Ⅲ　CT成像技术

CT是“computed tomography”的英文简称，即计算机X线断层扫描摄影术，是电子计算机控制技术和X线断层摄影技术相结合的产物。

CT的理论基础是1917年奥地利数学家J.H.Radon提出的从不同方向上对二维或三维物体进行投影，获得的投影数据集进行计算机重建图像。1963年美国物理学家A.M.Cormack研究了用X线投影数据重建图像的数学方法，他们共同奠定了产生CT图像的数学基础。1967年，由考迈克（Allan Macleod Cormack）完成了CT图像重建相关的数学问题。亨斯菲尔德（Godfrey Newbold Hounsfield）在英国EMI实验中心进行了相关的计算机和重建技术的研究，用9天时间获得数据组，2.5小时成功地重建出一幅人体横断面图像。

1971年9月，第一台CT装置安装在Atkinson-Morley医院。同年10月4日在安普鲁斯（Ambrose）医师的指导下做临床实验，检查了第一个患者。当时，每一幅图像的处理时间减少到20分钟左右。后来借助微处理器使一幅图像的处理时间减少到4.5分钟，CT的临床实验获得了成功。

1972年4月，在英国放射学研究院年会上亨斯菲尔德和安普鲁斯宣读了关于CT的第一篇论文，宣告了CT机的诞生。同年10月，在北美放射学会年会（RSNA上向全世界宣布了这一在放射学史上具有划时代意义的发明。

1974年，美国George Town医学中心的工程师莱德雷（Ledley）设计出了全身CT扫描机，使CT不仅可用于颅脑，而且还可用于全身各个部位的影像学检查亨斯菲尔德于1972年获得了与工程学诺贝尔奖齐名的McRobert奖。1979年亨斯菲尔德和在塔夫茨大学从事CT图像重建研究工作的考迈克教授一起，获得了诺贝尔医学生理学奖。

1989年在 CT传统旋转扫描的基础上，采用了滑环技术和连续进床技术从而实现了螺旋扫描CT。

1998年多排螺旋 CT的问世，使得机架球管围绕人体旋转一圈能同时获得多幅断面图像，大大提高了扫描速度。

2004年在 RSNA上推出的 64排螺旋 CT，又称容积CT，开创了容积数据成像的新时代以1秒单器官、5秒心脏（heart）、10秒全身的检查速度实现了扫描速度，覆盖范围和图像质量的改善。目前已有公司正在开发称为平板探测器的CT扫描机，Z轴覆盖宽度达300mm，一次旋转即可完成一个器官的扫描，真正实现容积扫描，

2005年在RSNA上推出的双源螺旋CT（DSCT），通过两套X射线球管系统和两套探测器来采集数据，实现了单扇区的数据采集，提高了心脏扫描的时间分辨率。此时出现了宝石CT和极速CT等。

扫描机架内部结构包括X线管、冷却系统和高压系统等。机架可根据检查需要进行±20°或±30°的倾斜。

X线管与普通X线机的X线管一样，分固定阳极和旋转阳极两种。安装固定阳极管，其长轴与探测器平行，安装旋转阳极管其长轴与探测器垂直。固定阳极管主要用于第一代和第二代CT机，扫描时间长、产热多，采用油冷或水冷的强制冷却，目前已淘汰。第三和第四代CT机多采用旋转阳极管，因扫描时间短，要求管电流较大，一般为100～600mA，多采用油冷方式。旋转阳极管焦点小，要求热容量大，可达3～6M个热单位，X线管寿命一般可达2万次扫描以上。

冷却系统一般扫描架内有两个冷却电路：即X线管冷却电路和电子冷却电路。无论旋转阳极管还是固定阳极管，在扫描过程中均会产生大量的热，可以影响电子的发射，严重时可导致靶面龟裂，影响X线的质量。X线管用绝缘油与空气进行热交换，扫描机架静止部分用风冷或水冷进行热交换。扫描机架与外界是隔绝的，通过热交换器控制温度。球管和机架内都有热传感器把信号传给主计算机，当温度过高时，则会产生中断信号，机器停止工作，直到温度降到正常范围才可以重新工作。另外，主计算机根据扫描参数的设定预算热量值，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，降低毫安、千伏，螺旋CT则还可用增大螺距的方法等。扫描机架内部温度的升高会影响到电子电路的热稳定性，温度一般在18～27℃为宜。

