第四章-CT成像系统B.优秀PPT.ppt

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1、4.2 4.2 X-CT成像系统组成成像系统组成 CT CT每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的出每个体素的X X线吸取系数或衰减系数，将其排列成线吸取系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵（数字矩阵（digital matrixdigital matrix），数字矩阵经过数字），数字矩阵经过数字/模拟转换器（模拟转换器（D/AD/A）把数字矩阵中的每个数字转变

2、为）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，即像素（由黑到白不同灰度的小方块，即像素（pixelpixel），也），也按矩阵排列，即构成了按矩阵排列，即构成了CTCT图像。图像。1 1CTCT成像的基本原理成像的基本原理第一台Siemens CT 扫描仪.图像获得时间图像获得时间 7 分钟分钟,图像矩阵图像矩阵80 x80 像素像素,空空间辨别率间辨别率 4LP/cm。SIRETOM (in 1974)机架机架床床高压发生器高压发生器限制台限制台计算机计算机从外表来看从外表来看.限制台限制台计算机计算机床床机架机架高压发生器高压发生器CT机架从内部看从内部看.球管球管探测器探测器

3、DAS*球管探测器DAS*Data Acquisition System(数据获得系统)CTCT机主要分以下三部分：即机主要分以下三部分：即 扫扫描系描系统统（X X线线管、探管、探测测器和器和扫扫描架）描架）;计计算机系算机系统统（数据（数据储储存、运算等）存、运算等）;图图像像显显示和存示和存储储、照相系、照相系统统。高压发生器高压发生器X线球管线球管人体模型人体模型探测器群探测器群操作控制台操作控制台多幅激光照相机多幅激光照相机电子计算机电子计算机模数转换器模数转换器内外存储器内外存储器LCD显示器显示器 CT设备的基本结构与工作原理流程设备的基本结构与工作原理流程高压限制器高压限制器主

4、要包括：主要包括：KV限制板限制板MA限制板限制板显示面板显示面板MA调整板调整板曝光限制板曝光限制板旋转阳极启动板旋转阳极启动板高压油箱高压油箱(变压器变压器)整流滤波电路整流滤波电路变频电路变频电路操作限制台与计算机操作限制台与计算机操作限制台与计算机操作限制台与计算机 扫扫描系描系统统（X X线线管、探管、探测测器和器和扫扫描架）描架）扫描机架扫描机架（gantry）内安装有）内安装有X线系统、图像采线系统、图像采集、集、X线过滤器、系统准直器等，其中线过滤器、系统准直器等，其中X线球管和数线球管和数据采集系统（据采集系统（data acquisition system，DAS）最为重）

5、最为重要。目前多数扫描机架的孔径为要。目前多数扫描机架的孔径为70cm，倾斜角度通常，倾斜角度通常为为1230。CT扫描系统的扫描机架与扫描床扫描系统的扫描机架与扫描床 扫描机架内部结构扫描机架内部结构 X线球管是线球管是CT影像设备的心脏部分，由阴极、阳极影像设备的心脏部分，由阴极、阳极和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为固定阳极和旋和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为固定阳极和旋转阳极两种。转阳极两种。固定阳极固定阳极X线球管主要应用于单束和多束形的扫描线球管主要应用于单束和多束形的扫描机中，主要用于第机中，主要用于第1、2代代CT机中；机中；旋转阳极旋转阳极X线球管主要用在扇束旋转扫描机

6、中，故线球管主要用在扇束旋转扫描机中，故在第在第3、4代代CT机中多接受此种机中多接受此种X线球管；线球管；目前，目前，CT多接受多接受2个焦点交个焦点交替工作，大大延长了替工作，大大延长了X线球管的线球管的寿命，其曝光次数由原来的寿命，其曝光次数由原来的2万万次达到次达到2550万次以上。万次以上。2003年末年末Siemens公司推出公司推出所谓的零兆阳极热容量的概念，所谓的零兆阳极热容量的概念，代表球管为代表球管为Straton电子束控金电子束控金属球管，是以属球管，是以0.37秒速度进行机秒速度进行机架旋转的球管架旋转的球管,可以实现亚毫米可以实现亚毫米满负荷扫描。满负荷扫描。Stra

