医用放射诊断与治疗设备----X射线计算机体层摄影装置

        常规X射线摄影以及后来出现的各种数字化X射线成像技术，是人体三维结构的二维重叠显示，其结果必然使人体内部组织影像互相重叠，不易分辨出病灶的确切位置和细节。 此外，常规X射线摄影对于吸收系数很接近的组织肝脏、胰腺中的病变难以区分，这些部位在临床上被视为常规X射线诊断的盲区。 1914年，俄国学者K. Maenep依照运动产生模糊的理论，首先提出体层摄影的理论。 1917年，奥地利数学家Radon提出了图像重建理论的数学方法。1930年意大利的Vallebona开始将体层摄影的有关理论和它的使用方涪应用于临床并取得了很好的临床效果， 1947年率先取得了以人体为模型的横断面影像。1961年美国神经内科医生Oldendorf提 出r电子计算机x射线体层技术的理论。美国物理学家A．M．Corrnack发明了简单的CT模拟装置。1968年英国工程师Hounsfild与神经放射学家Ambrose共同协作设计，于1972年由英国EMI公司制造了用于头部扫描的电子计算机X射线体层装置并在英l司放射学会 学术会议上公之于世，称EMI扫描仪。1974年在蒙特利尔(Montreal)召开的次国际 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( computed tomography，CT)。 CT的发明被认为是自1895年伦琴发现X射线以来，在放射医学、医学物理和相关学科领 域里，没有能与之相比拟的发明。为此，Hounsfield和Cormack获得了1979年的诺贝尔生理学或医学奖。

        一、X射线计算机体层摄影装置成像原理 X射线计算机体层摄影(X-ray computed tomography，CT)X称“计算机体层摄影”，是 利用人体内各种组织对X射线的吸收差异，即测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用一窟数学方法，经过计算机处理，得出该层面内的衰减系数值在人体内的二维分布矩阵， 并转变为图像画面上的灰度分布，从而实现建立断层图像的现代医学成像技术。

        （一）CT成像基本原理
        1．CT成像的几个基本概念

        (1)体层：所谓体层，指的是受检体中的一个薄层，又称之为断层，此断层的两个表面可粗略视为平行的平面。CT建立一幅图像的扫描过程中，受检体中被X射线束透射的部分 就是此断层。

        (2)像素：所谓像素，是指构成图像的基本单元，是具有一定分辨能力的感光点。对于 二维网像来|兑，像素就是图像平面的面积元，接一定的大小和一定的坐标人为地划分。一幅 图像划分的像素数越多，像素就越小，U面就越清晰，携带的生物信息量就越大。各像素的 坐标排序耍与各体素的坐标排序相同，即像素和体素在坐标上一一对应。

        (3)体素：所谓体索，是指在受检体内欲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。对划分好的体素进行空间的编码，即形成编好序号的体索阵列。一般体素的大小是：长和宽为l-2mm，高（体层的厚度）为3~10mm。实际上划分体素是对扫描野，即受检体所在的接受扫描层面的划分。划分的方案有多种，如256×256、320×320、 512×512等。

        2．线性衰减系数CT本质上是一种利用X射线穿透人体后的衰减特性作为诊断依据的。在物理学原理方面，CT与普通X射线检查具有一致性，都遵从X射线指数衰减规 律。如图5-20所示，对于辐射强度为j的单能X射线穿过厚度为d的均匀物质后，其出射 的强度f可由公式f—I。e-d（朗伯比尔定律）表示，其中的“即为此均匀物质的吸收系数。 在C图像中的像素值（即灰度值）就是人体相应位置体素的“值的反映（当然假设体素是均匀的）。 

        当X射线穿过一组厚度相同、“值不同的物体时，其强度与入射x射线的强度关系为： 即：

沿X射线束路径s上的介质对x射线的衰减系数是不均匀的，随s连续变化。列上式两边取对数，得：

式（5-1）即为建立CT图像的基本方程。如果式中入射X射线强度h通过物体吸收后 的X射线强度，和物体的厚度c，均为已知数，那么沿X射线路径上的吸收系数之和就可以 计算出来。而每个小单元的吸收系数的求解，必须从不同方向进行扫描，收集足够的数据建 立足够多的线性方程式，求得各个吸收系数。

        3．CT值CT图像中的像素值并不使用衰减系数“值，因为“值在使用不同的管电压或滤过器时是不同的，这将使图像像素值的直接比较显得用难。因此，相对于水的衰减计算出来的衰减系数称为CT值。为了纪念CT的发明者，将CT值的单位指定为Hounsfield单位(HU)。对于一组织T，它的衰减系数为“，，则它的CT值由式(5-2)表示：

