第2章CT机的应用基础.docx
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第2章CT机的应用基础
第二章CT机的应用基础
1847年，英国数学家、逻辑学家布尔（Boole）采用代数方法研究逻辑问题，首创了逻辑代数。
1938年，香农（Shannon）把布尔的理论系统地应用到开关网络，从而促使了数字技术领域以及相关的应用取得了惊人的进展。
从20世纪初的四十年代到五十年代，计算机和计算机技术从开创到应用得到了迅速的发展。
1946年，世界上第一台计算机开始设计并研制成功，而当时这台重达30吨的庞然大物仅能作每秒5000次的运算，专为美国奥伯丁武器试验场计算弹道所用。
其后的三十年，计算机的的发展迅速从第一代到了第五代。
60年代初，人们开始尝试用计算机作数字图像处理。
当时美国国家航天局打算实行月球登陆和卫星开发计划，他们用电视摄象机拍摄月球表面，并将照片（模拟图像）发回地球，为了想更多地了解月球表面的情况，他们将这些模拟图像转换成数字图像并用计算机进行处理，结果获得了理想的应用效果。
由于美国国家航天局的开创性应用成功，数字图像处理技术迅速发展并应用到诸如天文学、地理学、林业学、制图学、军事和医学等领域。
当然，所有的这一切都离不开计算机和计算机技术的发展。
目前，计算机图像处理技术在医学上已广为应用，医院中随处可见数字图像的影子，尤其在影像诊断部门，如常规放射的数字摄影、CT、MRI、核医学和超声等。
一、计算机和数字成像基础
今天，计算机已深入到人们生活的方方面面。
CT是计算机数字成像成功应用于医学的一个典型例子，而其中的计算机正是CT机的重要组成部分。
以下，我们将以普通的计算机为例，来了解计算机的数字成像，以及CT的数字成像方法和原理。
1.计算机的组成和功能
现代的计算机，它不仅能以数据的形式接受信息，通过输入设备接受指令，还能利用储存在机器内的程序用数学和逻辑的方法处理信息，处理结果可以直接显示、存储，或传送到别处。
一台计算机通常必须由硬件和软件两部分构成。
硬件是指实际上能感觉到它存在的东西，如显示器、键盘。
一般而言，计算机的硬件组成至少须有五个部分，即输入设备、中央处理器、内存、输出设备和外部存储设备。
输入设备常见的有键盘、鼠标等。
中央处理器（CPU）是计算机的心脏，它包括控制单元和算法逻辑单元，由它指挥机器的运行和执行运算或比较数据。
内存或称主存，它的作用是保存软件的指令和永久性的数据，目的是当机器断电后这些数据不会丢失。
输出设备包括显示器、打印机等。
外部存储设备常见的有硬盘、软盘和光盘等，输出的信息在显示器上显示或存入软盘被称为软拷贝，在打印机上打印则被称为硬拷贝。
软件是根据某种计算机程序语言编写的程序，通常须通过硬件来执行。
软件通常可分为三类：
系统软件、应用软件和和开发工具软件。
系统软件是指启动计算机和支持计算机硬件及应用软件的这一类软件，常见的有DOS、WINDOWS等。
应用软件是指由计算机程序员开发的、专门用于解决某一类应用问题的软件，常见的有WORD、EXCEL、PHOTOSHOP等。
开发工具软件是指用来编写程序的软件，常见的有BASIC、FORTRAN、COBOL、LISP等。
2.计算机的分类
计算机根据其处理、储存能力、大小尺寸和价格可分成四个大类：
超大型计算机、大型计算机、小型计算机和微型计算机。
超大型计算机（supercomputers）这类计算机能以极高的速度处理数据。
它们常用于石油开发研究、天气预报、科学领域尤其是航天仪器方面的开发研究。
目前我们所知的CRAY2即是运算速度最快的计算机之一。
大型计算机（mainframecomputers）该类计算机属于大容量计算机，有很大的内存，能以相当高的速度处理和运行数据，支持多终端并允许多用户接近主机内存。
