医学影像设备学第5章-CT成像设备教学文案.ppt
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1、第五章 X线计算机体层成像设备(shbi)医学影像设备(shbi)学第一页,共138页。前言(qin yn)1917年,丹麦数学家雷当(J.Radon)从数学上证明:某种物理参量的二维分布函数由该函数在其定义域内的所有线积分完全确定。该研究结果的意义在于:确定一个物理参量,寻找(xnzho)该物理参量的线积分,获得所有方向的线积分,就能够求得该二维分布函数。X线计算机体层成像设备就成为了实现这一理论的先行者,并为医学影像的发展带来了一场革命性变革。第二页,共138页。第一节 概 述第三页,共138页。目录(ml)一、发展(fzhn)简史(一)CT的诞生(二)CT发展(fzhn)历程回顾二、发展
2、(fzhn)趋势(一)硬件发展(fzhn)趋势(二)软件发展(fzhn)趋势第四页,共138页。第一节 概述(i sh)CT的概念:计算机断层扫描(computed tomography或computerized tomography)简称CT。CT是指利用计算机来获取人体某一层组织结构的X线影像。CT摄取的是人体横向层面组织结构的影像,是人体上下(shngxi)重叠组织结构中我们所感兴趣的那一层组织的影像。第五页,共138页。第一节 概述(i sh)(一)CT的诞生 1.1917年,丹麦数学家雷当(J.Radon)从数学上证明:某种物理参量的二维分布函数由该函数在其定义域内的所有线积分完全确
3、定。2.1938年,汉堡C.H.F.Mubler的弗兰克(Gabrial Frank)首次在一项专利中描述图像(t xin)重建法在X线诊断中的应用。3.1956年,布雷斯韦尔(Bracewell)第一次将一系列由不同方向测得的太阳微波发射数据运用图像(t xin)重建的方法,绘制了太阳微波发射图像(t xin)。第六页,共138页。第一节 概述(i sh)4.1961年,奥顿道夫(William H.Oldendorf)采用聚焦成一束的131I放射源完成了著名的旋转位移试验,向人们揭示了获取投影数据(shj)的基本原理与方法。5.1963年,美国的科马克(Allan M.ormack)以人体
4、组织对X线的线性吸收系数为物理参量,用X线投影作为人体组织对X线线性吸收系数的线积分,研究出了重建图像的数学方法。第七页,共138页。第一节 概述(i sh)G.N.HounsfieldAllan M.Cormack第八页,共138页。第一节 概述(i sh)第一台CT在EMI公司诞生,并与1971年9月第一台CT设备(shbi)安装在英国的阿特金逊-莫利医院。Hounsfield和Jamie Ambrose共同完成了临床试验,验证了X线影像与相应位置人体解剖结构的一致性。1972年11月,在北美放射学会(RSNA)年会上向全世界宣布了他的这一具有划时代意义的重大发明。1979年Hounsfi
5、eld和Cormack一起获得诺贝尔生理学医学奖。第九页,共138页。第一节 概述(i sh)(二)CT发展(fzhn)历程回顾第一代CT 设备 多属于头部专用机,采用平移(translation)+旋转(rotation)扫描方式(T/R扫描方式)。第一代CT设备(shbi)第十页,共138页。第一节 概述(i sh)第二代CT设备 采用T/R扫描方式,在第一代的基础上,将其单一笔形X线束改为窄扇形线束,探测器数目(shm)也增加到330个。第二代CT设备(shbi)第十一页,共138页。第一节 概述(i sh)第三代CT设备 采用旋转+旋转扫描方式,即R/R扫描方式。使X线管和探测器作为整
6、体只围绕受检者作旋转运动来进行数据采集(cij),X线束为3045的扇形束。第三代CT设备(shbi)第十二页,共138页。第一节 概述(i sh)第四代CT设备(shbi)采用静止(stationarity)+旋转扫描方式(S/R扫描方式)。它用600个探测器紧密地排成圆周。第四代CT设备(shbi)第十三页,共138页。第一节 概述(i sh)第五代CT设备 采用静止(jngzh)+静止(jngzh)扫描方式,即S/S扫描方式,突出特点是X线管和X线探测器都是静止(jngzh)的。第五代CT设备(shbi)第十四页,共138页。第一节 概述(i sh)螺旋CT设备 滑环技术(jsh)(sl