由此可知，水的CT值一O，空气的CT值=1000HU，人体其他组织的CT值如表5-31012)个不同的CT值，CT图像的像素僮可以用12位二进制数表示。

 

        （二）CT图像重建原理
        CT中将采集的各个剖面数据（也叫原始数据）通过计算机计算获得图像的过程叫图像 重建。目前CT图像重建方法很多，综合起来，大致有两大类。

直接法是直接求解线性方程系数的方法；问接法是首先进行傅立叶变换，再反变换．即 可导出吸收系数，而重建山图像。目前用的较多的方法是褶积法，它是将测量数据傅立叶变换到频域空间，与滤波函数卷积（即通常讲的滤波）后反变换到时域，然后反投影。褶积法处 理速度快，图像清晰等。在实际应用巾，常根据不同组织结构，加人权函数加以修正。无论 采用什么方法重建图像，所采集的原始数据必须准确。

        (三) CT技术和指标
        1.窗宽和窗位CT图像的像素值范围为4096，所以可以显示4096个灰度级，但是人眼只能识别多64个灰度级，所以在图像显示时一般只显示感兴趣的一段CT值，这段CT值范围叫窗宽，其中心位置的值叫窗位。大于窗宽的CT值在显示时都显示为白色，小于窗 宽的CT值在都显示力黑色。通过调节窗宽和窗位可以使阿像显示不同的细节，有利于图像的诊断。CT中的这种图像显示技术称为窗口技术。

        2.空间分辨率也叫高对比度分辨率，是指图像中对比度晶大（CT值晟大和小）的 两点之间的分辨能力，也即CT对空间两点的辨别能力，常用mm或线对数／cm表示。

        3.密度分辨率也叫低对比度分辨率，是指分辨对比度较小（CT值之差小于10HU） 的物体微小差别的能力，也即描述不同人体组织物理密度的微小差别的能力。常用百分单位表示，通常CT机的密度分辨率为0 3%-2%／cm2。

        4.伪影在图像巾存在，但在实际物体中并不存在的那部分图像；CT图像中，伪影的山现 可以表现为一个虚假结构（像混杂伪影、线束硬化伪影、运动伪影和局部容积伪影）或CT值错误。

        5. CT主要技术指标

        (l)扫描时间：是指完成一次数据采集X射线穿透人体所持续的时间；螺旋CT的扫描 时间是指限定扫描架旋转360。的时间。

        (2)扫捕方式：是指球管和探测器的运动方式，有代和第二代CT的平移／旋转方 式，第三代CT的旋转／旋转方式和第四代CT的旋转／静止方式，螺旋CT属于螺旋扫描方 式，有低压滑环和高压滑环之分。

        (3)断层厚度：是指扫描切片的厚度，有0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm之分，在扫描
时可以选择。

        (4)重建时间：是指在主计算机的控制下，将原始数据重建成显示图像的数据矩阵所需要的时间。

        (5)重建矩阵：是指将原始数据计算出的CT图像的矩阵大小。早期有256×256，现在 常用为512×512，高的有1024×1024。

        (6)探测器数目：第三代阵列探测器或第四代环形探测器的数目。 (7)球管热容量及球管焦点：见X射线及X射线管。

        二、X射线计算机体层摄影装置的组成一台完整的CT由三个主要部分构成，如图5-21所示：①数据采集系统，它包含X射线高压发生器、X射线管、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； ②汁算机及图像重建系统；③图像显示、I己录和存储系统。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 1．扫描机架CT的扫描机架南两部分组成。一是旋转部分，主要南x射线管及其冷却系统、准直器及其控制系统、滤过器、数据获取系统（包括探测器阵列）、滑环部分、高压发生器等组成。二是同定部分，主要由旋转支架、旋转控制电机及其伺服系统、机架主控电路 板组成。 扫描机架的中问是扫描孔，孔径大小500-720mm不等•患者通过床面的平移将需要 扫描的部位移至扫描孔内进行扫描。为满足不同人体不同部位检查的需要，扫描机架还可以进行±300的倾斜。

