X线计算机体层成像设备.docx

1、X线计算机体层成像设备第五章 X线计算机体层成像设备5-1 X线-CT发展历史PPT3：德国物理学家于1895年发现了X-Rays的发现。PPT4：普通X线成像是一种重叠的二维影像。PPT5：CT的出现消除了普通X线成像的缺点。1972年，科学家毫斯菲尔德和阿姆布劳斯在英国放射学年会上发表正式论文，宣告了CT的诞生。PPT6：CT的发展简史。PPT7：CT是怎样的呢？对比： 普通X线检查方法和普通X线图像。 CT检查方法和CT图像。PPT9：CT图像的进步。 像素的大小； 像素的多少；PPT10：三维成像。CT成像与传统的x线成像相比，具有以下特点：1、具有较高的X线利用率： 传统X线摄影，由

2、于照射面积大，到达胶片的散射线多，使影像变得模糊；CT成像中，由于使用窄形X线束，大部分的散射线被排除掉，并有后准直器进一步滤除窄形线束内的X线散射线，提高了X线的检测能力和利用率以及影像的清晰度。 2、能显示人体某一层面上的器官或组织的解剖结构： 由于CT成像中消除了人体内器官或组织结构间的相互重叠影像，故能准确的反映体层平面上器官或组织的解剖结构。3、能分辨人体内器官或组织密度细小的变化：由于CT成像在获取图像信息时，克服了人体内器官或组织结构间的相互重叠影像和散射线的干扰，又经过高精度的图像重建计算，从而提高了对器官或组织密度的分辨能力，使传统的X线摄影难以区分的低对比度的软组织结构清晰

3、可见，能够反映器官或组织的细小密度差异，从而提高了诊断能力。5-2 X线-CT成像原理一、CT是怎样工作的？ X线球管发出的X线经过准直器准直后，得到一束接近单能的扇形X线束，穿过人体被X线探测器接收，探测器输出与X线照射强度成正比的模拟电信号，经过放大电路放大后，再进行A/D转换得到数字信号，由计算机进行图像重建处理，最后得到数字X线影像。二、与CT成像有关的一些基本概念 、体层： 它是受检体中的一个薄层，薄层的两面可以视为是平行的平面。成像中建立一幅图像的扫描过程，受检体中被线束透射的部分就是体层。 、体素： 定义：指在受检体内预成像的层面上按一定的大小和一定的坐标人为划分的小体积元素。

4、体素阵列：对划分好的体素进行空间位置编码。 体素大小：长和宽，高（体层的厚度）。 划分方案：，等。 、像素： 由于人体各组织对线的吸收系数不同，反映到照片上为灰度不同的黑白图像，如果把照片上的影像划分为许多点，每个点的面积足够小，小到超过人体眼睛的分辨力时，人眼所见的是一幅灰度连续变化的、非常清晰的图像。所谓像素，是指构成图像的点，它是构成图像的基本单元。对于二维图像来说，这些像素就是图像平面的面积元。 、体素和像素的关系： 在成像中，将被检体层划分为许多体素，用每个体素对线束的吸收系数来代表他的图像信息，并转换成各组织的值，这就构成平面图像的像素。各像素的坐标坐标排序要与体素的坐标排序相同，

5、即体素和像素在坐标上要一一对应。5、扫描：1）、用X线束对受检体断层进行投照，用检测器获取衰减后X线强度I，称为一次扫描。2）、按一定顺序改变投照方向、位置，进行多次扫描。6、投影：1、一次扫描所获取的X线强度I，称为一个投影。2、多次扫描可获取大量投影值，称为投影函数。三、X线-CT成像的物理原理 1、线性吸收系数： 当具有一定能量的X线穿过物体时，物体对射入的X线起衰减作用，即物体对X线进行吸收和散射，物体对X线吸收多少与物体的密度、物体元素的原子序数以及X线的能量有关，在CT成像中，物体对X线的吸收起主要作用，下面仅讨论物体对X线的吸收作用，忽略对X线的散射作用。图5-1 如图（5-1）

