常为±12° ~ ±30°。

3.3.2滑环

非螺旋CT机X线球管系统的供电及信号的传递是由电缆完成,扫描时球管随机架作往复旋转运动,电缆易缠绕并且影响扫描速度的提高。

近年来,在CT扫描机架旋转过程中去掉了电缆,代之以铜制的滑环和导电的碳刷,通过碳刷和滑环的接触导电得以使机架能作单向的连续旋转,此即滑环技术。滑环可有两种类型:盘状滑环和筒状滑环,盘状滑环的形状类似一个圆盘,其导通部分设在盘面上,而筒状滑环呈圆筒状,它的导通部分则位于圆筒的侧面。导电刷通常有两种类型,金属导电刷和混合导电刷。金属导电刷采用导电的金属和滑环接触,每一道滑环有两个金属导电刷游离端与其接触,目的是增加可靠性和导电性。混合导电刷采用导电材料银石墨合金(又称碳刷)与滑环接触,同样,有两个导电刷游离端与滑环接触。

滑环的传导方式,根据X线产生部分接受电压的高低,可分为高压滑环和低压滑环。高压滑环通过滑环传递给产生X线的电压达上万伏,而低压滑环通过滑环传递给X线发生器的电压为数百伏。

低压滑环采用只有数百伏特的交流电源,根据X线发生控制信号,借助于导电刷将电流送入滑环。在低压滑环供电方式中,电流进入滑环后,由滑环将电流送入高压发生器,再由高压发生器把高电压送给X线球管。低压滑环的X线发生器、球管和其它控制单元全部都安装在机架的旋转部件上。

在高压滑环供电方式中,交流电源直接供电给高压发生器,由高压发生器将高电压送入滑环,然后再输送给X线球管。高压滑环一般采用小型的、高频发生器,并且高压发生器不安装在旋转的机架上。高压滑环易发生高压放电导致高压噪音,影响数据采集系统并影响图像质量。低压滑环的X线发生器须装入扫描机架内,要求体积小、功率大的高频发生器。目前,CT机都采用低压滑环。

3.3.4扫描床

检查床的作用是准确地把患者送入预定或适当的位置上。根据CT检查的需要,检查床有两个方面的要求,承重和床面材质。承重是确保特殊体型患者的检查需要;床面材料必须由易被X线穿透、能承重和易清洗的碳素纤维组成。

检查床应能够上下运动,以方便患者上下,同时检查床还能够纵向移动,移动的范围应该能够作头部至大腿的CT扫描,床纵向的移动要相当平滑,精度要求也很高,绝对误差不允许超过正负0.5mm,一些高档CT机可达正负0.25mm。为适应CT检查的需要,与X线束射出同方向的位置上有定位光源,以利于准确定位。


3.4计算机部分

3.4.1主计算机

CT的计算机系统属于通用小型计算机,为适合CT机的工作要求,CT的计算机系统一般都具有运算速度快和存储量大这两个特点。

CT计算机的硬件通常包括输/入输出设备、中央处理器(CPU)、阵列处理器、接口装置、反投影处理器、储存设备和通讯硬件。当然CT的计算机还必须包括软件,并通过硬件执行指定的指令和任务。例如,软件操作程序可以通过输入设备输入指令启动扫描程序、显示图像、调节窗宽窗位、图像的测量注解、图像的放大和图像的多平面显示等。

CT计算机的作用主要是接受数据采集系统(DAS)的数字信号,并将接收到的数据处理重建成一幅横断面的图像。

现今,CT的主计算机都具有协同处理的能力。在协同处理时,两个或两个以上大致相同的处理器各自执行一个或几个处理任务,协同处理的主要目的是加快处理速度或提高计算机的处理能力。目前,CT成像的处理方式有并行处理、分布式处理和管线样处理。

3.4.2阵列处理器

在CT计算机中有一个很重要的部分被称为阵列处理器,阵列处理器一般与主计算机相连,其本身不能独立工作。

它的主要任务是在主计算机的控制下,进行图像重建等处理。图像重建时,阵列处理器接收由数据采集系统或磁盘送来的数据,进行运算后再送给主计算机,然后在监视器上显示。它与主计算机是并行工作的,阵列处理器工作时,主机可执行自己的运算,而当阵列处理器把数据运算的结果送给主机时,主机暂停自己的运算,处理阵列处理器交给的工作。