        (l)X射线管：x射线管是产生X射线的器件。CT机使用X射线管与一般X射线机 上使用的X射线管结构基本相同，也有固定阳极X射线管和旋转阳极X射线管两种。安装 时同定阳极管的长轴与探测器平行，旋转阳极X射线管的长轴与探测器垂直。固定阳极X射线管主要应用在、二代CT机中，而、二代CT机现已被淘汰。第三、四代CT扫 描机多采用旋转阳极球管，因扫描时间短，要求管电流较大，一般扫描时间为0 5-7秒，管 电流在l00-600mA，管电压在l00-140kV。旋转阳极焦点小，要求热容量大，可达3-6M个热单位，因此CT管结构、靼面材料、灯丝热变形系数、旋转轴承的自由膨胀系数、高温下的真空保持等，都要求有特殊的工艺措施才能保证在上述严格条件下正常运转。当前的CT管靶面多采用新型复合靶结构，配有较大体积的石墨基以增大热容量。外壳多为金属 或陶瓷材料，同时配有油循环系统以使产生的热量尽快扩散。部分产品采用飞焦点或动态 焦点技术。

        (2)高压系统：包括高压发生器和稳压装置。高压发生器的主要作用是给球管提供必要的管电压和管电流，以及提供旋转阳极X射线管所需的阳极启动电压。与常规X射线机 相比，对于管电压和管电流的控制CT中有它特殊的要求：

        ①管电压的波动会影响X射线能 世，X射线能量与物质的衰减系数“值密切相关，从而影响根据“值重建的图像质茧。因此，提供给x射线管的管电压和管电流必须有足够的稳定度(0 01%～0.05%)。现在多采 用高频逆变高压技术，电压一致性好、稳定、纹波干扰小，图像分辨力更高。

        ②在CT中X射 线的辐射方式有两种，一种是连续辐射X射线工作方式，多用于代、第二代CT扫捕机 中；另一种是脉冲工作方式，在整个扫描周期中间断性放射X射线，其控制方式有三种：高 压开关电路控制式、低压控制式和栅控式，其中栅控式必须使用专门的橱控X射线管。

        ③CT管电压的选择和调节不是连续的，可选择的管电压一般有80kV、100kV、110kV、 120kV、l30kV、140kV;管电流的选择和蒯节类似于X射线机的摄影方式，可选30mA、 50mA、80mA、100mA、l20mA、150mA、l75mA、200mA(不同机型的选择数值略有不同)。 为了能与扫捕运动步调一致，X射线发生器的控制必须由计算机控制，然而为了调试和维修的需要常设有手动操作控制X射线方式。

        (3)水冷系统：一般扫描架内有两个冷却电路，即X射线管冷却电路和电子线路冷却电 路。X射线管用绝缘油与空气进行软交换，扫描机架静止部分则用风冷或水冷进行热软交换。球管和机架内有热传感器把信号传给主计算机，当温度过高时，会产生中断信号，机器 停止工作，直到温度降低到正常范围才可以重新工作。同时，主计算机根据扫描参数的没定 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，操作者可通过修改扫 描方案，如缩短扫描范围，降低电流、电压，螺旋CT可用增大螺距的方法等，直到计算认 可。扫描机架内部温度一般在18-27℃，过高会影响到电子电路的热稳定性。

        2．数据获取系统数据获取系统(digital acquisition system，DAS)由探测器、缓冲器、 积分器和A/D转换器等组成。m探测器检测到模拟信号，在计算机控制下，经缓冲、积分放大后进行模数转换，变为原始的数字信号。探测器是将X射线能量转化为电信号（模拟信号）的装置，要求有高的探测效率、快的响应时间、良好的稳定性和宽的动态范围。一般CT用探测器有两种基本类型：一种是收集电离电荷的探测器，有气体和固体探测器，气体探测 器主要有电离室（如高压氙气电离室）、正比计数器等；固体探测器主要是半导体探测器。另一种是闪烁晶体探测器，结构包括闪烁晶体[如NaI(T1)、CaF1、BCO、CdWO4、陶瓷稀土氧化 物等]、光电倍增管等。数据传输一般由光导纤维将数字信息传输给计算机，可消除外界干扰。 3滤过器CT扫捕要求X射线束必须为能量均匀的硬射线，而实际上X射线管产生 的X射线能是连续的，所以必须使用专门的滤过器，位置如图5-22所示。其作用是：①吸收 低能量X射线以减少患者的受照剂量；②让穿过椭圆形人体截面的X射线强度分布均匀， 如采用凹形滤过器或蝴蝶领结形滤过器。