7、ton电子束控金属球管外形电子束控金属球管外形 1.额定功率、热容量要大得多额定功率、热容量要大得多2.冷冷却却装装置置接接受受高高速速旋旋转转阳阳极极(转转速速10000rpm以以上上)，以以及及油循环技术油循环技术3.目目前前CT中中运运用用X线线管管的的最最大大功功率率为为100kW，最最高高热热容容量量可达可达7.5MHu。4.栅栅控控式式X线线管管使使扫扫描描时时X线线管管间间断断的的放放射射X射射线线，称称为为脉脉冲冲工工作作方方式式。栅栅控控式式栅栅控控阳阳极极X线线管管(即即在在X线线管管靠靠近近灯灯丝丝旁边做一个特地的限制栅极旁边做一个特地的限制栅极)5.管管电电压压和和管管

8、电电流流必必需需有有足足够够的的稳稳定定度度。CT扫扫描描机机中中一一般般接接受受闭闭环环反反馈馈方方法法稳稳定定X线线管管的的电电压压和和电电流流，使使其其误误差差限限制在制在0.010.05范围内。范围内。CT中中X线管线管与与X线机的线机的X线球管相比线球管相比1X线球管的热容量与散热率线球管的热容量与散热率热容量的单位热容量的单位MHU，X线球管的热容量越大，表示可承受线球管的热容量越大，表示可承受的工作电流越大，连续工作的时间也越长；的工作电流越大，连续工作的时间也越长；散热率的单位是散热率的单位是kHU，散热率越高，说明，散热率越高，说明X线球管的性能线球管的性能越好。越好。如：如

9、：TOSHIBA公司的公司的Aquilion 16排排MSCT的的X线球管热容线球管热容量达到量达到7.5MHU，散热率达到，散热率达到1386KHU/min；而；而GE公司的公司的64排排LightSpeed VCT的的X线球管热容量达到线球管热容量达到8.0MHU,散热散热率超过率超过2100KHU/min。2扫描时间、重建时间和周期时间扫描时间、重建时间和周期时间 CT扫描时间是指扫描时间是指X线球管以确定的层厚围绕人体旋转扫线球管以确定的层厚围绕人体旋转扫描一周（描一周（360）所须要的时间。扫描时间取决于）所须要的时间。扫描时间取决于X线球管旋线球管旋转的速度与实力，以往的转的速度与

10、实力，以往的CT扫描时间为扫描时间为1s、2s、3s或更长，或更长，现在已实现了亚秒扫描。现在已实现了亚秒扫描。如如GE公司公司LightSpeed Plus 16排排CT的扫描时间为的扫描时间为0.5s；Philips公司的公司的Brilliance 16排排CT最短扫描时间可达最短扫描时间可达0.42s；扫描时间的缩短可以削减病人的检查时间，提高单位时扫描时间的缩短可以削减病人的检查时间，提高单位时间内病人的检查量，还能削减不协作病人的运动伪影等。间内病人的检查量，还能削减不协作病人的运动伪影等。重建时间是指计算机的阵列处理器将重建时间是指计算机的阵列处理器将CT扫描的原始数据重扫描的原始

11、数据重建成图像所须要的时间。目前，由于计算机功能的异样强建成图像所须要的时间。目前，由于计算机功能的异样强大大,CT图像的重建速度有了大幅度提升，如先进的图像的重建速度有了大幅度提升，如先进的16排排MSCT能够在能够在1秒重建出秒重建出12幅幅512512的图像。的图像。图像扫描与重建时间图像扫描与重建时间图像扫描与重建时间图像扫描与重建时间7 7分钟分钟分钟分钟 图像扫描与重建时间图像扫描与重建时间图像扫描与重建时间图像扫描与重建时间7 7秒秒秒秒周期时间是指从周期时间是指从CT扫描起先、图像的重建、直到图像的显示扫描起先、图像的重建、直到图像的显示这一全过程所须要的时间。这一全过程所须要