6、所示，当X线束沿坐标的X轴穿透厚度为l的一个均匀物体，设入射的X线强度为，经过物体吸收后射出的X线强度为。如果物体中有以小薄层，其厚度为处的X线强度的吸收量为有： （5-1） 式中为与物体密度等有关的吸收系数。对于匀质物体来说它是一个常数。负号说明入射X线强度被物体吸收而减少，取负值，对（5-1）建立微分方程：（5-2） 由（5-2）式可见，物体越厚，或值越大，对X线的吸收越多。 当X线穿过一定厚度的人体组织或者器官时，由于人体组织或器官是由多种物质成分和不同的密度构成的，所以各点对X线的吸收系数也就不同。为了便于分析，将沿着X线束的通过方向将物体分割成许多厚度为l的体素，每个体素被认为是单质

7、均匀密度体，每个体素的吸收系数为一常数，如图（5-2）所示：图5-2 对于第一个体素，透过的X线强度为： 第二个体素，透过的X线强度为： 则第n个体素透射出来的X线强度为： (5-3) 由（5-3）式可以看出，如果X线的入射强度、透射X线强度和物体的厚度l为已知的条件下，就可以将X线路经上的吸收系数之和计算出来。 为了建立CT图像，必须先求出每个体素的吸收系数。从数学的角度讲，要计算n个未知的吸收系数，就需要建立n个或n个以上相互独立的方程，因此，CT成像装置要从不同的方向上进行多次观测，也即扫描，来获取足够的数据建立求解吸收系数的方程。四、X线-CT图像的重建方法1、直接矩阵变换法重建： 射

8、线和A：x1+x2=2 射线和B：x3+x4=4 射线和C：x1+x3=1 射线和D：x2+x4=5 综合这4个方程，可以看到： A+B=C+D 也就是说： A=C+D-B B=C+D-A C=A+B-D D=A+B-C 这4个方程中只有3个方程是独立的，而第4个方程是派生的，因此方程数少于未知数，不可能得出唯一解，必须再建立另一个独立方程。为此有必要取对角线的射线和，即： 射线和E：x1+x4=3 射线和F：x2+x3=3 现在解联立方程组，由A-C得： x2-x3=1 上式与射线和F相加，得： 2x2=4，x2=2 代入射线和A得：x1=2-x2=0 由射线和C得：x3=1-x1=1 由射

9、线和D得：x4=5-x2=3这正是1967年CT研发时所采用的方法就是联立方出组法，当时为算得一幅图像，方程组方程数量逾28000个，当把物质的扫描面分成越来越细的等分时，方程组的规模也越来越大，即便是在计算机上编程实现，其工作量也是很大的。此外，为获得足够数量的独立方程，必须采集远远多于N2个投影数据，其中有许多方程是相关的，即产生了冗余。而当方程组的数量超过未知数的数量时，方程组的解未必收敛。2、反投影法（back projection）1）反投影方法 反投影方有称为总和法，此法利用投影数值近似复制出值的二维分布。它的基本原理是将所测得的投影值按其原路径平静的分配到每一个点上，各个方向上投

10、影至反投影后，在影像处进行叠加，从而推断出原图像。 以一个矩形物体为例，分别在X、Y方向进行投影，得到X、Y方向的投影数值。在重建图像时，根据反投影法原理，从X、Y轴方向上分别按原路径平均分配投影数值，其结果在影像处是两个方向反投影值的叠加，即加重影像部位的显像值。在经过处理或调整基本显像灰度值，能突出投影相重叠部分，使显像部分近似地重现原图像。 下面用四个体素（设）矩阵图像的重建，作一定性说明。 对四个体素矩阵作、投影（即扫描），在将投影值反投向原矩阵的对应位置（扫描过的各个体素）上，即可将原矩阵中的四体素的特征参数值解出，其过程如图所示。 运算中的基数（cardinal number）等于

11、所有体素的特征参数的总和，这个总和也等于任何一方向上的投影值的总和。算法由计算机执行。 2）反投影法的缺点边缘失锐： 若某吸收体为一小正方形，经过四个方向投影，获得的投影数值而后加回矩阵的情况，由图可以看出，重建后的图像不是正方形，变成了“星”状物，中心处吸收系数值最大，离中心越远，值越低，这就是图像的边缘失锐。由于存在星形伪影，而使得重建图像的边缘部分模糊不清。3、滤波反投影法1）定义：定义：利用卷积的方法，先对反投影函数进行修正，然后用反投影的方法重建图像，又称卷积反投影法。也就是说，在反投影相加之前先用一个校正函数进行滤波，以修正图像，所以滤波反投影法又称卷积反投影法。2）反投影法和滤波