3.5图像显示及存储部分

3.5.1监视器

监视器的作用是通过键盘与计算机对话(其包括患者资料的输入、扫描过程的监控等)和扫描结果图像的显示。

监视器有黑白和彩色两种,通常显示图像都采用高分辨率的黑白显示器,文字部分的显示有时采用彩色的监视器。监视器的性能指标主要有显示分辨率,一般以点阵和线表示。另外与显示分辨率有关的是重建后图像的显示矩阵、像素大小和位深等。

3.5.2存储器

CT的图像存储设备分别由硬磁盘、磁带、软盘和光盘等组成,它们的功能是存储图像、保存操作系统及故障诊断软件。在硬件的设置上,硬盘、磁带和光盘等是分列。通常一次扫描后,由数据采集系统采集的原始数据先存储于硬盘的缓冲区,待扫描完成后,经重建处理后的图像,再存入硬盘的图像存储区,从磁带、光盘等存取图像往往也通过硬盘作中介

由于CT属于数字成像设备,为保证图像的动态范围,存储都采取数字二维像素阵列方式,每个像素点由若干与图像灰阶有关的比特组成。多数情况下,CT图像的矩阵大小是512×512,深度是8~12个比特,灰阶范围是512(28)~4096(212)。因此,一幅512×512×2字节的CT图像约需0.5MB的存储空间,如一次CT检查有50幅图像,则需要25MB的存储空间。


3.6工作站

工作站(workstation)一词最先指的是一类电子计算机,其系统规模比微型机(PC机)大,芯片一般也不是Intel公司的。一般运行UNIX操作系统而不是微软的Windows,具有大屏幕,三维图形处理功能很强。最著名的工作站品牌有Sun、HP、SGI等。现在由于微型机的硬件功能增强了,也有了许多微型机的图形图像处理软件,市场上许多医学三维图像处理的计算机系统是基于微型机的,也称作工作站,以表示功能强大。

通常的三维工作站实际上是基于微型机的,一般是高档微机配备上精心设计的软件。当今微型机的处理速度已经超过了10年前的大部分高档工作站,但这基本上只是硅片上集成度的提高所带来的。微型机一般是单机结构,有一个中央处理器(central processor unit, CPU),一个系统内存(memory),一个显示卡,它们和其它设备共同连在一个总线(bus)上。在显示卡上,有图形协处理器和显示内存。显示内存中重要的部分包括帧缓存(frame buffer)和深度缓存(z-buffer)。帧缓存用来保存光栅显示器所需的每个像素的亮度值,包括红、绿、蓝、alpha共4页,其中alpha用来存储覆盖显示所需的参数如阻光度等。深度缓存记录每个像素的深度值,专门用于三维表面显示。图形协处理器的任务就是处理显示内存中的数据和快速转移数据,这样就能够快速刷新帧缓存中的图像。当前流行的AGP结构在系统内存和显示内存之间又加了一个总线,使两个内存之间的总线瓶颈得以缓解,并可以借用系统内存来当作显示内存对待。


4.CT机的质量控制

4.1 质量保证的基本概念

4.1.1质量保证的意义

质量保证和质量控制基本的定义是:对被检查者及检查者,以最小的代价和最少的射线剂量,获得一张(幅)优良图像的一种有组织、有计划的行为。其内容包括:质量控制方法和质量管理程序。根据美国食品药物管理局(Food and Drug Administration,FDA)1979年所作的说明,质量控制是对X线成像设备系统进行监测和维护的一种方法,并与X线成像设备直接相关。而质量管理是一种管理手段,其保证了监测程序的正常进行,并对结果进行监督管理。