        4．难直器准直器的作用是决定扫描层
        厚度和吸收散射x射线'以提高图像质量,它 分为球管侧准直器（前准直器）和探测器侧准直 器（后准直器）。前准直器决定层面宽度和射线束的扇形角度。后准直器主要起到减少散射 线，配合前准直器完成切层厚度的作用。在三 代CT以后，焦点尺寸很小，经滤过器和前准直器的调整，X射线束具有很好的方向性，探测器 窗口很小，中心射线以外的散射线很难到达探头，并且因扫捕速度加快，前后准直器的协调难以同步，影响到接收质量，所以不加后准直器。

        （二）扫描床
        扫描床的设置供安放患者进行扫捕之用，由床面和底座构成。床面通常由碳索纤维做成，可减少对X射线的吸收，并有较大的载重 能力，它在安放患者时水平方向通过开关可以自由活动，但在扫捕时则南计算机控制进行步 进运动，步进一次扫描出一个层面。在螺旋CT扫描中，床面进动是连续的，可获得连续的 容积数据。扫描床的动作要求有很高的精度、准确的重复性和稳定性。 底座内置有控制床面水平和垂直运动的机械和电器部件，床面的垂直运动提供患者方便的上床和下床，这对老、弱、伤、残者尤为重耍。

        （三）扫描控制系统 扫捕控制系统(scan control unit，SCU)设置在扫描机架内，其中央处理器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。CT机的扫描过程都是在主计算机控制下，由SCU来完成，其硬件主要包括调整单元、脉冲控制、旋转控制和遮光板控制等。机架内设有各种检测探头，如旋转速度检测、机架倾角、床面位置 等，将检测信号通过数据总线传给主计算机，主计算机通过控制总线对SCU发出指令。

        （四）计算机系统CT机的计算机系统由主计算机、阵列计算机和软件组成。

        1．主计算机主计算机是中央处理系统，主要功能有：①扫捕监控，存储扫描所输人数 据；②CT值的校正和输人数据的扩展，即进行差值处理；③图像的重建控制及图像后处理； ④CT自身故障诊断。

        2．阵列计算机CT扫描速度快，数据量大，成像质量要求高，并要求实时重建，必须由专用的数据处理设备——阵列处理器来完成。

        3．软件CT的基本功能是控制CT进行扫描，对探测器所获得的数据重建，在显示器
上显示图像。①扫描软件包括：普通扫描、动态扫描、快速连续扫描、定位扫描、目标扫描等； ②图像后处理软件，如窗宽窗位的调整、多平面重组、三维重建、大或小密度投影、骨密 度测量、平滑过滤、参数测量等；◎功能软件：诊断功能、照相及存储功能、图像处理功能、机器故障诊断等。

        （五）操作控制系统及图像显示记录系统操作台( operator console，OC)是操作员与计算机对话的工作平台。扫描参数的编辑、 设定、扫描过程的控制、观察分析、患者资料的输入及机器故障诊断均在oc上完成。 图像显示由操作台上的显示器显示，或由工作站的显示器显示。记录系统由硬盘、外部 存储器等组成。辅助储存装嚣可有软盘、硬盘、光盘和磁光盘等，负责储存图像数据和患者 资料等。对CT图像的硬拷贝记录（胶片记录）昀要求是严格的，因为这些图像是诊断的依据。这就要求记录的图像有好的密度分辨率和高的空间分辨率，以区分组织在密度上的细微差异。目前主要有两种胶片记录系统：多幅照相机和激光照相机。 X射线CT扫描能对被检查的人体进行横断体层成像，解决了内部重叠显示问题， 而且能将人体各种组织对X射线的吸收系数以相当精确的数字（CT值）表示出来，因而对软组织中的病变也能正确诊断。X射线CT扫描机与常规X射线体层摄影的原理和成像方 法也完全不同，它没有纵向体层摄影时上下层模糊影像对目标体层的影响，因为它是由被检查屡各点CT值经数学方法重建出来的图像。

        三、X射线计算机体层摄影装置的演进根据CT的结构特点和发展次序而分为代、第二代、第三代、第四代和第五代CT扫描机。

        1．代CT代CT的X射线管为同定阳极，采用单管、单探测器。通过准直器 产生一笔形细束X射线，穿过人体后由对面的探测器接收。扫描方式如图5 23所示，属于平移／旋转方式。即先进行直绒（平行移动）扫描，每扫描一次采集240个透射点。然后球管 与探测器同步旋转r，再同步平移扫描进行数据采集，直到转完180。。代CT机的缺点是采集数据少，图像质量差，层面厚，成像时间长，扫捕一个层面需要3-6分钟，主要用于颅脑检查，现已被淘汰。