7、ip-ring technique)和高频(high frequency)X线发生装置的应用。滑环技术(jsh)结构 螺旋设备第十五页,共138页。第一节 概述(i sh)各代CT的主要(zhyo)特征第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代螺旋螺旋扫描方式扫描方式探测器数探测器数X X线束扇线束扇角(角()扫描时间(扫描时间(s)每次层数每次层数T/RT/R1 1笔形笔形_ _2402403001 1T/RT/R3 330窄扇形窄扇形3 32620202101 1R/RR/R256256720扇形扇形2121453 3101 1S/RS/R45457200广角扇形广角扇形
8、48481201 151 1S/SS/S15001500以上以上锥形锥形3030450.030.030.128 R/RR/R512512以上以上扇形或锥扇形或锥形形3030450.350.3511 1128第十六页,共138页。第一节 概述(i sh)二、发展趋势(一)硬件(yn jin)的发展 1.加快扫描速度 2.提高图像质量 影响CT图像质量的因素:X线源特性和探测器的性能 扫描数目和速度 图像重建所用的算法 数据表达与显示方法第十七页,共138页。第一节 概述(i sh)3.降低剂量 迭代重建技术(ASIR)心自动滤线器技术、ECG 自动毫安技术、三维立体自动毫安技术、电子采集器技术及
9、4D 实时剂量调节方法等技术应用。4.缩小体积(tj)5.简化操作 6.提高工作效率第十八页,共138页。第一节 概述(i sh)(二)软件发展趋势 1.血管成像 门控技术的应用是CT临床技术的质的飞跃(fiyu)2.三维图像重建 3.CT引导下的介入治疗 4.仿真内镜 5.放疗计划第十九页,共138页。第二节 成像系统(xtng)医学影像设备(shbi)学第二十页,共138页。目录(ml)一、投影数据获取(huq)装置二、计算机和图像重建系统 第二十一页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT设备主要三部分组成:数据采集部分、图像重建部分和图像显示与保存部分1.数据采集部分:X线发生装
10、置与X线管、探测器及A/D转换器与接口电路(dinl)、设备架等;2.图像重建部分:图像重建单元、数据存储装置等;3.图像显示与保存部分:图像显示器、多幅相机、图像存储装置(硬盘、刻录光盘)、中央系统控制器、检查床。第二十二页,共138页。第二节 成像系统(xtng)一、投影数据获取装置一、投影数据获取装置(一)(一)X X线发生装置线发生装置1.1.高压发生器高压发生器 传统传统CTCT:高压发生器独立于扫描:高压发生器独立于扫描(somio)(somio)架以外。架以外。发生器与发生器与X X线管之间的电信号联系由高压电缆完成。线管之间的电信号联系由高压电缆完成。滑环技术螺旋滑环技术螺旋C
11、TCT机:采用高频逆变高压发生器,安机:采用高频逆变高压发生器,安装在设备架内。输出波形平稳,体积小,重量轻。装在设备架内。输出波形平稳,体积小,重量轻。第二十三页,共138页。第二节 成像系统(xtng)高压发生器的功率:高档CT机50100KW;中档CT机3545KW机;低档(ddng)CT机2030KW。CT机的管电压一般在80140KV可调。第二十四页,共138页。第二节 成像系统(xtng)2.CT X线管 CT X线管也有固定(gdng)阳极X线管和旋转阳极X线管两种。固定(gdng)阳极管的长轴与探测器平行;旋转阳极X线管的长轴则与探测器垂直。第二十五页,共138页。第二节 成像
12、系统(xtng)旋转阳极X线管发射方式分连续发射和脉冲发射两种,多采用脉冲发射。脉冲发射的优点:(1)可以使投影数与被测物体的要求相匹配,并可以通过控制射线脉冲持续时间来调节对清晰度产生不良影响的测量路径;(2)可以在脉冲间歇(jin xi)时间内自动地进行每个测量通道的零点校准,因此可以避免由于测量电子原件工作点的飘移造成的信号误差;第二十六页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(3)其它条件相同的情况下,信号强度高,与连续工作方式相比,有较好的信噪比,特别是在物体直径大时能获得噪声小的图像;(4)可以利用适当的发生器来切换从一个脉冲到另一个脉冲的X线管电压,这样可以在测量(cling
13、)系统旋转一周时绘制出两幅不同能量的图像,有效的应用双谱线法摄制出几何学上完全相同的双谱线图像;(5)可以减少球管产热量和降低受检者的照射量。第二十七页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT 旋转(xunzhun)阳极X线管特点:功率大,热容量高。冷却方式:采用油循环加风冷却的双重冷却方式。第二十八页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT管球焦点:1mm 高速旋转阳极管焦点小,约为0.6mm。转速约为3600转/min,或10000转/min左右(zuyu)。CT用X线管的热容量可高达8MHU,而名为Straton的电子束控金属X线管更号称是0 MHU的X线管,这种X线管散热率