12、反投影法的区别：反投影法是按照X线投影的大小作正比例的投影，卷积反投影法则是使用一种专用的过滤函数把所得的投影进行修正后再作反投影。3）优点：可以滤除简单反投影法产生的伪影。4、滤波反投影法图示 所谓滤波反投影法，就是将每个投影信号在反投影之前，先进行滤波。滤波的功能是消除边缘模糊干扰，以对高密度的钉子扫描为例：由钉子所产生的脉冲信号，滤波后在脉冲的两侧出现了负的和正的脉冲突起，这种分布在主信号脉冲两侧的正负交替脉冲，在与其它滤波反投影信号叠加时，具有正、负抵消的作用，从而使图像信号更加相进于实际目标。钉子所对应的脉冲信号具有较宽的频谱成分，滤波作用使其中的高频成分有不同程度的丧失，这便是滤波

13、后的信号出现正负交替脉冲的原因。如果滤波器设计得恰当，当这些滤波反投影信号叠加式，“辐射”状的正值和负值正好相互抵消，因而获得边缘清晰的图像，能够十分精确的反映原来的目标。反之，如果滤波器设计欠佳，不仅干扰信号得不到恰当的抵消，而且还会使主信号脉冲的形状有所改变，这是不希望的，所以一般设计的滤波器必须在实际应用中得到严格的检验。5-3 X线-CT扫描方式及CT发展趋势一、第一代CT：平移+旋转扫描方式1、特点：1）由一只X线管和1-2个晶体探测器（detector）组成。2）由于X线束被准直器准直为铅笔芯粗细的笔形线束，故又称笔形束CT。3）X线管和探测器先做同步直线平移扫描运动。获得240个

14、透射测量数据后，X线管和探测器停止平移，再环绕病人头颅中心旋转1，做与上次方向相反的直线扫描运动。2、缺点： 1）扫描时间长： 2）X线利用率低二、第二代CT（平移+旋转扫描方式）第二代CT与第一代CT没有质的区别。它是在第一代CT的基础上，由单一笔形束改为扇形线束，由一只X线管和330个晶体探测器组成。1、特点：1）X线束为520的小扇形束，所以又称小扇束CT。2）由呈扇形排列的多个探测器代替单一的探测器，每次平移扫描后的旋转角由1提高到扇面夹角角度，这样旋转180时，扫描时间缩短到2090s.3）不但可作头颅检查，实际上已具备了做全身CT检查的条件。2、主要缺点：在扫描过程中，由于病人的生

15、理运动，易产生伪影。第一代CT和第二代CT对病人运动引起的伪影特别敏感，因为在旋转期间不采集数据，如果病人运动，就会引起透射读数的差异，致使重建图像出现条纹伪影。目前，第二代CT已基本淘汰。三、第三代CT（旋转-旋转扫描方式）1、特点：1）CT的扇形角较宽（3045），可包含整个病人扫描层面，所以又称为广角扇束CT。2）探测器增加到3001000个，逐个依次无空隙的排列。3）X线管和探测器无需再做直线平移运动，仅做围绕病人进行的连续旋转运动即可。因此，大大缩短了扫描时间，故全身扫描时间可缩短到29s或更短。2、缺点：需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正，这是因为一个角度的投影由不同的相邻探测器进

16、行测量，相邻探测器的性能差异将产生同心环形伪影。目前，第三代CT的环形伪影已被解决，成为当代CT的主流。四、第四代CT（旋转-静止扫描方式）1、特点：1）具有更多的探测器（6001500个，分布在360的圆周上）。2）扫描时，仅X线管做围绕病人一周的旋转运动，而探测器则固定不动。2、缺点：探测器数量多且在扫描过程中不能被充分利用。五、第五代CT（静止-静止扫描方式） (一)、动态空间重建机：整机由扫描、重建和数据分析三个部分组成。1、扫描部分：由多只X线管排列成半圆弧阵列；与X线管相对应的是影像增强器和电视摄像系统组成的X-TV检测器。2、数据采集部分：采用电子时序控制的方法控制X线管产生X线