随着质量保证和质量控制工作的深入,美国等一些先进国家对此提出了更完善的概念和更高的要求,即持续质量改善(Continuous Quality Improvement)。持续质量改善的动机和目的是为使今后的工作始终处于一个良好的状态,质量评价的工作也是为了发现实际工作中的一些缺陷和不足。以前的一些名称和提法,如质量控制(Quality Control)、质量保证(Quality Assurance)、全面质量管理(Total Quality Management),虽然目前仍在使用,但其在方法上有着根本的差别。质量控制是指一项特定程序(例如常规放射科中乳腺摄影的重拍片和废片分析)的衡量和管理。通常,可接受性测试为以后的质量控制评定提供了基本的评价标准。质量保证是指一项程序一个完整的过程(如乳腺摄影图像质量)。在质量控制(或质量保证)和持续质量改善之间的根本区别是,当某一确定值达到时(或称作为临界点、反应点或阈值),所选的监视过程和指令行为对控制变量值的注意程度和反馈水平。

4.1.2质量保证的职责分工

质量保证工作需要有组织地开展和实施,并且还需要有一个行之有效的方法。下面我们采用框图来说明这一项工作相互之间的关系。

方框图是质控开始阶段的工作方法示意图,一般由资深的专业技术人员和工程师实行质控的预试验,并分析和记录测试结果,此过程通常需反复几次才能完成,最后确定和执行标准。在以后的经常性质控工作中,只对影像质量的记录进行分析,如超出质控的范围,则需寻找原因,提出解决的办法,或者修订质控的标准。

影像科室的主任应是质量控制工作的主要负责人,其应负责监督质控主要负责人的工作和召集质控小组研究质控中出现的问题和提出解决的办法。质控小组一般由几名资深的诊断医师、技师和工程师组成,其分别管理各自专业范围内的质量控制工作,并一同作日常的质控监测和分析工作。对一些具体的工作应分别落实到责任者,如设备的日常维护由专职的工程师负责,暗室的冲洗胶片工作则由专职的技术人员负责等。质控小组成员负责监测,协助科主任把好质量关。

4.2质量控制测试的基本方法

4.2.1水模平均CT值测试

·测试工具:直径20cm的水模,一般CT机都随机带有水模。

·测试方法:采用非螺旋扫描方法扫描水模,重建图像。根据重建后的图像,在水模的中心部位设置一个兴趣区,大小为2~3cm2约包含200~300个像素,然后测量平均CT值。空气的CT值可从图像全黑处获得,或作空气扫描后直接测量。

·正常参考值:水的平均CT值应该接近于0HU。空气的CT值应该?

–1000HU。

·正常值范围:水的平均CT值正常波动范围不应超过±3HU,空气的平均CT值不应超过±5HU。

·测试频度:每天一次。

4.2.2水模CT值标准偏差测试

·测试工具:直径20cm的水模。

·测试方法:同水模平均CT值测试方法。采用非螺旋扫描方法扫描水模,重建图像。根据重建后的图像,在水模的中心部位设置一个兴趣区,大小为2~3cm2,并将兴趣区置于水模中心区域。使用这种方法测试CT值标准差,需利用CT机上的测量软件功能,兴趣区测量应附有CT值标准偏差的显示。每次测量须保证测试条件和测试位置均相同。

·正常参考值:水模测试正常CT值标准偏差范围应在2~7 HU之间,实际的CT值是根据兴趣区处的剂量和并与重建算法有关。另外,CT值的标准偏差则与兴趣区所处的位置有关,如兴趣区位于水模的边缘处,标准偏差可能会稍低。

·正常值范围:从理论上说,标准偏差应越小越好,但最后的取舍还需根据以前的测试和CT机的工作情况。如果标准偏差变大,则意味着图像的噪声增加。其原因可能是扫描剂量不够,或是由于成像系统中探测器、放大电路和模数转换器的原因。

·测试频度:每天一次。

4.2.3高对比度分辨率的测试

·测试工具:高对比度分辨率体模,对比分辨率要求等于大于10%,也可采用分辨率测试线对板。该测试体模由有机玻璃制成,每排有五个大小直径相等的孔,直径依次缩小排列,孔内含水的体模对比度大约是20%,孔内含空气的对比度大约是100%。