14、高达4.7 MHU/min第二十九页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT 管及冷却管及冷却(lngqu)外形外形电子束控金属电子束控金属(jnsh)球管球管第三十页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(二)准直器(二)准直器(collimatorcollimator)与滤过器()与滤过器(filterfilter)1.X1.X线准直器线准直器 X X线准直器的作用有三点:线准直器的作用有三点:(1 1)限定成像的空间)限定成像的空间(kngjin)(kngjin)范围(限定断层层范围(限定断层层厚)厚)(2 2)降低受检者的表面辐射剂量)降低受检者的表面辐射剂量 (3 3)减少
15、进入探测器的散射线)减少进入探测器的散射线第三十一页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT的准直的准直(zhn zh)器器CTCT准直准直(zhn zh)(zhn zh)器控制示意图器控制示意图第三十二页,共138页。第二节 成像系统(xtng)2.X线滤过器 X线滤过器的作用是:(1)吸收低能X线(软射线);(2)使X线束通过滤过器和均匀圆形成像物体(水模,water phantom)后,变成能量(nngling)分布均匀的硬射线束。滤过器形状设计为楔形或“BOWTIE”形。第三十三页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT的滤过(l u)器(1)(2)第三十四页,共138页。
16、第二节 成像系统(xtng)(三)探测器(三)探测器 探测器类型有两种:探测器类型有两种:一种是气体探测器;一种是气体探测器;另一种是荧光固体另一种是荧光固体(gt)(gt)探测器。探测器。荧光固体荧光固体(gt)(gt)探测器又分为两种:探测器又分为两种:闪烁探测器闪烁探测器稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器X X线吸收利用率可达线吸收利用率可达99%99%。第三十五页,共138页。第二节 成像系统(xtng)1.探测器的特性(1)检测效率(efficiency):是指探测器从X线束吸收能量的百分数。影响探测器检测效率的因素有两个(lin):几何效率和吸收效率1)几何效
17、率(geometrical efficiency):是由每个探测器的孔径和相关的每个探测器所占总空间的比来决定的。第三十六页,共138页。第二节 成像系统(xtng)2)吸收效率(xio l)(absorption efficiency):是指X线辐射进入探测器而被吸收的百分率。3)总检测效率(xio l):是几何效率(xio l)和吸收效率(xio l)的乘积。决定探测器检测效率(xio l)的诸因素第三十七页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(2)稳定性(stabilization):是指探测器的重复性和还原性。(3)响应时间(response time):是指探测器接受、记录和输
18、出一个信号所需的时间。(4)准确性(accurateness)与线性(linearity)(5)一致性(consistency)(6)动态范围(dynamic range):指探测器能够(nnggu)测量识别的最大信号与最小信号之比。第三十八页,共138页。第二节 成像系统(xtng)2.探测器的种类主要有以下(yxi)几种类型:疝气探测器、闪烁探测器。(1)疝气探测器:是利用化学性能稳定的惰性气体在X线等电离辐射的作用下产生电离的原理进行探测,由惰性气体和气体电离室构成。第三十九页,共138页。第二节 成像系统(xtng)高压(goy)氙气探测器的结构第四十页,共138页。第二节 成像系统(
19、xtng)气体探测器从工作(gngzu)方式上可分为比例计数型和电离室型。氙气检测器的电离(dinl)特性第四十一页,共138页。第二节 成像系统(xtng)气体探测器的优点:稳定性高、一致性好、响应时间短、没有余辉问题以及价格便宜;缺点:需要恒温来保证气压(qy)的稳定、检测效率相对较低以及需要高mAs来获得足够强的信号,且宜受外界电场、震动干扰产生伪影,有饱和现象。第四十二页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(2)闪烁探测器:是利用射线(shxin)能使某些物质产生闪烁荧光的特性来探测射线(shxin)的装置。闪烁(shn shu)探测器的结构示意图第四十三页,共138页。第二节