17、，与X线管相对应的X-TV检测器顺序地接收X线投影数据，形成扫描过程。(二)、超高速CT扫描机(电子速CT)1、采用一个大型特制的扫描电子束X线管，在扫描机的一端安装电子枪，所产生的电子束经加速、聚焦和磁偏转后轰击四个紧挨着的半环状钨靶。2、由于高速运动的电子束无机械惯性，所以可依次扫描一个靶环或同时轮番扫描2-4个靶环。由于采用排成两排的环形探测器阵列，故高速运动的电子束扫描一个靶环可得到相邻两层的图像。如高速运动的电子束同时轮番扫描4个靶环，则可同时获得8层图像。六、CT的发展趋势(一)、硬件的发展趋势CT扫描机自20世纪70年代问世以来，随着计算机技术和其它相关技术的进步，获得了突飞猛进

18、的发展。特别是近几年，出现了滑环技术（slipring）、螺旋扫描技术（helical scan）以及在此基础上发展起来的多层面CT技术，使CT检查技术达到了一个崭新的水平。CT的发展趋势是：提高扫描速度、提高图像质量、简化操作、提高效率。1、提高扫描速度：(1)、意义：(1)、减少运动伪影，提高图像质量；(2)、提高设备使用效率；(2)、方法：1)、滑环技术：2)、螺旋扫描技术：2、提高图像质量：(1)、X线源性质和探测器的性能。(2)、数据数目和扫描速度。(3)、图像重建所用的算法。(4)、数据表达和显示方式。3、简化操作：4、提高工作效率5、缩小体积，降低放射剂量(二)、设备功能的发展趋

19、势：1、血管成像CTA：血管造影技术与螺旋CT快速扫描相结合的一种技术，它是一SCT扫描为基础，静脉快速注射对比剂，应用计算机三维重建来显示血管结构的成像技术。用于颅脑血管、心脏等的成像。2、3D图像重建：3、CT引导下的介入治疗：4、仿真内镜：利用计算机软件功能将SCT容积扫描获得的图像数据进行后处理，重建空腔内表面的立体图像，再用电影功能依次回放，从而获得仿真内镜的效果。5、放疗计划：主要是对肿瘤进行放疗定位。5-4 X线-CT的组成成像系统一台完整的CT由三个主要部分构成：数据采集系统。它包含X线高压发生器、X线管、准直器、滤过器、探测器、扫描架、扫描床、前置放大器及接口电路等；计算机及

20、图像重建系统；图像显示、记录和存储系统。它包含显示器、光驱、多幅照相机、激光照相机、洗片机等。一、数据采集系统：(一)、X线管发生装置：与普通线管相比：1) 额定功率、热容量要大得多 2) 冷却装置采用高速旋转阳极(转速10000rpm以上)，以及油循环技术 3) 目前CT中使用X线管的最大功率为100kW，最高热容量可达7.5MHu。 4) 栅控式X线管使扫描时X线管间断的发射X射线，称为脉冲工作方式。栅控式栅控阳极X线管(即在X线管靠近灯丝附近做一个专门的控制栅极) 5) 管电压和管电流必须有足够的稳定度。CT扫描机中一般采用闭环反馈方法稳定X线管的电压和电流，使其误差控制在0.010.0

21、5范围内。 (二)、准直器与过滤器：()准直器：作用：准直器位于X线管前方。它的作用是：大幅度地减少散射线的干扰，减少患者的放射剂量；决定扫描层的厚度。分类：CT用准直器分两种：一种是X线管侧准直器，常称为前准直器；另一种是探测器侧准直器，常称为后准直器。前、后准直器必须精确地对准，()滤过器，亦称补偿器：在临床CT的设计中就有一个假设，认为线束是单能的，但实际使用的线束是“多能”的，为了满足重建过程的需要，就要使用专门的滤过器。CT中使用滤过器的目的有两个： 吸收低能X线，这些低能射线对CT图像的形成没有任何作用，但是却增加了病人的照射剂量。滤过的结果使射线束的平均能量升高，射线变“硬”；使