高压系统包括高压发生器和稳压装置。高压发生器产生X线的形式主要为连续X线发生器和脉冲X线发生器，CT机对高压的稳定性要求很高，电压波动会影响X线能量，而X线能量与物质的衰减系数µ（或称吸收值）密切相关，CT图像是计算机求解吸收值而重建出来的，显然电压的波动会影响到图像质量。一般说来，CT值的精度要求在0.5%以下。这就要求高压发生器的高压稳定度必须在千分之一以下，纹波因素为万分之五。因此，任何高压系统必须采用高精度的反馈稳压措施。新机型多采用高频逆变高压技术，这种电压一致性好，稳定，纹波干扰小，图像分辨力更高。

数据采集系统（DAS）由探测器、缓冲器、积分器和A/D转换器等组成。由探测器检测到的模拟信号，在计算机控制下，经缓冲、积分放大后进行模数 （A/D）转换变为原始的数字信号。

探测器是一种能量转换装置。一般CT常用的探测器为两种基本类型，一种是收集电离电荷的探测器有气体和固体探测器两种。气体探测器主要有电离室正比计数器、盖革计数器等。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。无论哪种探测器必须具备以下条件：

（1） 电源适应性强：在不同电压均能正常使用，有良好均匀性。

（2） 动态范围宽：强弱信号都能检测，灵敏度高。

（3） 余辉时间短：竭止性能好。

（4） 成分稳定：受理化因素影响小、寿命长。

（5） 体积小：空间配置容易。

气体探测器是气体电离室，它是在一个公共压力下的探测器管套内，排列着数百个至数千个单独通道所组成的，每一个通道为一个最小单元。电离室的两个电子阴极被连到高压电源，另一个阳极连接到电流电压转换电路。当X线进入探测器，极板间氙气被电离，形成带电离子，在电场作用下，带电离子沿着场线形移动形成电流。该电流在外电路电阻中就会产生一个电压信号，输送到检测电路。

目前CT机上所用的气体探测器多采用化学性能稳定的惰性气体氙气（Xe）或氪气（Kr）等。气体探测器稳定性好，几何利用率高。但光子转换率低，通常使用高压气体（10～15个大气压）来提高气体分子密度，增加电离几率，增强灵敏度。气体探测器要求密封性能好、有足够的机械强度、极板精度高、各通道气体压力相等、容积相等。

闪烁晶体探测器是利用某些晶体受射线照射后发光的特性制成的，组成部分是闪烁晶体、光导及光电倍增管等。当X线照射晶体后，原子接受X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基态时，释放能量，这种能量以荧光光子的形态出现（荧光现象）。荧光经光导传给光电倍增管的光电阴极上，其上的光电敏感物质发出光电子，光电子经聚焦投射到光电倍增管的联极，经联极的光电倍增作用，光电子数大增，然后打在阳极上，并在输出电阻上形成一个电压脉冲（该脉冲幅度与被探测器单元探测到的放射强度成正比），再经前置放大后，输送到检测电路。

常用的闪烁晶体有碘化钠（NaI）、碘化铯（CsI）、锗酸铋（BGO）等。BGO有残光少，转换效率高，易加工不易潮解，不易老化，性能稳定等优点。从探测器所获得的信号是模拟信号，经缓冲处理后送至对数-双坡积分板，进行积分放大，然后经A/D转换器转变为数字信号后才能被计算机识别处理，常用的A/D转换器有两种，逐次逼近式和双积分式。

滤过器一是吸收软射线，二是使射线束变为能量分布均匀的硬射线。具有一定能量的电子接近靶原子核附近时，在核电场力作用下会改变运动的速度和方向，电子会因能量的减小而离开碰撞点，在此过程中，该电子能量的损失变为连续的放射。由于每个电子的能量并不一定相等，碰撞方式也不相同，光子的能量也不相等，因此X线是由不同波长组成的连续光谱。而CT扫描必须要求X线束为能量均匀的硬射线，所以从球管发出X线必须进行过滤。

