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CT学习笔记(1)-CT系统及部件

基本介绍:

1、相关参数

CT值:某物质的CT值等于该物质的衰减系数与水的吸收系数之差再与水的衰减系数相比之后乘以分度因素。物质的CT值反映物质的密度,即物质的CT值越高相当于物质密度越高。

  即CT=α×(μm-μw)/μw

α为分度因数,其取值为1000时,CT值的单位为亨氏单位(Hu)。人体内不同的组织具有不同的衰减系数,因而其CT值也各不相同。按照CT值的高低分别为骨组织,软组织,脂肪,水,气体,水的CT值为0Hu左右。

空间分辨率,密度分辨率,时间分辨率:前者指影像中能够分辨的最小细节,中者指能显示的最小密度差别,后者指机体活动的最短时间间距。

层厚与层距:前者指扫描层的厚度,后者指两层中心之间的距离。

部分容积效应:由于每层具有一定的厚度,在此厚度内可能包括密度不同的组织,因此,每一像素的CT值,实际所代表的是单位体积内各种组织的CT值的平均数,故不能反映该组织的真实CT值。

窗宽与窗位:由于正常或异常的组织具有不同的CT值,范围波动在-1000+1000Hu范围内,而人类眼睛的分辨能力相对有限,因此欲显示某一组织结构的细节时,应选择适合观察该组织或病变的窗宽以及窗位,以获得最佳的显示。

FOV分扫描野(SFOV)和显示野(DFOV)两种,扫描野是X线扫描时的范围,显示野是数据重建形成的图像范围,扫描野大于显示野。

KVmAs即管电流、管电流量,决定X线的硬度和光子数量的两种参数,增大KV值可以使X线的穿透力增加,增大mAs则增加辐射量,所以面对不同年龄,不同体型的病人时,需要选择对应的检查选项。

矩阵:CT矩阵用于重建图像,有256×256512×512等几种,常用的是512×512,矩阵。

噪声:一个均匀物体被扫描。在一个确定的ROI(感兴趣区)范围内,每个像素的CT[HU]并不相同而是围绕一个平均值波动,CT值的变化就是噪音。轴向(断层)图像的CT值呈现一定的涨落。即是说CT值仅仅作为一个平均值来看,它可能有上下的偏差,此偏差即为噪音。噪音是由辐射强度来决定的。也即是由达到探测器的X-Ray量子数来决定的。强度越大,噪音越低。图像噪音依赖探测器表面之光子通量的大小。它取决于X线管的管电压,管电流,予过滤及准直器孔径等。重建算法也影响噪音。

SNR即信噪比,信号与招噪声的比值,适当减少噪声能使图像变得更佳。

2、扫描方式:

CT下肢检查分平扫(plainCTscan)、造影增强扫描(contrastenhancement,CE)和造影扫描。

  ()平扫:是指不用造影增强或造影的普通扫描。一般都是先作平扫。

  ()增强扫描:用高压注射器经静脉注入水溶性有机碘剂,如60%76%泛影葡胺60ml后再行扫描的方法。血内碘浓度增高后,器官与病变内碘的浓度可产生差别,形成密度差,可能使病变显影更为清楚。方法分主要有团注法和静滴法。

  ()造影扫描:是先作器官或结构的造影,然后再行扫描的方法。例如向脑池内注入碘曲仑810ml或注入空气46ml进行脑池造影再行扫描,称之为脑池造影CT扫描,可清楚显示脑池及其中的小肿瘤。

3CT发展

第一代CT机采取旋转/平移方式(rotate/translatemode)进行扫描和收集信息。由于采用笔形X线束和只有1~2个探测器,所采数据少,所需时间长,图像质量差。

第二代CT机扫描方式跟上一代没有变化,只是将X线束改为扇形,探测器增至30个,扩大了扫描范围,增加了采集数据,图像质量有所提高,但仍不能避免因患者生理运动所引起的伪影(Artifact)

第三代CT机的控测器激增至300~800个,并与相对的X线管只作旋转运动(rotate/rotatemode),收集更多的数据,扫描时间在5s以内,伪影大为减少,图像质量明显提高。

第四代CT机控测器增加到1000~2400个,并环状排列而固定不动,只有X线管围绕患者旋转,即旋转/固定式(rotate/stationarymode),扫描速度快,图像质量高。

第五代CT机将扫描时间缩短到50ms,解决了心脏扫描,是一个电子枪产生的电子束(electronbeam)射向一个环形钨靶,环形排列的探测器收集信息。推出的64CT,仅用0.33s即可获得病人的身体64层的图像,空间分辨率小于0.4mm,提高了图像质量,尤其是对搏动的心脏进行的成像。