一些机构如银行、大学、大公司和政府部门常使用这类计算机。
目前，IMB公司、CDC（ControlDataCorporation）公司、Amdahl公司、Honeywell公司和Unisys公司都生产该类大型计算机，代表性产品是IMB公司生产的IBM3090/600E。
小型计算机（minicomputers）微软公司1991年对此下的定义是：
操作者通过终端设备能进行高水平的输入输出并能有效地处理复杂计算的这一类中等水平的计算机。
小型机常常能和其它小型机联网，并能在联网的计算机之间分担处理任务。
CT和MRI一般都使用小型计算机。
以后的章节将详细讨论小型机在CT上的应用。
微型计算机（microcomputers）微型计算机通常指个人计算机。
微型计算机或称微电脑，它的尺寸大小不一，笔记本电脑也归属于此类。
由于近二十年来计算机技术的迅猛发展，微型计算机的处理数据能力已相当于某些大型计算机，而价格只有大型机的一个零头。
目前，某些CT机的计算机部分也采用了微型机。
3.计算机数字运算基础
计算机运算的基础最早起源于我国的珠算盘计算。
在我国唐代中期，有很多商业算术书提倡用珠算盘计算，珠算术从此得以在全国范围内广泛传播，特别是由于算盘制作简便、操作灵活，深受广大人民喜爱，至今仍作为数字计算的工具被人们使用。
到17世纪，世界上出现了早期的机械装置的计算工具，当时由于机械加工技术还达不到要求的精度，机械装置的计算工具未能推广应用和发展，一直到1885年，美国的巴劳斯才研制成功第一台可销售的加法机械装置。
计算机的运算是采用了二进制的算法系统，二进制的来源于是十进制算法系统。
十进制是以十为计算单位，由此可进算到百、千、万、十万、百万等。
而二进制是以2为单位，其中只有0和1两个数字代替十进制中的十个数字。
二进制算法系统中，所有表述复杂数字概念只有0和1。
为了熟悉和理解二进制的算法系统和两种算法之间的关系，我们以表2-1为例作进一步的解释。
在表2-1中，左半部分代表十进制系统，数字的递进都是以十的倍数为计算单位，如10、100、1000等；右半部分代表二进制系统，数字的递进都是以2的倍数为计算单位的，如2、4、8、16、32等。
在这两种算法系统中，十进制数字1，在二进制中由0001表示，7由0111表示，而10则由1010表示。
表2-1二进制和十进制换算关系
十进制二进制
数值
1000100101168421
000100001
000200010
000300011
000400100
000500101
000600110
000700111
000801000
000901001
001001010
001101011
001201100
001301101
001401110
001501111
001610000
二进制单位中，一个比特（bit）称为位，在计算中又有如下的关系：
4个bit（0.5byte，位）=1nibble（半字节）
8个bit（1byte）=1byte（一个字节）
16个bit（2byte）=1word（一个单字）
32个bit（4byte）=2word（两个单字）
因为在计算中用字节数表示太长，实际应用中常用位组（byte）计算，而一个位组恰好是存储中的一个寻址单位，并且存储容量也是用位组计算的。
在计算机的实际应用中，容量的计算单位是：
1KB（kilobyte）=1000B
1MB（megabyte）=1,000,000B
1GB（gigabyte）=1,000,000,000B
1TB（terabyte）=1,000,000,000,000B
在计算机的实际应用中，需要输入各种字符如A、B、C,1、2、3以及￥、*、#等，这些字符也必须采用二进制编码方式表示。
