計算機體層攝影CT課件(南醫(yī)大)

1、X線計算機體層成像設(shè)備CT: computed tomography computerized tomography計算機體層照相術(shù)計算機斷層照相術(shù)計算機控制斷層掃描術(shù) X線是波長很短的電磁波，以光的速度沿直線前進，其波長范圍為0.000650nm。目前X線診斷常用的X線波長范圍為0.008-0.0031nm。(相當(dāng)于40150kv)，在電磁輻射譜中，居射線與紫外線之間，比可見光的波長要短得多，肉眼看不見。 同X射線有關(guān)的諾貝爾獎X X射線射線X X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，倫琴發(fā)現(xiàn)。 X射線是波長極短的電磁波，它不會被磁場偏轉(zhuǎn)，具有很強的穿透力，而且波長越短，穿透力越強。0.

2、1nm：軟X射線。 倫琴發(fā)現(xiàn)X射線使X射線研究迅速升溫，幾乎所有的歐洲實驗室都立即用X射線管來進行試驗和拍照。幾個星期之后，X射線已開始被醫(yī)學(xué)家利用。醫(yī)生應(yīng)用X射線準(zhǔn)確地顯示了人體的骨骼，這是物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)中最迅速的應(yīng)用。隨后，創(chuàng)立了用X射線檢查食道、腸道和胃的方法，受檢查者吞服一種造影劑（如硫酸鋇），再經(jīng)X射線照射，便可顯示出病變部位的情景。以后又發(fā)明了用于檢查人體內(nèi)臟其他一些部位的造影劑。X射線診斷儀在相當(dāng)一個時期內(nèi)一直作為醫(yī)院中最重要的診斷儀器。 為紀(jì)念倫琴對物理學(xué)的貢獻，后人也稱X射線為倫琴射線，并以倫琴的名字作為X射線等的照射量單位。 從中心切片定理到投影重建圖像奧地利數(shù)學(xué)家奧

3、地利數(shù)學(xué)家Radon中心切片定理可以看作是可分離的二維傅里葉變換的結(jié)果dxdyeeyxokkyikxikyxyx),(),(A. M. Cormack Tufts University Medford, MA, USA 1955年，在開普敦大學(xué)物理系教理論物理學(xué)的科馬克對癌的放射治療和診斷產(chǎn)生了興趣。他發(fā)現(xiàn)醫(yī)生在計算放射劑量時，把非均質(zhì)的人體當(dāng)作均質(zhì)看待。他認(rèn)為應(yīng)把人體構(gòu)造和組成特征用一系列前后相繼的切面圖像表現(xiàn)出來。經(jīng)過近10年的努力，他終于解決了計算機斷層掃描技術(shù)的理論問題。 1963年，他首先建議用X射線掃描進行圖像重建，并提出了精確的數(shù)學(xué)推算方法。 Central Research L

4、aboratories, EMI LondonG. N. Hounsfield 20世紀(jì)70年代，英國EMI公司的工程師豪斯菲爾德（NHounsfield，1919-2004）在參考科馬克發(fā)表的應(yīng)用數(shù)學(xué)重建圖像理論的基礎(chǔ)上，把電子計算機斷層照相技術(shù)引入醫(yī)學(xué)，使電子計算機技術(shù)與X射線機相結(jié)合，完成圖像重建過程。 1971年，豪斯菲爾德研制成功的世界上第一臺X射線計算機斷層掃描機（Computerized Tomography，簡稱CT）在倫敦一家醫(yī)院正式安裝使用。X射線管在置在患者上方, 繞檢查部位旋轉(zhuǎn), 患者下方的計數(shù)器也同時旋轉(zhuǎn)。由于人體器官和組織對X射線的吸收程度不同,病變組織和正常組織對

5、X射線的吸收程度也不同，這些差別反映在計數(shù)器上, 經(jīng)電子計算機處理，便構(gòu)成了探測對象各個部位的橫斷圖像呈現(xiàn)在熒光屏上，它解決了X射線照相的前后物體圖像重疊問題，大大提高了醫(yī)學(xué)診斷的可靠性和準(zhǔn)確性，使醫(yī)學(xué)成像技術(shù)向前跨了一大步。豪斯菲爾德與神經(jīng)放射學(xué)家阿姆勃勞斯合作，成功地為一名英國婦女診斷出腦部的腫瘤，獲得了第一例腦腫瘤的照片。他們在英國放射學(xué)會上發(fā)表了第一篇論文，1973年英國放射學(xué)雜志對此作了正式報道，這篇論文受到了醫(yī)學(xué)界的高度重視，被譽為“放射診斷學(xué)史上又一個里程碑”，從此，放射診斷學(xué)進人了CT時代。 橡膠帽傳統(tǒng)的X射線裝置的缺點 影像重疊。深度方向上的信息至疊在 起，引起混淆。 密度分