20、成像系统(xtng)3.各类探测器的特性比较(bjio)第一、二、四代CT机一般采用闪烁探测器,第三代与螺旋CT机采用气体探测器或闪烁探测器。特性偏重:(1)温度特性 (2)噪声 (3)饱和现象 (4)散射线准直 (5)剂量利用率第四十四页,共138页。第二节 成像系统(xtng)4.多排探测器多层CT(multi-slice CT,MSCT)是指通过一周扫描可以同时获得多层图像的CT,多采用稀土陶瓷(toc)探测器。多排探测器可分为等宽阵列与非等宽阵列,又称固定阵列与自适应阵列两类。第四十五页,共138页。第二节 成像系统(xtng)多排检测器示意图第四十六页,共138页。第二节 成像系统(
21、xtng)多排探测器内部结构多排探测器外形(wi xn)第四十七页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(四)数据采集(四)数据采集(cij)(cij)系统系统 数据处理主要由前置放大器、对数放大器、积分器、数据处理主要由前置放大器、对数放大器、积分器、多路转换器、模多路转换器、模/数转换器、接口电路等构成。数转换器、接口电路等构成。作用:将探测器输出的微弱电信号经放大后,再经作用:将探测器输出的微弱电信号经放大后,再经ADCADC转换为计算机能够识别的数字信号,并经接口电路转换为计算机能够识别的数字信号,并经接口电路将此数字信号输入计算机。将此数字信号输入计算机。第四十八页,共138页。
22、第二节 成像系统(xtng)数据采集数据采集(cij)(cij)系统框图系统框图第四十九页,共138页。第二节 成像系统(xtng)双积分双积分(jfn)(jfn)式式A/DA/D转换器工作原理图转换器工作原理图逐次逐次(zh c)(zh c)逼近式逼近式A/DA/D转换器转换器第五十页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(五)扫描机架(五)扫描机架CTCT的设备架由两部分组成。的设备架由两部分组成。一是旋转一是旋转(xunzhun)(xunzhun)部分,主要由部分,主要由X X线管及其冷线管及其冷却系统、准直器及其控制系统、滤过器、探测器、却系统、准直器及其控制系统、滤过器、探测器、
23、数据处理装置、滑环部分、高压发生器(低压滑环数据处理装置、滑环部分、高压发生器(低压滑环式式SCTSCT)等组成。)等组成。二是固定部分,主要由旋转二是固定部分,主要由旋转(xunzhun)(xunzhun)支架,旋支架,旋转转(xunzhun)(xunzhun)控制电机及其伺服系统,机架主控控制电机及其伺服系统,机架主控电路板组成。电路板组成。第五十一页,共138页。第二节 成像系统(xtng)扫描机架扫描机架结构图结构图第五十二页,共138页。第二节 成像系统(xtng)(六)扫描床(六)扫描床 扫描床由床面和底座构成,它的运动一般由两个扫描床由床面和底座构成,它的运动一般由两个电机控制:
24、一个是床身升降电机;另一个是床面水电机控制:一个是床身升降电机;另一个是床面水平移动电机。平移动电机。扫描床水平定位设计精度扫描床水平定位设计精度(jn d)(jn d)不大于不大于0.1 mm0.1 mm。床面板是碳素纤维,强度高,质量轻。床面板是碳素纤维,强度高,质量轻。第五十三页,共138页。第二节 成像系统(xtng)床高度指示:显示(xinsh)范围大多0550mm 或4501000mm。床水平运行指示和精度:01800 mm或02000mm.显示(xinsh)误差 5 mm.自动移动精度误差 0.25mm。第五十四页,共138页。第二节 成像系统(xtng)CT 检查检查(jinc
25、h)床与扫描架内部结构床与扫描架内部结构第五十五页,共138页。第二节 成像系统(xtng)二、计算机和图像重建系统二、计算机和图像重建系统 计算机在计算机在CTCT中的功能:控制整个中的功能:控制整个CTCT系统的运行、系统的运行、图像图像重建、图像处理重建、图像处理(t xin ch l)(t xin ch l)、故障诊断及分析。、故障诊断及分析。(一)基本结构与特点(一)基本结构与特点 计算机系统的基本组成:计算机系统的基本组成:控制部分、图像重建单元、图像显示、数据存储。控制部分、图像重建单元、图像显示、数据存储。第五十六页,共138页。第二节 成像系统(xtng)特点(tdin):1
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