12、的时间。最大连续扫描时间是指螺旋最大连续扫描时间是指螺旋CT扫描时的扫描时的X线球管连续、不间线球管连续、不间断曝光时间的长短。该时间的长短不仅与断曝光时间的长短。该时间的长短不仅与X线球管的热容量线球管的热容量和散热率因素有关，还与和散热率因素有关，还与DAS数据采集的速度、计算机的处数据采集的速度、计算机的处理实力等因素有关。目前的多层螺旋理实力等因素有关。目前的多层螺旋CT最大的连续扫描时间最大的连续扫描时间可以超过可以超过100秒。秒。大功率、高热容量和散热率的大功率、高热容量和散热率的X线管线管GE的球管的球管TOSHIBA的球管的球管数据采集系统（数据采集系统（Data Acqui

13、sition System）作作用是测量用是测量X射线束，并将这些数据编码成二进制射线束，并将这些数据编码成二进制数据，送往计算机进行运算。数据，送往计算机进行运算。1.前前置置放放大大器器(对对数数放放大大器器)从从探探测测器器接接收收到到的的信信号号,运运用用高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器进行放大和阻抗变换。进行放大和阻抗变换。2.积积分分器器在在 CT 扫扫描描过过程程中中测测量量的的是是每每个个角度下的角度下的 X 线光子的总和线光子的总和。3.多多路路转转换换器器 各各路路积积分分器器输输出出信信号号经经多多路路混混合合器器变变成成一一路路,运运用用共共同同的的A/D

14、转转换换器器转转变为数字信号。变为数字信号。徐瑞4.A/D 转换器转换器 A/D 转换器是将连续模拟时域信号转转换器是将连续模拟时域信号转变为离散的数字序列。变为离散的数字序列。A/D 转换的方法转换的方法有多种有多种,最常用的有双积分式最常用的有双积分式A/D 转换转换器和逐次靠近式器和逐次靠近式 A/D 转转 换器。换器。A/D 转换器的主要指标转换器的主要指标 1)转换速度转换速度 2)变换精度和动态范围变换精度和动态范围徐瑞探测器（探测器（detector）是）是DAS系统中重要的部系统中重要的部件。探测器组件是由性能完全相同的探测器件。探测器组件是由性能完全相同的探测器单元排列而成单

15、元排列而成,每个探测器对应着一束窄的每个探测器对应着一束窄的 X 线线,假如有假如有 N 个探测器单元个探测器单元,那么一次就那么一次就可同时获得可同时获得 N 个投影数据。个投影数据。探测器探测器主要功能有：主要功能有：接收透过病人检查部位的接收透过病人检查部位的X射线；射线；将接收到的将接收到的X线转换成模拟形式的电子信号；线转换成模拟形式的电子信号；将模拟信号放大；将模拟信号放大；将模拟信号转换成数字信号（将模拟信号转换成数字信号（A/D转换器）。转换器）。2探测器的数量探测器的数量 探测器是位于探测器是位于X线球管和计算机系统之间重要的数据线球管和计算机系统之间重要的数据检测部件。一般

16、来说，探测器的数量越多，采集到的扫描检测部件。一般来说，探测器的数量越多，采集到的扫描数据就越多，可提高数据就越多，可提高X射线的利用率，相应的缩短扫描时射线的利用率，相应的缩短扫描时间和提高图像的质量。间和提高图像的质量。比如比如GE公司公司LightSpeed 16排排MSCT的探测器系统共有的探测器系统共有24排矩阵式探测器组合，每排有排矩阵式探测器组合，每排有912个稀土陶瓷探测器，共个稀土陶瓷探测器，共有有21，888个探测器。个探测器。CT 中常用的探测器类型有两种:一种是利用X射线能使某些物质闪烁发光的特性来探测X射线的装置，将该收集荧光的探测器,称闪烁晶体探测器。另一种是收集气