6、辨率低，對軟組織分辨能力低。 所用劑量大。X射線成像原理 不能反映病灶三維空間位置X射線X射線像物體CT優(yōu)點：優(yōu)點： 斷層成像 密度分辨率高，對軟組織分辨能力高。（相對于X射線成像術(shù)） 投影劑量小（相對于X射線成像術(shù)） 動態(tài)范圍大（相對于X光片） 無損檢測 存儲方便X線機、CT、MR的比較 成像方法 輻射特點 成像效果成像方法CT利用計算機重建技術(shù)計算體層中各單元的衰減系數(shù)，重建出體層解剖圖像X線機直接成像，可簡單分為透視和攝影兩種成像方式MRI利用計算機重建技術(shù)計算體層中各體元的質(zhì)子自旋變化信號，重建出解剖圖像及一定程度上的生理生化信息透視與攝影輻射特點X線機錐形束檢查；X線質(zhì)軟，吸收多穿透

7、少；輻射劑量較大CT扇形束檢查；X線質(zhì)硬，吸收少穿透多；輻射劑量較大MR利用射頻脈沖激勵，無輻射損傷成像效果X線機重疊影像，對厚的組織及密度高的組織影像欠清晰CT體層圖像，圖像清晰，解剖位置確定，空間分辨率較高MR圖像清晰，解剖位置確定，對比度分辨率高，且可任意方向體層成像二、CT的發(fā)展 第一、二代平移旋轉(zhuǎn)掃描方式的CT機，只能掃描頭部。 第三、四代旋轉(zhuǎn)掃描方式的體部CT機 。 第五代 螺旋CT 。 其它特殊形式CT 第一代第一代CT機（旋機（旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/平移方式掃描）平移方式掃描） 速度慢速度慢 采集的數(shù)據(jù)少采集的數(shù)據(jù)少 很快被淘汰很快被淘汰第一代第一代CTCT機機第一代CT多屬頭部專用CT，由

8、一只X線管和1-2個晶體探測器（detector）組成。由于X線束被準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為鉛筆芯粗細(xì)的筆形線束，故又稱筆形束CT。X線管與探測器連為一體，X線管產(chǎn)生的筆形束穿過病人頭部照射到與其相對的探測器上，X線管和探測器先做同步直線平移掃描運動。獲得240個透射測量數(shù)據(jù)后，X線管和探測器停止平移，再環(huán)繞病人頭顱中心旋轉(zhuǎn)1，做與上次方向相反的直線掃描運動。獲得240個測量數(shù)據(jù)后，停止平移，再旋轉(zhuǎn)1，重復(fù)上述過程，直到180，得到180組由240個測量數(shù)據(jù)組成的平行投影值，即完成了數(shù)據(jù)的采集過程，用于圖像重建的數(shù)據(jù)個數(shù)為180240。第一代CT的缺點是：X線利用率很低；掃描時間長，檢查一個層面需用35m

9、in，故僅能用于頭顱檢查。為了提高效率，可再加一個探測器，一次掃描可同時對兩個層面進行數(shù)據(jù)采集，獲得二個層面圖像。這樣，提高了第一代CT的工作效率和X線的利用率，但因掃描速度慢，且采集的數(shù)據(jù)少，故重建的圖像質(zhì)量較差。第一代CT已被淘汰。1. 單束平移單束平移-旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)（T/R）方式）方式這種掃描方式的缺點是射線利用這種掃描方式的缺點是射線利用率極低，掃描速度很慢，對一個率極低，掃描速度很慢，對一個斷層掃描約需斷層掃描約需 5分鐘時分鐘時 間，只適間，只適用于無體動器官的掃描。用于無體動器官的掃描。單束平移-旋轉(zhuǎn)方式 第二代第二代CT機機 將單一筆形將單一筆形X線線束改為窄扇形束改為窄扇形X線

10、束線束 多個扇形排列的多個扇形排列的探測器代替單一探測器代替單一的探測器的探測器第二代第二代CTCT機機第二代CT2.窄扇形束掃描平移窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)（T/R）方式方式窄扇形束掃描稱為第二代窄扇形束掃描稱為第二代CT掃描。掃掃描。掃描裝置由一個描裝置由一個X射線管和射線管和630個的檢個的檢測器組構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。掃描時，測器組構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。掃描時，X射線管發(fā)出角度為射線管發(fā)出角度為320的窄扇形的窄扇形射線束，射線束，630個檢測器同時采樣，并個檢測器同時采樣，并采用平移采用平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式旋轉(zhuǎn)掃描方式 。窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)方式 2.窄扇形束掃描平移窄扇形束掃描平移-旋

