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CT基本成像原理
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  • 2019/7/1 10:28:43   作者:admin  查看:0 回复: 0
CT基本成像原理

  CT成像基本原理是用X线束对人体检查部位一定厚度的层面进行扫描,由探测器接收透过该层面的X线,转变为可见光后,由光电转换器转变为电信号,再经模拟/数字转换器(analog/digital converter)转为数字信号,输入计算机处理。图像形成的处理有如将选定层面分成若干个体积相同的长方体,称之为体素(voxel)。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数,再排列成矩阵,即数字矩阵(digital matrix).数字矩阵可存储于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器(digital/anolog converter)把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块,即像素(pixel),并按矩阵排列,即构成CT图像。

一.CT的基本组成

CT机主要有硬件和软件系统组成。

  CT硬件系统由扫描架、扫描床、电器柜、控制台等构成。CT系统包含以下子系统:X线的发生装置、探测器、计算机、旋转扫描、病人输送定位、冷却系统等。

(一)扫描机架系统

  扫描机架可根据检查的需要,进行±25°的倾斜。扫描机架系统内部包括X线球管、高压发生器、探测器和准直器等。


1.X线管  

  

X线管是产生X线的器件,由阴、阳极和真空玻璃管(或金属管)组成。分固定阳极和旋转阳极两种。固定阳极管主要用于第一、二代CT机,第三、四代CT机多采用旋转阳极管,旋转阳极管焦点小,要求热容量大,寿命很长,可达2万次扫描以上。

  目前,部分CT已采用飞焦点或动态焦点技术,即采用2个焦点交替工作,其曝光次数可达25万~50万次。




2.X线发生器  

  CT机对高压电源的稳定性要求很高,电压波动会影响X线能量,而X线能量与物质的衰减系数值有密切关系。因此,CT的高压系统中必须采用高精度的稳压反馈措施。多采用高频逆变高压技术,这种方法,电压一致性好、稳定,图像分辨率高。


3.探测器  

  探测器的作用是接收透过被检体的X线并将其转换为可供记录的电信号。目前CT机使用的探测器分为固体和气体探测器。

固体探测器多采用闪烁晶体接收X线,并把X线转换为光信号,再用光电倍增管或高灵敏度光电二级管接收,变成电信号送至信号采集处理器。气体探测器多采用氙气。利用气体电离的原理,入射的X射线使气体产生电离,然后测量电流的大小测得入射X射线的强度。 




4.准直器

 

  CT扫描机中的准直器分为两种:

一是X线管端的准直器(又称前准直器);

二是探测器端的准直器(又称后准直器)。

  准直器的作用是减少病人的X线剂量和对CT成像所不必要的散射线,其次还决定了CT扫描的层厚。



5.模/数转换器(A/D转换器)  

  A/D转换器是CT数据采集系统(data acquisition system,DAS)的主要组成部分。其作用是将来自探测器的输出信号放大、积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理。模数转换器由一个频率发生器和比较积分器组成。


(二)检查床  

  检查床的作用是准确地把病人送入预定或适当的位置上。为适应CT检查的需要,与X线束射出同方向的位置上有定位光源,以利于定位。


(三)操作台 

  操作台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、病人资料的输入及机器故障诊断均在操作台上完成。


(四)图像存储和记录部分  

  该部分包括有硬盘、软盘、磁带机、光盘等,它们的作用是存储和记录图像。


(五)计算机系统

  计算机系统一般由主控计算机和阵列计算机两部分组成。主控计算机的作用是:

①控制和监视扫描过程,并将扫描数据送入存储器;

②CT值的校正和输入数据的扩展;

③与操作者对话并控制扫描等信息的传送;

④图像重建的程序控制;

⑤故障诊断及分析。

  列阵处理机主要的任务是在主控计算机的控制下,进行图像重建等处理。

在图像重建时,阵列处理机接收由数据采集系统或磁盘送来的数据,进行运算后再送给主控计算机,然后在终端显示。

CT软件

    

 CT软件安装在主控计算机中,是CT扫描控制、图像处理、显示及系统故障检查的重要工具。

二.CT机的成像过程

 

CT成像的主要工作过程是:球管→X线→准直器→窄的扇形束→穿透人体体层→人体薄层内器官或组织衰减后→到达探测器→将含有一定图像信息的X线光信号→电信号→测量→电量大小→放大→A/D转换器→数字信号→计算机→运算→重建图像。最后,再由D/A转换器将数字信号变成模拟信号,以不同的灰阶形式显示在监视器的屏幕上。或者,再用激光相机打印成CT片。


  CT成像是一个复杂的计算机数学演算和数据重建的过程,该过程可理解为以下四步:

1.数据采集 

 

  从X线的产生到信息数据的获得,此过程为数据采集,取得大量的数字数据,称其为原始数据。数据采集系统是由X线管、滤过器、准直器、探测器、A/D转换器等器件组成。

2.数据处理 

 

  数据采集过程中,A/D转换器将模拟信号转换成数字,成为原始图像数据。在进行图像重建之前,为了得到准确的重建图像数据,要对这些数字数据进行处理。如对数变化,通过内插等多种方式对数据进行正常化的处理等。


3.图像重建

  

  这是数字成像过程中最重要的环节。

  CT机中阵列处理器是专门用来重建图像的计算机,计算机将收集到的原始数据经过复杂的重建运算,得到一个显示数据的矩阵,此过程被称为重建过程。图像重建的数学处理过程是一个相当复杂的数学运算过程,而且,采用的数学运算的方法也很多。不同的运算方法,其重建速度和重建后的图像效果也有很大差别,它以不同的扫描方式和诊断的需要而定。


4.图像存储与显示 

 

  重建后的数字图像通过监视器的屏幕显示出来,而且,还可以在监视器上进行图像的各种后处理。重建后的数字图像可以记录在磁带、磁盘或光盘上,同时,也可以直接通过激光相机打印出照片。


三.CT成像原理


  X线衰减是物体对X线的吸收和散射。物体对X线吸收和散射的多少与物体的密度、物体元素的原子序数及X线能量等密切相关。其吸收规律是:





I是透过物体后X线的强度,

I0是入射射线的强度,

e是Euler’s常数(2.718),

μ是线性吸收系数,d是物体厚度


均匀物质对X射线的吸收规律:



X射线束通过非均匀物质:




CT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X线吸收系数或衰减系数,将其排列成数字矩阵(digital matrix),数字矩阵经过数字/模拟转换器(D/A)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(pixel),也按矩阵排列,即构成了CT图像。



图像重建的数学方法:





来源:器械之家

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