·测试方法:选用适当参数扫描分辨率体模,观察体模图像中能分辨的最小孔径。标准要求是所有五个孔都能清晰显示,五个孔未全部显示则不能计算在内。

·正常参考值:采用头颅标准扫描模式时,高对比度分辨率约在1mm以内;采用高分辨率扫描模式时,其分辨率可达0.25mm。

·正常值范围:应该根据不同的CT机的情况,设定分辨率的正常值范围。方法是在该CT机最佳工作状态时作高对比分辨率测试,所测得的最高分辨率数值即为该机的正常值。另外,厂家所标称的分辨率参考值,也可作为测量的正常值范围。分辨率衰退往往是由于球管使用日久焦点变大,机架内的机械结构磨损、颤动,探测器老化等。

·测试频度:每月一次。

4.2.4低对比度分辨率的测试

·测试工具:低对比度分辨率体模,上面分别钻有直径2~8mm不等的小孔,孔内注满水或其它液体(酒精或糖水),使CT值的差保持在0.5%。另一种方法是将塑料薄模(或胶片)中间钻孔置于水模中,利用部分容积效应测试低对比度分辨率。扫描时,X射线大部分通过水,小部分由塑料薄模吸收,形成模糊的、低对比度图像。在质控测试中,上述两种方法都很难定量,通常的做法是在正常情况下所测得的结果,作为以后质控测试比较用。

·测试方法:根据结果所得的CT图像,寻找能看到的最小孔径,必须一整排孔看到才能作数。能看到的孔径越小,CT机的密度分辨率越高。一般而言,扫描剂量越高,噪声越小;反之则噪声越大。剂量增加,密度分辨率也随之增加。

·正常参考值:一般低对比度分辨率约在5%,也就是说应能分辨直径为4~5mm的小孔,随着设备使用年限的增加,密度分辨率会有所降低。

·正常值范围:密度分辨率的高低与扫描剂量等其它因素密切相关。如使用薄模水模,密度分辨率则与薄模的厚度和扫描的层厚有关。增加扫描剂量,也会使密度分辨率增加。另外,改变扫描算法,也会影响密度分辨率。一般密度分辨率的测试,常以头颅扫描条件为准,以后每次测试都以此参照不再变化。

·测试频度:每月一次。

4.2.5距离测量标尺的精确性

·测试工具:距离测量体模。体模由塑料制成内有等距的、已知数值的标尺。

·测试方法:将体模扫描后在监视器上用CT距离标尺测量外周测量点的距离,通常是测量上下、左右四个点。

·正常参考值:标尺所显示的数值,应和体模上的实际尺寸相符。

·正常值范围:一般误差范围在1mm以内。若误差大于2mm,应采取措施纠正。

·测试频度:重建算法可影响距离标尺的准确性,如出现误差,应由维修工程师修正。测试频度一般为每年一次。

4.2.6视频监视器图像测试

·测试工具:测试体模同距离测量体模,内有规则排列、等距的小孔,排列形状成十字线。

·测试方法:将体模扫描后在监视器上用透明塑料尺测量测试图像上下、左右的孔距。

·正常参考值:监视器上任何位置孔的大小和距离应与体模相同。

·正常值范围:监视器上测得的实际距离可允许有些误差,但上下、左右的测量结果应相等,其误差范围不应大于1%,也就是说,体模直径如为170mm,那么实际的误差不能超过1.7mm。如上部三个孔距实际测得为30mm,而下部三个孔距为25mm,即可视为监视器显示图像有变形。监视器四周的图像显示要求应略放低,因为通常监视器四周的图像质量都不及中心部分。

·测试频度:监视器图像的畸变大都是由于电压波动或非线性所造成,应请维修工程师调整。质控测试的频度为每月一次。

4.2.7 CT值的均匀性

·测试工具:直径20cm水模。

·测试方法:将水模扫描后,用CT机上的兴趣区测量水模图像的上下、左右部位,兴趣区大小2~3cm2。

·正常参考值:正常情况下,四个部位所测得水的CT值都应为零。

·正常值范围:所有部位测得的CT值平均差值不应大于5HU,大于5HU说明CT图像的平滑度降低。如果水模CT值中心高四周低,称为“帽状”现象;相反如四周高中心低,则称为“杯状”现象。

