CT基本原理培训

CT基本原理

常规X线摄影

2常规X线摄影三维人体二维投影CT与传统X线比较1.X线利用率；窄线束，高能量，检测器效率2.图像：无重叠3.分辨率：密度分辨率，空间分辨率CT成像的物理基础X线的穿透性穿过物体的X线被吸收衰减I=I0eulCT的发展

根据CT机发展的时序和构造性能，大致可分成五代常规CT扫描方式常规CT成像系统的进展78第三代CT扫描机

扫描方式:旋转-旋转30

45

扇形X线束探测器:300

800扫描时间:2

9秒弧形探测器阵列(无空隙)扇形束的中心和边缘与探测器的距离相等，无需作距离测量差异校正缺点：扫描时需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正

同步旋转扫描的环形伪影CT机的结构

X线发生部分X线检测部分机械运动部分计算机部分图像显示及存储部分工作站X线发生部分高压发生器：X线管：准直器楔形滤过器/板：12探测器（对X线敏感性远高于胶片）：碘化钠、锗酸铋—高压氙气电离室—稀土陶瓷探测器—平板探测器模数、数模转换器模数转换器是CT数据采集系统（DataAcquisitionSystem，DAS）的主要组成部分CT最初探测到的是连续的随时间而变的模拟信号，可由电压表读取或由示波器显示，但无法被计算机识别模数转换器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数模转化器是模数转换器的逆向运算机械运动部分

扫描机架滑环扫描床扫描机架机架与检查床相垂直机架内装有成像系统组件:滑环、X线管、高压发生器、准直器、探测器和数据采集系统等机架孔径和倾斜范围在应用中较为重要:孔径:机架开口大小，多为70cm机架须能倾斜，以适应不同患者情况和各种检查的需要，倾角:±12°-±30°滑环非螺旋CT机X线管的供电及信号传递由电缆完成，扫描时球管随机架作往复旋转运动，电缆易缠绕,扫描速度慢近年来，CT扫描机架中去掉电缆，代以铜制滑环和导电碳刷，通过碳刷和滑环的接触导电,使机架作单向连续旋转，即滑环技术滑环有两种类型：盘状滑环:圆盘状，导通部分设在盘面上筒状滑环:圆筒状，导通部分位于圆筒侧面导电刷有两种类型:金属导电刷:采用导电金属和滑环接触，每一道滑环有两个金属导电刷游离端与其接触，目的增加可靠性和导电性混合导电刷:采用导电材料银石墨合金（碳刷）与滑环接触，(同样两个导电刷)滑环的传导方式高压滑环:交流电源直接供电给高压发生器，由高压发生器将高电压送入滑环，再送给X线管通过滑环传递到X线发生器的电压达上万伏采用小型高频发生器，高压发生器不安装在旋转机架上缺点:易发生高压放电导致高压噪声，影响数据采集系统并影响图像质量低压滑环:根据X线控制信号，交流电源经导电刷将电流送入滑环，经滑环将电流送入高压发生器，再由高压发生器把高电压送给X线管通过滑环传递到X线发生器的电压为数百伏X线发生器、球管和其它控制单元全安装在机架的旋转部件上(X线发生器要求体积小、功率大的高频发生器)目前CT机都采用低压滑环扫描床作用:运载患者,扫描定位要求:承重:确保特殊体型患者的检查需要床面材料:由易被X线穿透、能承重和易清洗的碳素纤维组成上下运动:方便患者上下纵向移动:头部至大腿的CT扫描床纵向移动要求:平滑，精度高，绝对误差<±0.5mm(高档机±0.25mm)与X线束射出同向位置上有定位光源:准确定位计算机部分

主计算机:阵列处理器图像显示及存储部分

监视器作用:通过键盘与计算机对话（包括患者资料的输入、扫描过程的监控等）和图像显示存储器:硬磁盘、磁带、软盘和光盘等功能:存储图像、保存操作系统及故障诊断软件扫描原始数据存储于硬盘缓冲区;重建图像存入硬盘的图像存储区;磁带、光盘等存取图像通过硬盘作中介为保证图像的动态范围，存储采取数字二维像素阵列方式，每个像素点由若干与图像灰阶有关的比特组成CT图像的矩阵5122，深度8-12个比特，灰阶范围是512（28）-4096（212）

5122×2字节的CT图像约需0.5MB的存储空间

一次CT检查有50幅图像，需25MB的存储空间工作站（workstation）

工作站系统规模比微型机大操作系统:UNIX系统大屏幕三维图形处理功能强著名品牌有Sun、HP、SGI等由于微型机（PC机）的硬件功能增强+图形图像处理软件，市场上许多基于微机的医学三维图像处理的计算机(也称作工作站，以表示功能强大)