CT机一般有两套准直器，一套在X线球管侧称前准直器，控制放射源；另一套在探测器一侧，称后准直器。在扫描控制电路（SCU）控制下，根据主计算机指令前准直器在Z轴方向变换不同的宽度以决定扫描层厚前准直器在X轴方向的长度（d）决定射线束的扇形角度（α），不同机型的CT机其α或d会有差异。后准直器主要起到减少散射线，减少读数误差，与前准直器配合，完成切层厚度的作用。SCU控制准直器要求前后准直器在Z轴方向绝对平行，扇形束必须覆盖探测器排列在X方向的全范围，放射源焦点到每一个探测器距离相等。在第三代CT以后，焦点尺寸很小，经滤过器和前准直器的调整，X线束具有很好方向性。探测器窗口很小，中心射线以外的散射线很难到达探头所以，三代以后的CT机都不加后准直器。

CT机的计算机处理系统由主计算机和阵列计算机两部分组成。主计算机是中央处理系统，它与MCU SCU、HCU等各部分利用I/O接口，通过数据系统总线进行双向通讯，从而控制CT整个系统的正常工作。其主要功能有：

1. 扫描监控，存储扫描所输入的数据。

2. CT值的校正和输入数据的扩展，即进行插值处理。

3. 图像的重建控制及图像后处理。

4. CT自身故障诊断。

阵列处理器（AP）是20世纪60年代发展起来的计算机技术。CT扫描速度快、数据量大、成像质量要求高，并要求实时重建，普通计算机难以完成这项工作，因此必须由专用的数据处理设备——阵列处理器来完成。它与主计算机相连，在它的控制下高速进行数据运算（每秒可达数十兆次），本身不独立工作。AP系统中有多条总线，如数据总线、进行加法浮点运算的输入输出总线、进行乘法浮点运算的输入输出总线、控制总线等。

扫描控制系统（SCU）安装在扫描机架内。扫描控制系统自身的中央处理器（CPU），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发送请求命令和输送数据。CT机的扫描过程都是在主计算机控制下，由扫描控制系统来完成的。主计算机的扫描程序软件与扫描控制系统的监控程序、测试单元和初始化始终保持着双向通讯。扫描控制系统控制的硬件主要有调整单元、脉冲控制、旋转控制和遮光板控制等。如：扫描旋转停止、复位电路、控制检查床升降移动及扫描架倾斜、扫描旋转运动，控制检查床的水平进退运动和X线的发生、扫描的开始和中断等都由调整单元控制。机架里面设有各种检测探头，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给扫描控制系统发出指令。扫描控制系统对准直器的调节是根据主计算机的预设层厚，相关电路自动调节准直器缝隙间距，控制扫描层厚。

操作系统又称为人机对话系统，主要通过操作台完成。操作台是操作人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平台上完成。

检查床CT机在扫描过程中要求有很高的精度，绝对误差不允许超过0.5mm，特别是对1.0mm的薄层扫描，检查床进床精度要求非常高。另外，检查床的进退还应有准确的重复性，如扫描过程中有时要对兴趣区反复扫描，每次扫描检查床必须能准确地到达同一层面。这就要求检查床不仅要有一定机械精度，控制信号也必须准确无误。在连续旋转式CT机（或螺旋CT机）中，床面还必须在扫描控制系统的控制下作恒速运动，其速度的准确性和稳定性直接影响图像质量。

高压注射器是CT增强扫描和CT血管成像必不可少的设备之一，它可以实现在很短的时间内将对比剂集中注入患者的心血管内，高浓度地充盈受检部位，以获得对比度较好的影像。高压注射器还能使对比剂注射、CT机曝光两者协调配合，从而提高了检查的准确性和成功率。高压注射器可在一定范围内选择对比剂注射总量、注射速率、注射压力，以及与生理盐水的不同组合注射，来实现不同的检查目的。