11、轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)（T/R）方式方式這種掃描的主要缺點是：由于檢這種掃描的主要缺點是：由于檢測器排列成直線，對于測器排列成直線，對于X射線管射線管發(fā)出的扇形束來說，扇形束的中發(fā)出的扇形束來說，扇形束的中心射束和邊緣射束的測量值不相心射束和邊緣射束的測量值不相等，需校正，否則掃描會因這種等，需校正，否則掃描會因這種運動而出現(xiàn)運動偽影，影響運動而出現(xiàn)運動偽影，影響CT圖圖像的質(zhì)量。像的質(zhì)量。 窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)方式 第三代第三代CT機扇機扇形排列的探測器形排列的探測器更多包括整個視更多包括整個視野，野， X線管與探測器線管與探測器組合作同步旋轉(zhuǎn)組合作同步旋轉(zhuǎn)運動掃描速度在運動掃描速度在5秒以內(nèi)秒以內(nèi)第三

12、代第三代CTCT機機第三代CT3. 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)（R/R）方式）方式 這種掃描稱為第三代這種掃描稱為第三代CT掃描，掃描裝置由一個掃描，掃描裝置由一個X射線管和由射線管和由250700個檢測器（或用檢測器陣列）排列成一個可在掃描個檢測器（或用檢測器陣列）排列成一個可在掃描架內(nèi)滑動的緊密圓弧形。架內(nèi)滑動的緊密圓弧形。X射線管發(fā)出張角為射線管發(fā)出張角為3045，能覆蓋整個受檢體的寬扇形射線束。能覆蓋整個受檢體的寬扇形射線束。 由于這種寬扇束掃描一次由于這種寬扇束掃描一次即能覆蓋整個受檢體，故即能覆蓋整個受檢體，故只需只需X射線管和檢測器作射線管和檢測器作同步旋轉(zhuǎn)運動。同步旋轉(zhuǎn)運動。X線管旋

13、轉(zhuǎn)采樣點檢測器軌道檢測器扇形X線束攝影區(qū)域旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式 第四代第四代CT機機 探測器更多，探測器更多，以環(huán)行排列且以環(huán)行排列且固定不動固定不動 X秒線旋轉(zhuǎn)同秒線旋轉(zhuǎn)同時掃描時掃描 掃描時間更短掃描時間更短第四代第四代CTCT機機 第四代CT 是將600個探測器排在一個圓周上。掃描方式為靜止加旋轉(zhuǎn)方式。掃描中X線管圍繞病人進行的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動而探測器靜止不動。Third & Fourth Generations(From Picker)(From Siemens)第五代第五代CT超快速超快速CT（ultrafast CT，UFCT） 電子速電子速CT（electron beam CT,EBC

14、T) 主要組成部分主要組成部分: 電子槍、聚焦線圈、電子槍、聚焦線圈、多排探測器群、高速移多排探測器群、高速移動的檢查床、控制系統(tǒng)動的檢查床、控制系統(tǒng) 特點：特點： 沒有球管和探測器的沒有球管和探測器的移動，最快掃描速為移動，最快掃描速為0.05秒，可以做秒，可以做CT血血管造影和心臟造影管造影和心臟造影電子束電子束CTCT機機電子束 CT機電子槍產(chǎn)生的電子束經(jīng)強電場加速(沿X線管長軸方向)、并通過聚焦線圈聚焦和電磁線圈偏轉(zhuǎn)后、轟擊到4個緊挨的210環(huán)型靶面（靶環(huán)）上。X線管側(cè)的準(zhǔn)直器將X線準(zhǔn)直成扇角為30、厚為2cm的扇形束，X線穿過病人病人層后，由環(huán)形探測器陣列測量透射后的X線強度分布，經(jīng)

15、A/D轉(zhuǎn)換后，輸送到大容量存儲器中，再進行圖像重建。由于高速運動的電子束無機械慣性，所以可依次掃描一個靶環(huán)或同時輪番掃描2-4個靶環(huán)。由于采用排成兩排的環(huán)形探測器陣列，故高速運動的電子束掃描一個靶環(huán)可得到相鄰兩層的圖像。如高速運動的電子束同時輪番掃描4個靶環(huán)，則可同時獲得8層圖像。每層的厚度1cm，八個層面的總厚度為8cm。即：可一次性檢查病人的整個心臟。電子束CT采用的大型X線管的技術(shù)條件是：管電壓為130kV；管電流為300800mA；焦點面積為2mm4mm；熱容量為9106HU；靶最大冷卻速率為300kHU/min；焦點面軌道長為330cm；靶基的質(zhì)量比傳統(tǒng)X線管大100倍。該系統(tǒng)可存貯