一、球管

  CT需长时间对人体进行连续扫描,要提高空间分辨率,就需增加球管的照射量,这些都要X射线管的功率大,并能承受很高的热量,以及热量能较快散发,于是采用增大阳极靶盘直径和提高阳极转速等方法来提高球管功率。选择耐热性更好的铼钨合金制造阳极,另一种称为金属陶瓷管,采用金属外壳代替玻璃外壳,加大球管外壳强度,用陶瓷做电极支座,可以提高绝缘性能。

  额定功率、热容量、和旋转阳极的转速是球管的技术参数。

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 球管技术指标

  1.几何参数:X射线管的外形尺寸,靶盘直径,靶面倾角等。

  2.物理参数:X射线管的焦点大小,最大热容量和冷却速率等。

  3.电参数:X射线管的额定功率,最高管电压,最大管电流,灯丝加热电压和电流,阳极转速等。

X射线管的高压电源是产生X射线的能量来源,它一方面提供X射线管所需的高压电场,另一方面供给X射线管以灯丝加热电流。

 

X射线发生器目前广泛采用中高频逆变的技术。

 

  CT机中X射线管的电压和电流的稳定,一般采用闭环控制方法。电压和电流的误差一般可以做到小于0.05%,好一些的可达到0.01%的水平。参比电压的稳定度是决定整机稳定度的关键之一,

 

  球管灯丝加热有两种电流:

  a.预热电流(StandbyCurrent3-4A)

  b.加热电流(BoostCurrent6.5A)

  因此,只有确保灯丝每秒发射一定量的电子,才能获得高质量的X射线。故在曝光开始时,必须给灯丝进行升温.以达到所需的工作温度。灯丝加热电流用来在曝光开始时迅速升高灯丝的工作温度,当操作员按下扫描键时,灯丝电流从预热状态(3-4A)升高到加热状态(6.5A).

 

二、探测器

 

  探测器是整个CT系统中最重要的而且在技术上是最关键的组件之一。

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 1、功能CT机中探测器是一种将X射线量转换为可供记录的电信号的装置,通过测量它接受到的X射线量,然后产生与X射线量成正比的电信号。

2、探测器的特性

  探测器的最重要的特性是它们的效率、稳定性和响应性还有准确性。

  1).效率

  效率是指照射的X射线束转化成为有用信号的百分比。

  a.几何效率几何效率=探测器有效宽度/(探测器有效宽度+失效的空间)。

  b.吸收效率吸收效率是指辐射进入探测器而被吸收的百分率,这与探测器的厚度有关,并在某种程度上,与X射线光子的能量有关。

  c.总的检测效率:探测器的总效率是几何效率和吸收效率的乘积。

2).稳定性

  指从某一瞬时到另一瞬时探测器的一致性和还原可能性,

3).响应性

  响应是指探测器接收、记录和抛弃一个信号所需的时间。

4).准确性

  探测器的准确性要求探测系统必须具有如下特点:低电子噪声、线性、各探测器的均匀一致性及瞬时稳定性

 3、探测器的类型

  一种是收集电离电荷的探测器这类探测器又可分为气体探测器和固体探测器

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  另一种是收集荧光的射线探测器—闪烁探测器

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  在扫描和数据采集过程中保证系统的稳定性是非常重要的。为防止探测器偏差,扫描过程中需用参考探测器对探测器的变化进行校正。

  目前气体探测器和固体探测器在现代化的CT机中都有选用。但中、高档的CT机一般采用固体探测器。

  气体探测器的信号强度与温度的关系不大,而固体探测器与温度关糸极大。

  气体探测器中有噪声和干扰源,这些在固体探测器中是没有的。

4、探测器的布局:扇形射束

  在扇形射束装置中扇形射束的测量射束带宽度是固定的,在这种情况下要用“探测器位移1/4”的措施来补救。这种办法是将探测器系统的布局不对称于中心,而是错开一个探测器元件1/4的宽度。在测量系统旋转180。以后,测量的结果正好是原来相反方向的测量射束带,而且两者相互重叠,满足了扫描理论的要求。对同样的分辨力来讲,扇形射束方式需要的探测器数比探测器环方式要少得多。在没有将探测器位移1/4时,甚至可以再减少一半的探测器(测量系统要旋转360o),这样装置的费用就大大地降低了。

  将探测器位移1/4并保留(中央)头颅测量区所要求的探测器元件,而只减少在头颅测量区以外的、一边的探测器元件,这样可以减少25%的探测器元件和相应的电子构件部分,虽然使扇形区减少了25%,但仍不影响CT机的整体使用,因为减少的那部分测量射束并没有在全身测量区内造成伪影。