·测试频度:测试频度为每年一次。

4.2.8检查床定位精确性测试

·测试工具:定位装置测试体模。该装置在塑料体模上钻有两个互相垂直的小孔道与成像平面成45º,并交错通过体模中心。

·测试方法:首先确定层厚对体模中心孔道交叉点进行扫描,重建后的图像上应能看到两个小孔道。如果定位装置精确,两个孔道应并排排列。该测试方法也可定量,即测试图像显示两条孔道错位,可将该图像照相后用尺测量错位的距离,两孔道错位的距离等于射线束中心与定位装置中心的偏离距离。

·正常参考值:正常情况下,两个孔道应整齐排列。

·正常值范围:两个孔道排列偏差大于3mm,应由维修人员调整。

·测试频度:测试频度每月一次。检查床定位误差多见于检查床定标误差,偶尔也可由软件因素引起。

4.2.9床移动指数的测试

·测试工具:10×12英寸X线胶片一张。

·测试方法:将装有胶片的暗合直放于检查床上,其尺寸较长的一端与检查床平行。CT扫描程序设定为10次,层距为10mm,层厚选择小于5mm。为模拟实际扫描的情况,另给检查床加负载不小于50kg。扫描结束后,将胶片送入暗室冲洗,其结果照片应为整齐排列的条带状。然后,用一把尺在每两条曝光带之间测量。

·正常参考值:每两条曝光带之间的距离应该等于测试所选的层距,即10mm。

·正常值范围:10次扫描结果应该有10条曝光带,并且从第一条曝光带中心到最后一条曝光带中心的距离应该是90mm。如果总长度的误差大于1mm,应视为床移动指数有误差。

·测试频度:该项测试一般每年进行一次。床移动的滚动部件配备太多,或床位指示标志有误。

4.2.10床移动后冲复零

·测试工具:有色胶带、尺。

·测试方法:将检查床移动到常规检查位置并复零,模拟实际扫描的情况,给检查床加负载不小于50kg。在床面和床基座之间各黏贴有色胶带一条并对齐。然后将床以10mm的层距进机架移动至200mm并回到起始点零位,再反方移动向检查床重复上述操作。正常情况下,每次进出检查床均应回复到零位,然后将床进出至300mm测试一次。

·正常参考值:正反方向测试结果检查床均应回复到零位。

·正常值范围:检查床的复零误差不能大于1mm。

·测试频度:一般每年进行一次。床运动的传动部件问题均可使复零产生误差。

4.2.11定位线指示灯的精确性

·测试工具:10×12英寸X线胶片一张。

·测试方法:纸包片放置于检查床上,并将检查床升高至常规检查位置,约相当于机架孔中点,进床后打开定位指示灯,在指示灯相当于扫描线的位置处,用大头针在胶片的两侧边缘处戳两个小孔,然后用最小的层厚扫描并送入暗室冲洗。

·正常参考值:正常情况下,照片上的扫描线应该与针眼的位置一致。

·正常值范围:正常误差范围不应大于2mm。

·测试频度:一般每年进行一次。产生误差的原因有两个,一是定位线指示灯的原因,第二是球管的原因。

4.2.12层厚的测试(非螺旋扫描)

·测试工具:嵌有金属丝或钻有小孔并与射线成45o的塑料体模。不要简单的直接用胶片扫描。

·测试方法:选择层厚,通常测试最小、中等和最大三种层厚已足够。扫描后在显示屏上测量金属丝或小孔的距离,一般显示的孔距应该等于所用层厚的大小。

·正常参考值:屏幕上测得的层厚应该等于标称层厚。

·正常值范围。如用7mm标称层厚扫描,误差范围应在2mm以内;如选择1mm或2mm,误差可达标称层厚的一倍。一般,层厚的误差都要超出标称层厚的宽度。

·测试频度:一般每年进行一次。层厚的误差主要是由于准直器的原因。

4.2.13扫描野范围内的CT值误差

·测试工具:直径20cm的水模。

·测试方法:每次测试同样的条件需扫描五次,即将水模置于扫描野中心、上下和左右各扫描一次。CT值测量的兴趣区大小为2~3cm2,每幅图像测量水模中心而不是图像中心的CT值。