22、穿过滤过器和受检者的透射线束的能量分布达到均匀硬化。由于人体横截面类似于椭圆形，X线束照射时，中心射线穿透厚度大，边缘射线穿透厚度小，信号强度反差大，射线强度也不均匀。为了削弱这一现象，在X线管和探测器之间，增设了滤过器。(三)探测器：探测器是一种将射线能量转换为可供记录的电信号的装置。它接收到射线照射，然后产生与辐射强度成正比的电信号。探测器组件是由性能完全相同的探测器单元排列而成，每个探测器对应着一束窄的X线。如果有n个探测器单元，那么一次就可同时获得n个投影数据。、性能(1)效率: 效率是指它从线束吸收能量的百分数。理想情况下，探测器效率应该为100%。即可截获全部X线束能量，这将使曝光

23、量减小，降低病人的照射剂量。影响探测器效率的因素有两个：几何效率和吸收效率。1）几何效率：几何效率=探测器有效宽度/（探测器有效宽度+无效的空间）。几何效率是由每个探测器的孔径和相邻探测器间隔大小来决定。射入间隔的辐射不能被探测器吸收，因而无助于图像的形成。理想的情况是探测器所占的范围要比间隔大。2）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线光子的能量有关。3）总检测效率：探测器的总检测效率是几何效率和吸收效率的乘积。实际的探测器总检测在50%80%之间。探测器的效率越高，在一定图像质量水平的前提下病人接受的剂量越小。(2)稳定性:稳定性是

24、指从某一瞬间到另一瞬间探测器的一致性和还原性，探测器需经常进行校准以保证其稳定性。(3)、响应性：探测器的响应性是指探测器接收、记录和抛弃一个信号所需的时间。一个探测器应瞬时地响应一个信号，然后立即迅速地抛弃该信号并为响应下一个信号做好准备，如余辉现象严重则影响下一个信号的值。为了避免余辉造成的畸变及假象，需要仔细选择闪烁物质并进行一些软件的校正。(4)准确性：由于人体软组织及病理变化所致衰减系数的变化是很小的，因此，穿过人体的线束强度也只引起很小的变化。如果探测器对衰减系数的测量不够准确，测量中的小误差可能被误认为信号的变化。探测器的准确性要求探测器系统必须具有如下特点：低电子噪声、线性、各

25、探测器的均匀一致及瞬时稳定性。2、类型目前，CT中常用的探测器类型有两种，一种是收集气体电离电荷的探测器，称气体探测器，它收集电离作用产生的电子和离子，记录由它们的电荷所产生的电压信号。；一种是收集荧光的探测器，称闪烁探测器，也叫固体探测器。 (1)、气体探测器：气体探测器是利用气体（一般采用化学性能稳定的惰性气体）电离的原理，入射的X线使气体产生电离，通过测量电流的大小来测得入射X线的强度。）、气体探测器由一系列单独的气体电离室构成。各气体电离室的上下夹面由陶瓷拼成。每个气体电离室的X线入射面由薄铝板制成，两侧用薄钨片作为隔板分隔开，所有隔板相互连通，加上500V直流电压，起收集电子的作用。

26、）、各个中心收集电极引线接至相应的前置放大器，气体电离室内充满氙气。当入射X线进入各个气体电离室后，将气体电离，正离子由中心收集电极接收，负离子（电子）被隔板接收。正、负离子的定向运动形成电离电流。电离电流与入射的X线强度（光子数）成正比，很微弱，经前置放大器放大后，送入数据采集系统。电离电流会产生高温，因而隔板和收集电极均采用钨片。）、隔板与X线入射方向一致，起到后准直器的作用，它可防止由被测病人产生的散射线进入电离室。气体探测器的光子转换效率比固体探测器要低。）、采用高压氙气可以气体的密度，提高转换效率。但由于钨片机械强度有限，所以不能采用太高的压力，这就限制了转换效率的进一步提高。但由于