目前常用的二进制编码方式由两种，一种由IBM公司开发，称为EBCDIC（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode），是小型计算机和大型计算机的工业标准；另一种标准称为ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）,被广泛应用于微型计算机上。
4.计算机常见的运算处理方法
系列或序列处理（serialorsequentialprocessing）根据输入或已存储在计算机内的指令程序处理信息，一次只处理一条信息，称为系列或序列处理。
这是计算机一种最简单的处理方法。
分布式处理（distributedprocessing）分布式处理是联网的数台计算机共同处理信息，实际上分布式处理是数台不同的计算机分担执行一个较大的任务。
该处理方法要求严格的结构环境，使硬件和软件之间能够通讯、共享资源和自由地交换信息。
多任务处理（multitasking）多任务处理是一个操作系统同时处理多个任务的一种处理形式。
协同处理（multiprocessing）将两个或两个以上的处理器联接在一起协同处理任务。
协同处理时，每一个处理器执行不同的指令，目的是增加速度或处理能力，这和并行处理有些相同。
协同处理的处理器也叫协处理器。
并行处理（parallelprocessing）在同一种类有两个或两个以上处理器的计算机上同时执行处理称为并行处理。
并行处理不同于协同处理，协同处理时，任务被分配于空闲的处理器上执行，如一个处理器管理数据库，另一个分析数据，而第三个处理器处理图像并输出到显示屏。
并行处理是一系列的处理一次同时处理完成。
管线样处理（pipelining）在某一时段内拾取和解码指令，而时段内的不同时间对数个程序指令作拾取和解码。
理想的管线样处理应该是一个任务完成后处理器没有等待的时间，即一个任务完成，下一个任务已在等待。
在并行处理方法中，管线样处理是指该指令从一个处理器传送到另一个处理器，类似于一条生产流水线，每一个处理器专门执行一项特殊的任务。
5.计算机数据通讯
某些操作系统如OS/2是被设计用于网络操作系统，由于数据通讯在众多领域包括放射科被广泛应用，下面我们将讨论有关数据通讯的基本特征。
数据通讯的介质和通道数据通讯是将数据借助于通道从一处传送到另一处。
能用作于通道的材料包括双绞线（电话线）、同轴电缆（高频、固定内芯的电缆）、光缆（细长的玻璃纤维，能导通高频激光脉冲）和无线传播（包括微波和卫星无线电波）。
数据传送介质的选择受一些因素的影响，但传输速度是最重要的。
数据传送的速度受波特率和传输通道带宽的影响，波特率是指每秒能传输离散信号的数量，而带宽是指通道的频率，以每秒比特（bps）表示。
带宽有三种基本类型，声音带宽（电话线）传送速度大约是110～9,600bps，中间通道9600～256,000bps，宽通道（同轴电缆、光缆、微波）256,000～1,000,000bps。
图2-1两台计算机之间的网络通讯
打印
机
图2-2总线结构网络类型
图2-3星形结构网络类型
数据通讯硬件简单的数据通讯的方法如图2-1所示，一台和另一台计算机间通过电话线和调制调解设备（Modem）连接，调制调解设备间的通讯通过调制（将模拟信号转换成数字信号）和反调制（将数字信号转换成模拟信号）传送数据。
较正式的数据通讯和网络的构成是采用网卡，另外还需配备一些其它硬件如多路传送器、集线器、控制器和前端处理器。
多路传送器的作用是使多台计算机能共享一条通讯线路。
而集线器也是使多台设备共享一条通讯线路，又因为集线器有储存和传送功能，比多路传送器更智能化。
控制器是起到支持连接在计算机上的一组装置（终端和打印机）的作用。
而前端处理器则相当于一台小计算机，它执行一些数据管理具有通讯功能，起到减轻主机负担的作用。
电讯邮政部门现在已推出带有数字功能的模拟电话网络，全称是集成化数字网络服务，即众所周知的ISDN。