·正常参考值:各个位置水模扫描和测量的CT值均应为零。

·正常值范围:CT机扫描野中心处的CT值平均误差应小于5HU。

·测试频度:测试频度每年一次。CT机的性能衰退可引起CT值的误差增大。

4.2.14与患者体厚有关的CT值误差

·测试工具:不同直径的水模一套。直径30cm体部体模,20cm头颅体模,15cm小儿头颅体模和8cm四肢体模。

·测试方法:对应于不同部位的扫描条件,扫描四种不同的体模,扫描野大小应正好包括水模的大小。扫描完成后测量水模中心部位的平均CT值,兴趣区大小为2~3cm2。

·正常参考值:各水模中心部位测量的CT值均应为零。

·正常值范围:根据体模的大小,所有水模测量平均CT值的误差应小于20HU。

·测试频度:测试频度为每年一次。CT值误差增大,表示CT成像射线量补偿和探测器的灵敏度有飘移。

4.2.15与图像重建算法有关的CT值误差

·测试工具:直径20cm的水模。

·测试方法:将水模扫描后保留原始数据,用各种不同的重建算法重建水模图像,如扫描无原始数据,则需用不同的扫描重建算法作相应的数次扫描。

·正常参考值:不管如何改变重建算法,水模的平均CT值均应为零。

·正常值范围:不同重建算法之间的平均CT值差不应大于3HU。

·测试频度:测试频度为每年一次。误差的原因主要为图像重建算法定标误差。

4.2.16与扫描层厚有关的CT值误差

·测试工具:直径20cm的水模。

·测试方法:扫描条件相同改变扫描层厚对水模进行扫描,扫描重建后的图像在水模的中心处,取兴趣区大小2~3cm2测量水的平均CT值。

·正常参考值:不管如何改变扫描层厚,水模的平均CT值均应为零。

·正常值范围:不同扫描层厚之间的平均CT值差不应大于3HU。

·测试频度:测试频度为每年一次。探测器阵列的灵敏度或图像重建算法定标有误,尤其是CT成像射线量补偿部分可能有偏差。

4.2.17噪声水平的测试

·测试工具:直径20cm的水模。

·测试方法:其它扫描参数不变,分别改变mAs和扫描层厚,对水模作数次扫描,mAs的增加应该从低到高。扫描重建后的图像,分别在水模的中心处作平均CT值的测量,兴趣区大小为2~3cm2。

·正常参考值:在匀质物体中,CT值的标准偏差与噪声水平成正比。通常其它扫描参数不变,当mAs和层厚增加,CT值的标准偏差增大。随着mAs的增加,CT值的标准偏差减小,直至全部受扫描成像系统的电子噪声的影响。

·正常值范围:一般在新CT安装后应作噪声水平测试,并留存噪声变化曲线,随着设备使用年限的增加,噪声曲线应无显著变化。

·测试频度:测试频度为每年一次。引起噪声水平变化的原因很多,如扫描条件的改变,探测器的灵敏度改变,探测器阵列放大电路的原因等。

4.2.18散射线剂量和防护测试

·测试工具:直径20cm的水模和射线曝光计量仪。

·测试方法:将水模置于扫描位置,同时将射线曝光计量仪放置于散射线测量点,穿上铅围裙,另一人按下扫描按钮开始扫描,测得的辐射剂量乘以扫描总次数,即为某一部位的辐射剂量。其余测试点按同样方法进行。

·正常参考值:辐射剂量根据测试点离扫描机架的远近不尽相同,通常越靠近扫描机架和患者散射线剂量越大。

·正常值范围:散射线剂量越小越好。

·测试频度:测试频度为每年一次。如辐射剂量大于25mR/一次扫描,应确认准直器及球管管套有无问题。

4.2.19kVp的波形测试

·测试工具:kVp波形测试表,通过该表与示波器连接。

·测试方法:选择常用的kVp值扫描,用kVp测试表和示波器连接,观察示波器的波形变化。

·正常参考值:测试的结果应与设定值一致,在连续的扫描过程中,电压的波形应无明显的异样。

·正常值范围:正常kVp的波动范围应小于2kVp。

·测试频度:测试频度为每年一次。定标误差有可能使kVp输出有波动。

( 20 )
分享到:更多 ()

评论 抢沙发

评论前必须登录!