17、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。徐瑞探测器探测器-闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器 利用某些晶体受到照射后发光的特征制成的，常用的闪利用某些晶体受到照射后发光的特征制成的，常用的闪烁晶体有碘化钠等，具有残光少，转换效率高，性能稳定等烁晶体有碘化钠等，具有残光少，转换效率高，性能稳定等优点。优点。工作原理是：当工作原理是：当X线照射到晶体后，原子接收线照射到晶体后，原子接收X线光量线光量子的能量，产生激发或电离，处于激发状态的原子返回到原子的能量，产生激发或电离，处于激发状态的原子返回到原来的基态时，即释放出能量，这种能量会以荧光

18、光子的形态来的基态时，即释放出能量，这种能量会以荧光光子的形态出现，经过光导传给光电倍增管的光电阴极上，使其上的光出现，经过光导传给光电倍增管的光电阴极上，使其上的光电敏感物质发出光电子，聚焦后投射到光电倍增管的联极进电敏感物质发出光电子，聚焦后投射到光电倍增管的联极进一步增大打在阳极上，并在输出电阻上形成一个电压脉冲反一步增大打在阳极上，并在输出电阻上形成一个电压脉冲反馈到检测电路。馈到检测电路。光电倍增管光电倍增管 光电倍增管是一种光电转换器件光电倍增管是一种光电转换器件,通过它可把通过它可把光子转换成电子。光子转换成电子。徐瑞 气体探测器是利用气体气体探测器是利用气体(一般接受化学性能一

19、般接受化学性能稳定的惰性气体稳定的惰性气体)电离的原理电离的原理,当当X X线进入探测器线进入探测器时，极板间的氙气被电离形成带电离子，在电场时，极板间的氙气被电离形成带电离子，在电场作用下，带电离子沿着电场线形移动形成电流，作用下，带电离子沿着电场线形移动形成电流，该电流在外电路电阻中产生一个电压信号，输送该电流在外电路电阻中产生一个电压信号，输送到检测电路。到检测电路。探测器探测器-气体电离室探测气体电离室探测器器到到DAS电信号电信号氙气氙气探测器探测器X-rayCT 设备的计算机系统设备的计算机系统 1.限制整个限制整个 CT 系统的运行系统的运行 2.2.图像重建一幅图像重建一幅 C

20、T 图像的重建须要数百万图像的重建须要数百万次的数学运算。次的数学运算。徐瑞 计算机系统计算机系统CTCT的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。主计算机限制主计算机限制CTCT整个系统的正常工作。其主要的功能整个系统的正常工作。其主要的功能有：有：扫描监控，并将扫描监控，并将CTCT扫描得到的数据进行存储；扫描得到的数据进行存储；CTCT值的校正；值的校正；图像的重建限制与图像后处理；图像的重建限制与图像后处理；CTCT机自身故障的诊断与分析。机自身故障的诊断与分析。阵列处理器（阵列处理器（Array Array Processor,APPro

21、cessor,AP）：）：本身不能独立工作，本身不能独立工作，它与主计算机相连，它与主计算机相连，在其限制下进行高在其限制下进行高速的数据运算以完速的数据运算以完成成CTCT扫描的浩大数扫描的浩大数据量的处理与运算。据量的处理与运算。Philips 16排排MSCT影像设备的影像设备的AP柜柜 CPU 3.06GHzHard Disk 146GB图图像像显显示与存示与存储储CTCT图像的显示：图像的显示：由操作台上的由操作台上的CRTCRT屏显示，目前多层屏显示，目前多层螺旋螺旋CTCT多配有高性能的工作站（多配有高性能的工作站（workstationworkstation），也），也可以在工

22、作站的显示屏上显示。可以在工作站的显示屏上显示。CTCT图像的记录系统：图像的记录系统：系统硬盘、外部存储器等构成。系统硬盘、外部存储器等构成。CTCT图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁光盘、软盘以及各种照相机等。光盘、软盘以及各种照相机等。CT图像的显示（图像的显示（imaging display）可以由操作）可以由操作台上的台上的LCD屏显示（单屏或双屏），目前多层螺旋屏显示（单屏或双屏），目前多层螺旋CT多配有高性能的工作站（多配有高性能的工作站（workstation），也可以），也可以在工作站的显示屏上显示图像，并利用工作站的应在