ISDN不仅能处理数据通讯，还能将音频和视频信号通过同一条线路同时传送。
图2-5树状结构网络类型
图2-4环行结构网络类型
网络组成的类型如前所述，网络是一个通讯系统，通过两台或多台计算机的联接，计算机之间可以共享文件和打印。
网络有五种拓朴学类型，即总线结构、星型结构、环型结构、分层结构和网状结构。
总线结构的网络类型中（图2-2），一些设备如计算机和打印机是连接在一起的，所以每一台设备只响应它自己的通讯控制。
总线是连接这些设备的电缆，没有主机或文件服务器。
星型结构的网络则有一台主机或文件服务器联接数台计算机（图2-3）。
而环型结构的网络是由数台计算机（多数是大型机）联接形成环状，没有主机或文件服务器（图2-4）。
分层（树状结构）结构网络由一台中央主机连接另两台计算机，这两台计算机再作为主机分别连接数台较小的计算机（图2-5）。
通常中央主机是一台大型机，依次的两台计算机是小型机，小型机再连接数台微型机。
采用上述任何一种联接方法，在同一幢楼里将计算机和其它硬件设备连接在一起，即成了一个局域网（LAN）。
如图2-6所示，局域网中有一个网关，使该网能够和其它局域网连接。
如果另一个局域网在另一幢楼里（但在同一地区），这两个局域网相连则成了区域网（MAN）。
根据同样的原理，不同城市间的两个网相连，被称为广域网（WAN）。
无论是局域网、区域网或是广域网，最重要的是数据通讯速度。
1976年，XeroxPARC公司开发了一种用于提高数据通信速度的技术，该技术被称之为以太网（Ethernet）。
以太网是根据总线结构的原理，采用以太技术，计算机可以共享一条电缆传送数据。
广域网一般采用Bitnet和Internet技术。
文件
服务器
网关
激光
打印机
图2-6局域网连接示意图
6.与医学有关的计算机技术
计算机技术中还有一些内容与CT有关，如计算机图形学则是CT三维成像的基础。
本节将这些内容作一简单介绍。
人工智能（artificialintelligence）计算机科学研究的一个分支就是使计算机能模仿人的智能，如语言的识别、演绎和推理、根据经验学习的能力和根据未完成的信息合理地推理等。
人工智能的开发研究是一个复杂的领域，它包括两方面的工作，一方面要了解人类的思考方法、行为习惯，另一方面要寻找出相应的方法将这些能力传授给计算机。
有一些过去认为对计算机来说是很难的事，如下棋，现在却已经成功地解决了；有一些过去认为容易的事，如语言的识别和翻译，却不那么容易解决好。
人工智能成功应用的实例有计算机下棋程序和计算机诊断系统，这又被称为专家系统，供相关专业使用。
计算机图形学（computergraphics）对计算机而言，在计算机屏幕上显示的图形仅仅是字母和数字的组合。
计算机图形实质上采用了一些不同的图像产生、显示和储存的方法。
实际上，图形与图像的主要区别是：
图形不包含灰阶，但图形可以包括人类肉眼见到的很多影像，如美术绘画、雕塑；照片、图片；工程图、设计图、方框图；数学、物理等的图形。
一般来说，现在对图形的定义是：
可用数学方法描述的各种图被称为图形。
而计算机图形则是运用计算机产生、存储、处理物体和物理模型的一门学科。
专家系统（expertsystem）专家系统是一种应用程序，该程序由相关领域的专家提供知识和分析规则，并应用于特定的领域如医学、经济，解决工作中的实际问题或作出决定。
人类解决问题根据其实际经验和解决问题的能力，对专家系统而言，这是两个分别但又相关的课题：
知识经验和推理能力。
知识经验是解决问题的基础，而推理能力使计算机能对一个问题最后作出结论。
7.计算机在放射学科中的应用
计算机在放射学方面的应用始于1955年，当时仅是在放射治疗中，使用计算机计算肿瘤放疗病人的放射剂量，使用的目的仅仅是用计算机验证结果。
现在，在放射科计算机已很常见。
至目前为止，放射科计算机的应用可分为两个类别：