        2．第二代CT与代CT没有质的差别，仍然是平移／旋转型扫描方式，只是由单 一笔形X射线柬改为扇形线柬(3ο～5ο)、F由扇形排列的多个探测器（增至30个以上）代替单 一的探测器，如图5 24所示。扫描时间缩短至18秒，目前也已淘汰。

        3．第三代CT X射线管为旋转阳极，配有水或油循环冷却装置，增加了管电流，发射X射线为30ο~45ο大角度扇形束，探测器可增至360-800个并呈扇形排列，扇形角度包括整个扫捕视场。扫捕方式为旋转／旋转方式，即X射线管与探测器呈同步旋转运动，可围绕人体行360。旋转扫描，如图5-20所示。扫描时间2-4秒，成像质量显著改善，适用于全身 各部位扫描。

        4．第四代CT探测器增至800-1000个，呈环形排列且固定不动，仅X射线管作旋转运动，故称为静态／旋转方式。球管位于环内或环外，扫描速度明显增陕，可达2～5秒，从而 在克服图像伪影方面前进了一步，应用于全身扫描，如图5-26所示。

        5.电子束CT(electron beam computed tomography，EBCT) 也称为超高速CT(uI一
trafast computed tomography，UFCT)或第五代CT。由20世纪80年代初美同Imatron公 司工程师Boyd首先将电子枪应用到CT机上，取代了X射线管并制成产品问世。电子束CT主要由电子枪、聚焦线圈、偏转线圈、8排探测器群、台面高速运动的检查床和控制系统 组成，如图5 27所示。

 

        电子柬经聚焦偏转轰击平行钨靶环产生旋转的x射线源，代替了X射线管和探测器的机械运动，所以可实现高速扫描，扫描时间缩短到毫秒级，故在心脏大血管、血流检查、血管造影的CT成像方面，EBCT性能更优。随着科技的发展，EBCT会有更 广阔的发展前景。 
        6.螺旋CT(helical or spiral CT，SCT)叉称为容积CT( volumetric CT)，扫描方式类似于第三代CT(故一般不称为第六代CT)，只是球管和探测器只作单方向连续旋转扫描， 如图5-28所示，故扫描速度高于第三代和第四代CT。

        (l)滑环技术：螺旋CT机的单方向连续旋转扫描是通过滑环技术(sliVring transmissiontechnic)来实现的。滑环技术是用一个多圈滑环和一个碳刷架代替电缆，当碳刷沿滑环滑动 时，则电源经滑环与碳刷向X射线球管供电。由于X射线发生器与探测器所有的部分都安装 在一个滑环上，使滑环可单方向连续旋转，如图5 29所示。利用滑环馈人低压直流电压，并通 过组合机头内的逆变器产生高压给球管供电的方式叫低压滑环技术；利用滑环技术将高压电 流电压馈人机架内给X射线管供电的方式叫高压滑环技术。目前低压滑环技术应用较广。

 

         (2)螺旋CT扫描中有关的主要参数
        1)周数：一次数据采集中X射线球管的旋转周次。

        2)螺距：如图5-30所示。X射线管旋转一周时扫描床移动的距离。 
        3)螺距系数:X射线管旋转一周时扫描床水平方向上移动的距离Ad除以通过X射线管辐射时产生的体层切片的数目N与标称体层切片厚度T的积，又称螺距因子，或简称螺距。Cr螺距系数一△d/N×T。

        4)重建间隔：是相邻两层面的纵向距离。螺旋CT可以在一周内重建出一个或多个图 像。重建层数主要由层厚和重建间隔决定。

        5)回顾性重建：螺旋CT的一个重要特性是回顾性重建。也就是说，先收集螺旋原始 数据，然后可以在任何位置上对图像进行断层重建。这样重建出来的图像可以得到比传统 扫描好得多的纵向分辨力。

        (3)多层螺旋CT:目前，螺旋CT已经从单层螺旋CT发展到多层螺旋CT。如图5 31所示，与SSCT机相比，MSCT机的主要特征是探测器采用2D分布，目前的探测器从几排到几十排不等，扫描一周可重建产生2层、4层、8层、16层等，甚至将发展到32层和64层。 全球各厂商对于2D探测器的排列结构并不相同，以4层MSCT为例，GE公司、东芝公司 和西门子公司的多排探测器排列方式如图5-32所示。