23、工作站的显示屏上显示图像，并利用工作站的应用软件进行图像的后处理和照相等工作。用软件进行图像的后处理和照相等工作。（4）CT扫描方式扫描方式（5）计算机硬磁盘容量）计算机硬磁盘容量（6）矩阵）矩阵 矩阵（矩阵（matrix）是数字图像的格式，矩阵的大小干脆确）是数字图像的格式，矩阵的大小干脆确定了定了CT图像像素的大小与辨别率，矩阵与像素大小的关系：图像像素的大小与辨别率，矩阵与像素大小的关系：像素（像素（mm）=扫描野（扫描野（FOV）mm/矩阵。矩阵。矩阵包括重建矩阵和显示矩阵。早期矩阵包括重建矩阵和显示矩阵。早期CT机的矩阵较小，一般机的矩阵较小，一般为为256256，320320等；目

24、前的等；目前的CT机的矩阵增加到机的矩阵增加到512512，10241024；还有的；还有的CT机的重建矩阵为机的重建矩阵为512512，而显示，而显示矩阵为矩阵为10241024，对于显示的，对于显示的CT图像而言，其矩阵的大小图像而言，其矩阵的大小不能小于重建矩阵。不能小于重建矩阵。无论无论CT图像实行何种介质存储，最终还必需图像实行何种介质存储，最终还必需供应一种途径产生硬拷贝，即供应一种途径产生硬拷贝，即CT影像胶片。影像胶片。早期的早期的CT机多运用多幅照相机，目前已经被机多运用多幅照相机，目前已经被淘汰。淘汰。激光照相机则以速度快、连续批量打印，成像激光照相机则以速度快、连续批量打

25、印，成像清晰、辨别率高，集成度高、网络化和明室操作等清晰、辨别率高，集成度高、网络化和明室操作等优点，现在已经成为医学影像设备常用的硬拷贝工优点，现在已经成为医学影像设备常用的硬拷贝工具。具。(一一)CRT 型多幅照相机型多幅照相机徐瑞(二二)激光型多幅照相机激光型多幅照相机 激光型多幅照相机即激光照相机激光型多幅照相机即激光照相机,因诊断、因诊断、阅片的须要，常用激光照相机把数字阅片的须要，常用激光照相机把数字X线图线图像记录在胶片上，下面说明其基本结构、工像记录在胶片上，下面说明其基本结构、工作原理和特点。下面是激光照相机结构示意作原理和特点。下面是激光照相机结构示意图。图。徐瑞激光照相机

26、结构示意图激光照相机结构示意图 徐瑞1.基本结构和功能基本结构和功能(1)激激光光发发生生器器:是是胶胶片片打打印印的的能能量量来来源源,常常用用半导体激光器和气体激光器。半导体激光器和气体激光器。(2)光光调调制制器器:以以计计算算机机输输入入的的数数字字图图像像信信号号调调制激光强度。制激光强度。(3)光光学学扫扫描描器器:由由摇摇摆摆式式反反光光镜镜或或多多面面体体旋旋转转式反光镜组成式反光镜组成,使激光束扫描胶片。使激光束扫描胶片。(4)胶胶片片传传输输系系统统:保保证证胶胶片片依依据据与与扫扫描描激激光光束束垂垂直直的的方方向向高高精精度度地地移移动动,由由电电动动机机、引引导导轴轴

27、、打打印滚筒等组成。印滚筒等组成。(5)供供片片库库:储储存存未未感感光光的的胶胶片片,可可容容纳纳 100-200 张。张。2.工作原理工作原理 胶片在传送系统限制下朝一胶片在传送系统限制下朝一个方向高精度地移动个方向高精度地移动,同时激光束相对于胶片同时激光束相对于胶片移动方向反复作垂直扫描移动方向反复作垂直扫描,因此激光束是以二因此激光束是以二维方式依次扫描整张胶片。维方式依次扫描整张胶片。激光束的光强度受激光束的光强度受计算机输出的数字图像信号调制。激光束经旋计算机输出的数字图像信号调制。激光束经旋转多面镜的反射作转多面镜的反射作 线扫描线扫描,装载胶片的打印滚装载胶片的打印滚筒和激光