CT的成像原理CT：COMPUTEDTOMOGRAPHY:以X线束对体部某一选定体层层面进行扫描,测定透过的X线量,数字化后经过计算得出该层面各个单位容积的吸收系数,然后重建图像的一种成像技术。27数据采集的基本原理

X线管准直器人体准直器探测器A/D转换器计算机重建D/A转换器监视器CT图像激光打印机CT照片多幅相机CT照片采集信息系统影像信息经过部件及传递的过程29模拟信号模拟信号激光相机

数字信号X线的衰减及数据的转换

CT数据采集：从不同投影方向获得扫描数据X线管围绕被检体旋转X线按特定方式通过被检体横断面探测器接收穿过人体的射线衰减信号送给计算机处理，经计算机重建处理形成被检体横断面图像CT数据采集的重要部件：数据采集系统(DAS)DAS的主要部件是模数转换器，主要作用：1）射线束测量2）将模拟数据编码转换为数字数据3）将数字数据送往计算机CT扫描时，X线管经过滤过和准直器，发出近似单一能谱的扇形射线束X线管围绕受检者旋转，旋转角度360度32CT值的计算CT值：CT数，重建图像中一个像素的数值相对值，以水的衰减系数作为参考：水的CT值为0

CT值的计算公式：

CT值=（

组织

-

水）/

水

k

k值:1000，每个CT值的百分比标尺为1%CT值的大小与组织的线性衰减系数有关，每一个对应的数值都可用相应的灰阶表示33CT扫描使用较高千伏值（120-140kVp）:CT值受射线能量大小的影响，CT机中采取一些措施，如CT值校正程序，保证CT值的准确性34CT应用中，各种组织包括空气的吸收衰减值都与水相比较，致密骨定为上限+1000，空气定为下限-1000，其它数值均表示为中间灰度，产生一个相对吸收系数标尺为纪念Houndsfield，用HU作为CT值的测量单位35CT的窗口技术CT图像：许多像素组成的数字图像扫描原始数据

计算机

数字阵列图像（像素阵列）图像矩阵扫描野(FOV)、矩阵和像素的关系：像素尺寸=扫描野/矩阵

一幅CT图像的像素为0.6mm，矩阵尺寸为512×512，FOV大小约是?扫描野=像素尺寸×矩阵FOV=0.6mm×512=30.7cm36像素、矩阵和显示野的关系``37窗口技术

窗宽/窗位在图像显示技术中称窗口技术利用CT计算机灰阶的软件功能调节并适应人眼视觉灰阶范围的一种功能数字窗口：对应于整个CT值范围的相应位置窗位（L或C）：整个CT值范围内某一选定位置，图像显示以该CT值为中心窗宽（W）：选定窗位的灰阶范围窗口技术抑制或去除噪声和无用信息，增强显示有用信息，但不能增加图像信息38窗口技术的调节原则：(1)宽窗宽(400

2000HU)：用于组织密度差别较大的部位

肺和骨骼体部扫描，为显示脂肪、肌肉等软组织，采用窗宽350

600照相骨窗采用窗宽：1000

2000(2)窄窗宽(50

350HU)：用来区分组织密度较接近的图像

脑和腹部颅脑图像的白质和灰质采用窗宽：80

150显示肝内高密度转移灶采用窗宽：100

250(3)窗位的设定：应取所需观察部位的平均值体部软组织的窗位：0

60肌肉和内脏器官增强扫描的窗位：60

150肺部的窗位：-300

-75039根据设置的窗宽和窗位，可计算所显示的CT值范围：C-W/2

C+W/2式中C：窗位，W：窗宽如CT图像的窗宽80、窗位40

显示的CT值范围0

8040-80/2=0

40+80/2=80CT值<0

黑色，CT值>80

白色40CT成像的相关概念

体素与像素

体素（voxel）为体积单位CT扫描中，根据断层设置的厚度、矩阵的大小，能被CT扫描的最小体积单位体素有三要素，即长、宽、高通常CT中体素的长和宽都为1mm，高度或深度则根据层厚可分别为10、5、3、2、1mm等像素（pixel）又称像元构成CT图像最小的单位与体素相对应，体素的大小在CT图像上的表现，即为像素像素：组成二维矩阵图像的最小信息点像素是二维空间面积=长×宽大小与矩阵和FOV相关体素：组成层面图像的最小信息源体素是三维空间体积=长×宽×高（层厚）大小与矩阵、FOV和扫描层厚相关像素体素采集矩阵与显示矩阵

矩阵（matrix）：像素以二维方式排列的阵列。它与重建后图像的质量有关相同大小的采样野，矩阵越大，像素越多，重建后图像质量越高常用矩阵：2562、5122和10242CT图像重建后用于显示的矩阵称为显示矩阵，通常为保证图像显示的质量，显示矩阵往往是等于或大于采集矩阵44重建与重组