成像方面应用和非成像方面应用。
成像方面应用计算机成像设备的要求是来自于病人方面的信息能容易地被计算机处理。
根据计算机的特性，必须采用数字图像处理技术，即被成像物体以数字方式显示、储存，并用数字记录方式复制成照片供临床诊断使用。
目前，使用数字方式成像的设备有CR（computedradiography）、DR（digitalradiography）、DSA（digitalsubtractionangiography）、CT（computedtomography）和MRI（magneticresonanceimaging）等。
非成像方面应用非成像方面应用有放射信息管理系统（RIS）。
放射信息管理系统主要管理病人的登记、付费、照片、报告、统计、数据库管理和数据的通讯。
其次是图像归档通讯系统，即PACS（picturearchivingandcommunicationssystem,PACS）。
PACS的主要功能是储存、传送、显示和处理图像。
第三是工作站，工作站一般和CT机连接，目前认为有可能取代观片灯直接从工作站上观察图像和书写报告。
工作站实际上是一台功能强大的、能作计算和图像处理的微型计算机，但价格较贵。
有时，与网络相连的终端或微机也被称为工作站。
二、关于数字成像的一些基本概念
矩阵（matrix）是像素以二维方式排列的阵列。
它与重建后图像的质量有关，在相同大小的采样野中，矩阵越大像素也就越多，重建后图像质量越高。
目前常用的矩阵大小有：
256256、512512和10241024。
图2-7像素与体素含义图示
体素（voxel）体积单位。
在CT扫描中，根据断层设置的厚度、矩阵的大小，能被CT扫描的最小体积单位。
体素作为体积单位，它有三要素，即长、宽、高。
通常CT中体素的长和宽都为1mm，高度或深度则根据层厚可分别为10、5、3、2、1mm等。
像素（pixel）又称像元，是构成CT图像最小的单位。
它与体素相对应，体素的大小在CT图像上的表现，即为像素。
原始数据（rawdata）对物体进行扫描后由探测器接收到的信号，经模数转换后传送给计算机，其间未经图像重建处理的这部分数据被称为原始数据。
重建（reconstruction）原始扫描数据经计算机采用特定的算法处理，最后得到能用于诊断的一幅图像，该处理方法或过程被称为重建或图像的重建。
在CT中，有专门用于图像重建的计算机，称为阵列处理器（arrayprocessor），其图像的重建速度是计算机的一项重要指标，也是衡量CT机性能的一个重要指标。
重组（reformation）重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法，如多平面图像重组、三维图像处理等。
在英文文献中，有关图像的重建的概念有些混淆，三维图像处理有时也采用重建（reconstruction）一词，实际上，目前CT的三维图像处理都是在横断面图像的基础上，重新组合或构筑形成三维影像。
由于是使用已形成的横断面图像，因此重组图像的质量与已形成的横断面图像有密切的关系，尤其是层厚的大小和数目。
一般，扫描的层厚越薄、图像的数目越多，重组的效果就越好。
滤波函数或称重建滤波器。
CT中常用滤波反投影算法重建图像，即将原始数据先用重建滤波器进行滤波，然后反投影获得重建图像。
这一滤波过程也可看作原始数据与滤波函数进行卷积运算的过程。
在CT临床检查中，可供CT图像处理选择的滤波函数一般可有高分辨率、标准和软组织三种模式，有的CT机除这三种模式外，还外加超高分辨率和精细模式等。
高分辨率模式实际上是一种强化边缘、轮廓的函数，它能提高分辨率，但同时图像的噪声也相应增加。
软组织模式是一种平滑、柔和的函数，采用软组织模式处理后，图像的对比度下降，噪声减少，密度分辨率提高。
而标准模式则是没有任何强化和柔和作用的一种运算处理方法。