28、束动作同步筒和激光束动作同步,胶片在激光束的照射下胶片在激光束的照射下曝光形成平片图像。曝光形成平片图像。徐瑞 以第以第3代代CT为例说明为例说明CT成像的基本步骤与过程，即产生成像的基本步骤与过程，即产生X线线收集数据收集数据处理数据处理数据显示图像。显示图像。X线的产生是在高压发生器作用下由线的产生是在高压发生器作用下由X线球管发出的。在线球管发出的。在CT扫描过程中扫描过程中X线穿过人体后由探测器接受，收据数据系统线穿过人体后由探测器接受，收据数据系统（DAS）每秒种向探测器取样）每秒种向探测器取样984次，每次取样可以认为是次，每次取样可以认为是一次投影，总投影数一次投影，总投影数=每

29、秒取样数每秒取样数扫描速度（扫描速度（S）。）。例如例如:第第3代代CT机机DAS内共有内共有47块模拟滤过器板，每块板块模拟滤过器板，每块板上有上有16个通道，则共有个通道，则共有752个通道，每个通道每秒采样次数个通道，每个通道每秒采样次数为为984次，这些采样数据传送到重建和数据收集处理器次，这些采样数据传送到重建和数据收集处理器（RDCP），经过暂存、过滤处理后送到磁盘上保存。），经过暂存、过滤处理后送到磁盘上保存。数据处理和图像重建的基本过程是：数据处理和图像重建的基本过程是：（1）由数据收集系统（）由数据收集系统（DAS）采集的投影数据，首先送到）采集的投影数据，首先送到A/D转换

30、器。转换器。（2）阵列处理器（）阵列处理器（AP）的输入）的输入/输出处理器（输出处理器（IOP）接收）接收DAS的投影数据，必要时进行数据的压缩和重定格式处理，的投影数据，必要时进行数据的压缩和重定格式处理，然后再将这些数据传送到主存储器的缓冲器中。然后再将这些数据传送到主存储器的缓冲器中。（3）AP的运算单元由存储传输处理器、超高速缓冲存储器、的运算单元由存储传输处理器、超高速缓冲存储器、数字转换处理器和算术运算单元等构成，它们将被滤过的投数字转换处理器和算术运算单元等构成，它们将被滤过的投影数据再传送到反投影系统。影数据再传送到反投影系统。（4）反投影限制器将接收到的投影数据安排到反投影

31、板上）反投影限制器将接收到的投影数据安排到反投影板上的各个单元，每个反投影单元（包含三个存储器，分别是的各个单元，每个反投影单元（包含三个存储器，分别是E存储器、存储器、L存储器和存储器和H存储器）容纳的数据可从一个投影到六存储器）容纳的数据可从一个投影到六个投影，并被同时存储起来。个投影，并被同时存储起来。（5）在主存储器中，）在主存储器中，AP软件为影像数据建立有一个分区，软件为影像数据建立有一个分区，在投影数据被送到反投影单元后，影像数据已经为处理作好在投影数据被送到反投影单元后，影像数据已经为处理作好准备，反投影限制器接收影像数据并将它们送到反投影板进准备，反投影限制器接收影像数据并将

32、它们送到反投影板进行处理。行处理。（6）影像数据与每个反投影单元的结果一起传送到每个反）影像数据与每个反投影单元的结果一起传送到每个反投影板进行求和运算，在离开最终一个反投影单元后，影像投影板进行求和运算，在离开最终一个反投影单元后，影像数据返回主存储器，等待下一组投影数据的装入。数据返回主存储器，等待下一组投影数据的装入。（7）在影像数据被输送到主控计算机之前，合成扫描影像）在影像数据被输送到主控计算机之前，合成扫描影像须要运算单元进行处理和统一换算。须要运算单元进行处理和统一换算。（8）最终，这些合成的像素数据被输送到主控计算机进行）最终，这些合成的像素数据被输送到主控计算机进行存储和显示。存储和显示。