重建（reconstruction）原始扫描数据经计算机采用特定算法处理，获得图像，称为重建或图像重建重组（reformation）

重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法，如多平面图像重组、三维图像处理等目前CT的三维图像处理是在横断面图像的基础上，重新组合或构筑形成三维影像重组图像质量与已形成的横断面图像有密切关系，尤其是层厚的大小和数目一般，扫描层厚越薄、图像数目越多，重组效果越好准直宽度、层厚与有效层厚(Collimation,SliceandEffectiveSlice)

准直宽度是指CT机球管侧和病人侧所采用准直器的宽度，在非螺旋和单层螺旋扫描方式时，所采用的准直器宽度决定了层厚的宽度，即层厚等于准直器宽度。

但在多层螺旋扫描方式时，情况则不完全一样，因为同样的准直宽度可由4排甚至16排探测器接收，而此时决定层厚的是所采用探测器排的宽度。如同样10mm的准直宽度，可以由4个2.5mm的探测器排接收，那么层厚就是2.5mm；如果由16个0.625mm的探测器排接收，那么层厚就变成了0.625mm。

有效层厚指扫描时实际所得的层厚，由于设备制造的精确性原因，标称1mm甚至0.5mm的层厚设备制造厂家无法做到如此精确，一般都有一定的误差，其误差范围大约在10％～50％之间，层厚越小，误差越大。一般，层厚的误差与扫描所采用的方式和设备的类型无关。

时间分辨力（TemporalResolution）

时间分辨力的主要含义是指扫描机架旋转一周的时间，但在多层螺旋CT中，它还与扫描覆盖范围和重建方式有关，它也是影像设备的性能参数之一，并且与每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。在CT中表示了设备的动态扫描功能，如在多层螺旋CT心脏成像时，时间分辨力的高低则决定了CT机在这方面临床应用的适应性和范围。48部分容积效应

CT图像上各个像素的数值代表相应单位体积各组织CT值的平均数，它不能如实反映该组织内各个组织本身的CT值部分容积效应与扫描体位相关！49扫描中，凡小于层厚的病变高密度组织中较小的低密度病灶，其CT值偏高低密度组织中较小的高密度病灶，其CT值偏低这种现象称为部分容积效应50周围间隙现象在同一扫描层面上，与层面垂直的两种相邻且密度不同的结构，测其边缘部的CT值也不准确密度高者其边缘CT值小密度低者其边缘CT值大二者交界边缘分辨不清51密度高者其边缘CT值小密度低者其边缘CT值大二者交界边缘分辨不清滑环技术

球管—探测器系统可以单向连续旋转,扫描时检查床同时单向连续移动，球管焦点围绕病人旋转的运行轨迹形成一个类似螺旋管，故称螺旋CT扫描（spiralCT，SCT）。单层螺旋CT滑环技术:处理旋转部分与静止部分的馈电及信号传递（通过电刷和滑环接触得以导电，作单方向旋转及信号传递）螺旋扫描技术螺旋状扫描轨迹非螺旋CT与螺旋CT的扫描模式示意图单层螺旋CT（一）硬件改进

滑环结构：分高压滑环和低压滑环。X线球管热容量大于非螺旋CT机。探测器（detector）采用固体稀土陶瓷探测器以提高X线的利用率。发生器采用体积小的高频发生器，并安装在机架内，高压范围是80～140kv。

（二）扫描技术螺距（pitch）：扫描旋转架旋转一周检查床运行的距离与层厚或准直宽度的比值。螺距为1.0，图像质量与射线剂量达到最佳。增加螺距使探测器接收的射线量减少，图像质量下降；减小螺距在同一扫描范围射线量增加，图像质量改善。

单层螺旋CT缺点层厚敏感曲线增宽，使纵向（Z轴）分辨力下降。可出现部分容积效应（partialvolumeeffect）而影响图像的质量。对CT设备的要求较高，如大容量X线球管，增加了设备的成本与维修费用。球管旋转的速度相对较慢和Z轴覆盖范围较窄，对心脏等动态器官的成像应用受到限制。多层螺旋CT多层螺旋CT（multi-sliceCT，MSCT）是指X线球管曝光旋转一周可以同时形成两层以上图像的CT机。主要特点

宽探测器结构：在Z轴上扩展增宽，64排MSCT的Z轴覆盖宽度可达到28.8~40mmMSCT宽探测器设计：分为对称型与非对称型排列两种类型X线束呈锥形束：可出现半影区或称“无用”射线先进的旋转方式：钢带驱动