27、其几何效率高于固体探测器的几何效率，因而实际上这两种探测器的总检测效率大致相近。气体探测器中各个气体电离室是相互连通的一个整体，处在相同的气压、密度、纯度、温度条件下，因而有较好的一致性。由于kV存在波动，CT X线管辐射的X线强度不稳定，而X线强度变化对成像有很大的影响。因此，一般在探测器的两端装有参考探测器48个通道。参考探测器用来测量入射人体前的原始X线强度以修正探测器的测量结果。在扫描和采集数据过程中保证系统的稳定性是非常重要的。为防止探测器零位漂移，在扫描过程中需对探测器的变化进行校正，使得在每个X线脉冲到来之前所有探测器输出皆为0。此外，每天还应对系统漂移进行校正，保证在全部动态范

28、围内的线形和稳定性。气体探测器优点：。 (2)、固体探测器：1）闪烁探测器：利用射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测射线的装置。由于此种探测器的探测效率高，分辨时间短，既能探测带电粒子，又能探测中性粒子；既能探测粒子的强度，又能测量它们的能量，鉴别它们的性质。所以，闪烁探测器在CT扫描机中得到了广泛的应用。由图可见，闪烁探测器前面加有反射层，它是涂有白色氧化镁粉末的铝盒。它使闪烁晶体产生的荧光光子能大部分反射到光电阴极上。在晶体与光电倍增管间放置有机玻璃制成的光导，并涂有硅油以保证良好的光偶合。根据光电转换器件的不同分类：光电倍增管式；光电二极管式。根据闪烁晶体的使用材料分类：碘化钠（NaI）

29、晶体：这种晶体的密度大，对射线和X线有较大的阻止特性。它的透明度和发光度都很高。但NaI晶体极易潮解，这是它的致命缺点。NaI晶体一旦潮解，探测器效率和能量分辨力均急剧下降，以致完全不能使用。在实际应用中，碘化钠晶体被密封在一个铝制外壳内。碘化铯（CsI）晶体：其主要优点是在空气中不易潮解，故不需铝制外壳封装。但它的发光效率仅为NaI的30%40%，且价格昂贵。因此远不及NaI晶体应用普遍。闪烁晶体在使用和保存时，应避免强光照射，否则会严重影响其性能。若因强光照射致使闪烁晶体变色，可用长期避光的方法退色，使闪烁晶体的性能得到恢复。2）稀土（贵金属）陶瓷检测器：采用掺杂稀土的金属的透明光学陶瓷来

30、代替传统的闪烁晶体，与光电二级管配合构成探测器，其特点是：X线利用率高，达99%；光电转换率高；与光电二极管的匹配好；余辉小；稳定性好；容易分割制成密集型探测器阵列；3、两类探测器的特性比较目前气体探测器和闪烁探测器在现代化的CT中都有选用。选用哪种探测器要看偏重于哪方面的特性。（1）温度特性：闪烁探测器的输出信号强度与温度的关系极大；而惰性气体探测器的信号强度与温度的关系不大。（2）噪声：气体探测器易产生噪声和干扰源，而闪烁探测器则不易产生噪声和干扰源。其原因是气体探测器的各个气体电离室所加电压存在波动和气体电离室内绝缘体上易产生漏电流。另外，气体电离室的隔板极薄，容易出现极小的颤动。即使隔

31、板的极小颤动亦会产生噪声。（3）饱和现象：在闪烁探测器的线性范围内，即在闪烁探测器的特性曲线范围内，闪烁探测器的输出电信号与入射到闪烁探测器输入面的X线强度成正比，并超出CT要求五个数量级。但是，气体探测器在这么大的信号范围内，有可能出现饱和现象。（4）散射线准直：闪烁探测器可以与一个散射线准直器组合在一起。气体探测器一般不用附加的散射线准直器，而是利用电离室隔板同时作为散射线准直器，但效果不如专用的准直器好。（5）剂量利用率：CT中应用的闪烁晶体一般厚度为5mm，实际吸收射入的X线可达100%，并将它们转变为光信号；但在气体探测器中，从输入窗口到电极板之间的气体层吸收射线而不产生信号。此外，也因射入的一部分量子没有被利用而直接穿过了气体探测器，引起气体探测器的射线损失，但只要通过增加压强和加深电离室，就可以将这种