16、38次連續(xù)心博（每次心博兩層，共76層）的心電起博數(shù)據(jù)。掃描時間為30ms、50ms或100ms，最大掃描速率為每秒24次掃描，重建矩陣為256256或400400，重建時間為10s。它不僅適用于檢查心臟，而且適用于檢查易動病人，是一種新型的CT。其缺點是信噪比差且造價昂貴。E-Beam CT Scanner Speed: 50, 100 ms Thickness: 1.5, 3, 6, 10 mm ECG trigger cardiac images(From Imatron) 動態(tài)空間重建機 多只X線管排成半圓弧陣列 與X線管對應(yīng)有檢測器 使用電子時序控制6、螺旋CT 螺旋螺旋CT（spi

17、ral CT， SCT/helical CT） 特點：檢查床勻速進入特點：檢查床勻速進入 CT機架機架 X線球管連續(xù)旋線球管連續(xù)旋轉(zhuǎn)式暴光轉(zhuǎn)式暴光 優(yōu)勢：掃描速度快優(yōu)勢：掃描速度快 病灶檢出率高病灶檢出率高 CT值測量準(zhǔn)確值測量準(zhǔn)確 多功能顯示病灶多功能顯示病灶 （三維重建、血（三維重建、血管造影、仿真內(nèi)窺鏡）管造影、仿真內(nèi)窺鏡）螺旋螺旋CTCT螺旋螺旋CT掃描軌跡示意圖掃描軌跡示意圖SimultaneousSource rotationTable translationData acquisitionSpiral/Helical Scanning第一代CT第二代CT第三代CT第四代CTE-B

18、eam CTSCT掃描方式T+RT+RR+RS+RS+SR+R探測器數(shù)13-30256-720450-72001500512X線束筆形窄扇形扇形廣角扇形錐形扇形或錐形扇角3-3621-4548-12030-4530-45掃描時間240-30020-2103-101-50.03-0.10.35-1每次層數(shù)11112-81-64CT發(fā)展趨勢 硬件發(fā)展趨勢 提高掃描速度 提高圖像質(zhì)量 簡化操作 提高工作效率 縮小體積 降低劑量提高掃描速度 機械運轉(zhuǎn)方式 探測器發(fā)展 掃描方式進步機械運轉(zhuǎn)方式1秒/圈0.33秒/圈1.5秒/圈 滑環(huán)技術(shù)帶來了螺旋掃描 動態(tài)飛焦點 雙放射源成像進一步提高了時間分辨率圖像質(zhì)

19、量提高 X線管與探測器的性能提高 采集數(shù)據(jù)量增大 算法先進 表達與顯示方式進步X線管性能提高 X線管的體積越來越小 輸出功率越來越大 熱容量也越來越大 焦點越來越小型號 熱容量 保用次數(shù) DA1000.4MHU 40000 DA1151.5MHU 80000DA135v 2.0MHU 80000DA165PS 3.5MHU120000 動態(tài)變焦球管，它采用唯一的焦點，焦點大小會隨著組織的不同，自動變焦，這會使得獲得的圖像顯示相當(dāng)清晰。 探測器性能提高 另外由于現(xiàn)代技術(shù)工藝, 光刻技術(shù)及高集成度低噪聲讀出電子學(xué)的飛速發(fā)展, 每個讀出條可對應(yīng)一路讀出電子學(xué), 更有利于空間分辨率的提高。 現(xiàn)代探測器的能量分辨率比氣體探測器大約高一個數(shù)量級, 比閃爍計數(shù)器高得更多 響應(yīng)時間非?？? 一般可達到5n s 左右。因此, 可以實現(xiàn)高計數(shù)率 超寬探測器，大大提高了X線的接收效率，實現(xiàn)了低劑量、高圖像質(zhì)量的掃描 寶石探測器可使X線響應(yīng)速度最快初始速度（可見轉(zhuǎn)換）加快150倍、清空速度加快10倍，由此可以作為瞬時雙能采集的硬件基礎(chǔ)。同時寶石具有純度高、通透性強、光電轉(zhuǎn)換率高、硬度高、更穩(wěn)定等特點，使得寶石探測器能具備更低劑量、更好的圖像質(zhì)量、全新的臨床應(yīng)用。 算法先進 表達與顯示方式進步CT重建算