磁悬浮驱动锥形X线束与宽探测器结构先进旋转方式：磁悬浮驱动，最快0.3s/周

锥形X线束与宽探测器

MSCT磁悬浮扫描旋转方式大容量X线球管采集层厚与剂量：亚毫米层厚，剂量降低大容量高速计算机：提高运算和处理能力

电子束控球管各向同性：构成CT图像的像素为正方体时，则各个方面的重建图像的质量达到一致清晰。63多层螺旋CT

基本结构同第三代CT/单层螺旋CT相比，最主要的差别：探测器系统数据采集系统（DAS）计算机系统64探测器组合与扫描层厚MSCT使用的X线束在Z轴方向的宽度加大，形成锥形线束准直器被用于限制辐射区域（减少非扫描区域的辐射），不再决定扫描层厚X线被Z轴方向的N排二维探测器阵列同时接受，通过不同的探测器组合来确定扫描的层厚6534排检测器0.5mm×41mm×151mm×15

检测器阵列的不同组合可形成多种扫描层厚66MDCT的螺距

单层螺旋扫描，螺距（P）：射线束宽度与床速的比值MDCT的螺距：一次旋转床移动的距离/所采用探测器的宽度射线束螺距的概念：

射线束螺距=一次旋转床移动的距离/射线束宽度射线束螺距与单层螺旋CT螺距的概念接近，即螺距的变化与患者的辐射剂量直接相关层厚螺距的概念：

层厚螺距=一次旋转床移动的距离/层厚宽度层厚螺距是根据层厚宽度确定它与射线束螺距的换算：层厚螺距=层厚数×射线束螺距层厚螺距3=单层螺旋扫描的螺距0.75层厚螺距6=单层螺旋的螺距1.5螺距P能表示出在z轴方向上采集的连续数据是否存在间隙(P>1)或有重叠(P<1)。例如，64层MSCTx线束总准直宽度为64×0.625mm，当进床距离为60mm/周时，P=60/40=1.5。MSCT的螺距定义为：P=(X线管旋转1周进床距离)／（x线束总准直宽度）。这一定义对单层螺旋CT和MSCT都适用。68多层螺旋CT的优点：

最主要

X线输出效率提高（1）扫描范围覆盖率增加，扫描速度提高（2）提高X射线利用效率和球管使用寿命（3）提高检查速度，减少患者等待时间，增加患者检查流通量（4）成像所需射线总量减少（改进重建算法，Z轴数据利用率提高，与单层螺旋比，

40%曝光量）（5）散射线剂量降低（6）0.5mm层厚扫描，体素各向同性改善多方位和三维重组图像质量双源CT双源CT结构特点与优势

1.双球管呈90度排列，各对应相应探测器

2.可提供两套系统的kV和mAs

3.可进行双能量成像

4.采用磁悬浮驱动，运行速度0.30秒/周

5.最大扫描范围200cm，空间分辨率≤0.4mm320排CT320排是目前CT扫描仪中探测器排数最多的CT机，AquilionOneCT探测器阵列物理排数也为等宽并且达到320排，每排探测器的宽度为0.5mm，因此该款机型探测器阵列纵向的物理总宽度达到160mm，扫描机架旋转一周的最短时间是0.35秒。在冠状动脉扫描成像方式中，AquilionOne采用非螺旋扫描模式，由于160mm足够覆盖整个心脏，故在心率控制良好的情况下，一次旋转就能完成整个心脏图像的采集。心脏成像的图像重建方式根据心率的变化有单扇区（180°）、双扇区（90°）、3扇区（60°）以及5扇区（36°）。在螺旋扫描方式中，320排CT只采用了其中的160排探测器阵列，即80mm的物理覆盖宽度。伪影：图像干扰诊断准确性的影像，形状各异伪影来源分两类：患者造成的伪影：多为运动伪影体内不自主器官运动和体位移动

条状伪影患者身上的金属物（枕骨结节）

放射状伪影软组织/骨边缘

条纹状伪影（空间采样频率不足）设备引起的伪影：不可避免的性能不稳定、探测器间的响应不一致

环状伪影投影数据测量转换误差

直线状伪影采样频率较低

直线状伪影射线硬化

宽条状伪影常见的伪影及避免措施患者运动伪影:

训练患者

缩短扫描时间(最有效方法)

利用运动伪影抑制软件金属伪影:

去除患者携带金属物，无法取下,设法倾斜机架角度避开

利用金属伪影抑制软件射线束硬化伪影:

焦点侧采用弓形滤过减少伪影

调节窗宽窗位改善伪影

扫描时尽可能避开骨性结构部分容积伪影:

采用薄层扫描

改变图像重建算法

采用容积伪影抑制扫描技术采样或测量系统误差(准确采样的前提原则:采样频率是被成像物体最高空间频率的两倍):

局部放大扫描

根据不同部位采用合适重建算法（高分辨率、标准、软组织）扫描系统误差:

每天开机或连续几小时不工作后，作系统校正测量及其定期地作系统维护

如出现伪影，及时与维修工程师联系噪声引起的伪影:

增加扫描剂量

采用专用滤过算法

7378CT扫描的辐射防护特点CT—窄束X线，常规X