傅立叶变换（Fouriertransform）是图像重建运算处理方法的一种。
它的特征是描述正弦曲线幅度和相位的函数，并使该幅度和相位与特定的频率相对应，其中，幅度是指正弦波的高度，相位是指正弦波的起始点。
换句话说，傅立叶变换实际上是一种将空间信号转换为频率信号的数学方法。
通过数学计算，傅立叶变换可将一个信号波转换为一组具有不同频率和幅度的正弦和余弦函数。
目前，傅立叶变换仍是一个很常用的分析方法，在放射学方面，除了CT以外，MRI等也仍有采用傅立叶变换方法来重建医学图像。
卷积（convolution）卷积是图像重建运算处理的重要步骤。
卷积处理通常需使用滤波函数来修正图像，卷积结束后，形成一个新的用于图像重建的投影数据。
请参见“滤波函数”条。
内插（interpolation）内插是采用数学方法在一已知某函数的两端数值，估计该函数在两端之间任一值的方法。
CT扫描采集的数据是离散的、不连续的，需要从两个相邻的离散值求得其间的函数值。
目前，很多螺旋CT都采用该方法作图像的重建处理。
内插的方法有很多种，如线性内插（单层螺旋扫描CT常用）、滤过内插和优化采样扫描（多层螺旋扫描CT采用）。
线性内插法运算时，如已知某一变量X，另一变量Y，则有函数Y=f（x）,欲求X=x3处的Y3=f（x3），可采用在两个最接近于x3值Y1=f（x1）与Y2=f（x2）之间划一直线求得。
我们已知的线性内插的数学公式是：
Y3=Y1+（X3–X1）（Y2–Y1）/（X2–X1）
式中是Y3在X3时的未知值。
噪声（noise）在CT中，噪声是一均匀物质扫描图像中各点之间CT值的随机波动，也可看作为是图像矩阵中像素值由于各种原因引起的误差。
噪声水平（noiselevel）噪声水平是CT值或对比度值的百分比数，是衡量CT图像质量的一个指标。
假定±1000CT值的标准偏差是3，那么噪声水平可由下式求得：
3
噪声水平（%）=×100=3/10=0.3%
1000
即3个单位的噪声相当于0.3%的噪声水平。
CT的噪声水平受多种因素的影响，它们是：
mAs、kVp、层厚、物体的大小（病人的体厚）和重建算法。
信噪比（signal/noiseratio）信噪比即信号和噪声的比值。
任何一种信号中都可包含有噪声，但信号和噪声之间的比值不一样。
实际应用中，该比值越大，噪声的含量就越小，信息传递的质量也就越高。
灰阶（graylevel）灰阶是根据像素的CT值在图像上显示的一段不同亮度的信号，把从白色到黑色之间的灰度分成若干等级，则称为灰度级或灰阶。
人眼一般只能识别40级左右连续的灰阶，根据个体的差异最多不超过60级，而对应的组织密度灰阶差要大得多，在CT图像显示技术中，常通过窗口技术中窗宽、窗位的调节，以适应视觉的最佳范围。
CT值（CTnumber）或称为CT数，是以水的CT值为零，而相对于其它物质X线的衰减值。
例如空气的CT值为-1000，而骨密质的CT值则为+1000。
窗口（window）是根据人眼的视觉特性采用计算机设置的不同灰度标尺。
窗口的设置包括了全部约4000个CT值范围，根据人眼的需要可相应调节，以适应诊断需要。
窗口技术通常采用窗宽和窗位的设置来调节，窗宽在实际操作或文献中常用符号W（Width）表示，窗位常用符号C（Center）或L（Level）表示。
扫描野（fieldofview,FOV）扫描野或称有效视野，是扫描前设定的可扫描范围。
根据各厂家的设置，扫描野可有一个或数个，大小范围为16～50cm，一般单个扫描野的CT机，扫描野的大小在40～50cm之间。
单扫描野的CT机，在定位相扫描后、正式扫描前，扫描野还可再次设置，以获得诊断需要的CT扫描图像。
扫描完成后原始数据可再重建图像，该
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