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5多排探测器

所有多排探测系统均采用陶瓷闪烁晶体探测器。几何效率高是多排探测器的一个特别重要的要求。因此,目前可达到的最高的几何效率是80%90%

  图1.3.14a显示的是GE医疗系统目前提供的技术解决方案。16排独立探测器,东芝医疗系统的Aquilion机型中提供了类似的解决方案,有34排探测器,接近于各向同性结构的矩阵阵列,在技术上有更高的要求。

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  西门子和Elscint公司共同开发,用于SOMATOMVolumeZoom和马可尼公司的MX8000。这种设计称为自适应阵列,如图1.3.14b所示,只有最里面的2排探测器有lmm宽,离中心越远宽度越宽。

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同时扫描的层数及它们的宽度可以通过前准直器和合并探测器阵列电信号的方法来定义。

两种探测器,规则排列的均匀阵列及自适应的非均匀阵列,代表着CT技术的决定性的进步在多年以后都将成为CT的主要特性。来减少或消除由于锥形束锥角的增加给图像质量带来的负面影响。

三、准直器(collimator)和滤过器

 1、准直器

准直器是一种辐射衰减物质,用以限制到达探测器组件的放射线角度分布,它的作用是空间定位。在CT机中采用了多层准直器。

准直器准直器位置在CT机中如图1.4.1、1.4.2所示。

  第一层准直器距球管的焦点非常近,这层准直器是X线球管自身所带的铅制管套;

  接下来是一个X射线管侧准直器,又叫做前准直器,达到控制扫描层厚的目的,

  最后一个准直器距焦点最远。

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  扫描的几何形状以及CT系统重要组件的前视图(x/y平面)和侧视图(a)。

  通过将测量系统偏离采样间隔的四分之一,可使采样频率提高到原来的两倍(b)。

  另一个类似的实现方法是采用飞焦点技术(c)。

2、滤过器

 CT扫描机中滤过器的作用是:吸收低能X射线(软射线),且使X射线通过滤过器后,变成能量分布均匀的硬射线束。

由于人体截面近似于圆形,扇形射束照射时,中心射线穿透厚度大,边缘穿透厚度小,信号强度相差较大,为了减小信号动态范围,增设滤过器,形状设计为楔形。

  除了X线球管中自身附带的相当于3mm铝片厚度的过滤器之外,还使用平板和异形滤过器。称为异形或弓形的滤过器不影响中心位置的辐射,但却可以在很大程度上降低外围的辐射。

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四、数据采集系统

 

数据采集系统(dataacquisitionsystemDAS)的作用是将探测器输出微弱电信号放大、积分、采样保持后经多路开关混合成若干路,经过A/D转换器把相应的人体组识的密度信息转变为数字信号送入计算机进行图像重建处理。

  X线管产生连续的X射线束。此X射线束经滤过器,准直器后穿过病人到达探测器排,探测器的输出经低通前置放大、积分、采样保持并经多路开关、A/D转换成数字信号的过程叫DAS(DataAcquisitionsystem)

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五、CT患者支架(扫描检查床)

CT扫描检查床的功能并不仅是把病人送进扫描机架孔内,还必须把被检部位正确地定位在X线束扫描平面的位置上。

a.具有高度调节功能的CT扫描装置,其高度调节的范围至少为扫描架开口直径的一半。

b.患者支架中床面水平移动范围不得小于1000mm。

c.患者支架的步进0.25mm。

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六、CT计算机

 CT糸统是由硬件和软件二大部份所组成的。CT扫描机只有同时利用计算机的硬件和软件才能正常运行。CT软件最重要的功能是将探测器采集到的投影信息进行图像重建。

  a、图像控制计算机

  扫描过程的控制和监视:

1.信息的传输和管理:扫描期间数据的通讯频繁,机械运动众多、时序关糸复杂,这些都是在控制计算机严密的程序控制和精确的实时调度下得以顺利完成的。

  2.图像的各种后处理功能、包括图像窗宽、窗位的设定和调整;

  感兴趣域CT值的计算;图像的放大和翻转区域或距离的测量;轮廓标识的决定以及多个图像的比较;图像的直方图显示;图像的三维重建等。以及文字图像叠加等功能等(有的CT机将这部份功能放社图像重建计算机中。)

  4.故障诊断及分析:

  5.信息储存和通讯传递:

b、图像重建计算机

1.数据预处理:接收来自数据采集糸统传输的原始数据,尽可能地使数据准确和完整。

2.卷积:用操作医生选定的滤波权函数进行数字上的卷积运算,此项工作旨在使重建后的CT图像边缘清晰,反映被扫描断层真实情况。

3.反投影:完成卷积运算的射束数据要进行排列、内插、位置权重计算、和反投影等多种数据处理,图像计算机必须能操纵、分析、修改些数据以提供有诊断价值重建图像。

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注:本文为“影像之家”原创,如转载请标记来源。

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