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1、CT 设设 备备 CT设备原理CT:computed tomography computerized tomography计算机体层照相术计算机体层照相术计算机断层照相术计算机断层照相术计算机计算机控制控制断层断层扫描术扫描术computerized axial tomography(CAT)计算机控制横轴向计算机控制横轴向X线断层扫描术线断层扫描术CT设备原理CT设备原理CT设备原理CT设备原理CT设备原理CT设备原理CT设备原理一、发展简史一、发展简史 n1895年，伦琴发现年，伦琴发现X线。线。n1917年，奥地利数学家年，奥地利数学家Radon提出了图像重建理论提出了图像重建理论的数学

2、方法。的数学方法。n50年代，年代，Allan M.Cormack便开始探讨各种便开始探讨各种CT的原的原理；理；n60年代末期，英国年代末期，英国EMI（Electrical And Music Industries）公司的实验中心根据公司的实验中心根据Cormack原理，原理，尝试建立一套尝试建立一套CT设备。由设备。由Godfrey Hounsfield负责负责整个实验计划，整个实验计划，1971年他所领导的小组建立了第一年他所领导的小组建立了第一套套CT系统，并于系统，并于1972年春正式发表头部年春正式发表头部CT影像。影像。CT设备原理Cormark与与Hounsfeild因在因在

3、CT发展发展上的杰出贡献，荣获了上的杰出贡献，荣获了1979年的诺年的诺贝尔医学奖。贝尔医学奖。1924199819192004CT设备原理n1972年，年，G.N.Hounsfield研制出世界上第一研制出世界上第一台用于临床的台用于临床的CT，利用这台，利用这台CT首次为一名妇首次为一名妇女诊断出脑部的囊肿，取得了世界上第一张女诊断出脑部的囊肿，取得了世界上第一张病人病人CT照片。照片。nHounsfield和和Ambrose在英国放射学年会上在英国放射学年会上正式发表论文，宣告正式发表论文，宣告CT的诞生；同年的诞生；同年11月，月，在北美放射学会（在北美放射学会（Radiologica

4、l Society of North America，RSNA）年会上向全世界宣）年会上向全世界宣布。布。CT设备原理n1974年，美国年，美国George Town大学医学中心大学医学中心的工程师的工程师Ledley研制出世界上第一台全身研制出世界上第一台全身CT。n在此后在此后30多年的时间内，已先后从头颅多年的时间内，已先后从头颅CT发展到螺旋发展到螺旋CT和多层和多层CT。n通过多个不同角度对物体用通过多个不同角度对物体用X射线扫描后，射线扫描后，可以将信息可以将信息100%的获取的获取 CT设备原理Computed Tomography CT的基本思想（或称原理）的基本思想（或称原理

5、）是取一高度准直的、极细笔是取一高度准直的、极细笔状状X射线束，环绕人体某一射线束，环绕人体某一部分作断面扫描，未被吸收部分作断面扫描，未被吸收光子穿透人体后被检测器接光子穿透人体后被检测器接收，作为模拟信号输人，经收，作为模拟信号输人，经过数处理和运算后重建图像。过数处理和运算后重建图像。CT设备原理（一）第一代（一）第一代CT（平移（平移+旋转扫描方式）旋转扫描方式）n多属头部专用多属头部专用CT，由一只，由一只X线管和线管和1-2个晶个晶体探测器（体探测器（detector）组成。由于）组成。由于X线束被线束被准直器准直为铅笔芯粗细的笔形线束，又称准直器准直为铅笔芯粗细的笔形线束，又称笔

6、形束笔形束CT。CT设备原理nX线管产生的笔形束穿过病人头部照射到与其线管产生的笔形束穿过病人头部照射到与其相对的探测器上，二者先做同步直线相对的探测器上，二者先做同步直线平移扫平移扫描描运动。获得运动。获得240个透射测量数据后，个透射测量数据后，停止平停止平移移，再环绕病人头颅中心，再环绕病人头颅中心旋转旋转1，做与上次，做与上次方向相反的方向相反的直线扫描直线扫描运动。获得运动。获得240个测量数个测量数据后，据后，停止平移，再旋转停止平移，再旋转1，重复上述过程，重复上述过程，直到直到180得到得到180组由组由240个测量数据组成的个测量数据组成的平行投影值，即完成了数据的采集过程。

7、平行投影值，即完成了数据的采集过程。CT设备原理CT设备原理CT设备原理First GenerationOne detectorTranslation-rotationParallel-beam(From G.Wang)CT设备原理n第一代第一代CT的缺点是：的缺点是：1.X线利用率很低；线利用率很低；2.扫描时间长；扫描时间长；3.重建的图像质量较差。重建的图像质量较差。n为了提高效率，可再加一个探测器，一次扫为了提高效率，可再加一个探测器，一次扫描可同时对两个层面进行数据采集，获得二描可同时对两个层面进行数据采集，获得二个层面图像。这样，提高了第一代个层面图像。这样，提高了第一代CT的工作

8、的工作效率和效率和X线的利用率。线的利用率。CT设备原理（二）第二代（二）第二代CT（平移（平移+旋转扫描方式）旋转扫描方式）n第二代第二代CT在第一代在第一代CT的基础上，由单一笔的基础上，由单一笔形束改为形束改为扇形线束扇形线束，一只，一只X线管和线管和扇形排列扇形排列的的330个晶体个晶体探测器探测器组成。由于组成。由于X线束为线束为520的小扇形束，又称小扇束的小扇形束，又称小扇束CT。CT设备原理n每次平移扫描后的旋转角由每次平移扫描后的旋转角由1提高到扇面夹提高到扇面夹角角度，这样旋转角角度，这样旋转180时，扫描时间缩短时，扫描时间缩短到到2090s，第二代快速，第二代快速CT有

9、有30个以上的探个以上的探测器，扫描时间减至测器，扫描时间减至18s。为了提高图像质。为了提高图像质量，也有的采用量，也有的采用240、360平移加旋转扫平移加旋转扫描，这种描，这种CT比第一代比第一代CT各项指标均有提高，各项指标均有提高，不但可作头颅检查，实际上已具备了做全身不但可作头颅检查，实际上已具备了做全身CT检查的条件。检查的条件。CT设备原理CT设备原理CT设备原理Second GenerationMultiple detectorsTranslation-rotationSmall fan-beam(From G.Wang)CT设备原理CT设备原理CT设备原理n主要缺点是：在扫

10、描过程中，由于病人的生主要缺点是：在扫描过程中，由于病人的生理运动，易产生伪影。理运动，易产生伪影。n第一代第一代CT和第二代和第二代CT对病人运动引起的伪影对病人运动引起的伪影特别敏感，因为在旋转期间不采集数据，如特别敏感，因为在旋转期间不采集数据，如果病人运动，就会引起透射读数的差异，致果病人运动，就会引起透射读数的差异，致使重建图像出现条纹伪影。目前，第二代使重建图像出现条纹伪影。目前，第二代CT也已基本淘汰。也已基本淘汰。CT设备原理（三）第三代（三）第三代CT（旋转（旋转-旋转扫描方式）旋转扫描方式）n第三代第三代CT的扇形角较宽（的扇形角较宽（3045），可），可包含整个病人扫描层

11、面，所以又称为包含整个病人扫描层面，所以又称为广角扇广角扇束束CT，探测器增加到，探测器增加到3001000个，逐个依个，逐个依次无空隙的排列。次无空隙的排列。CT设备原理n扫描时，仅做围绕病人进行的连续旋转运动扫描时，仅做围绕病人进行的连续旋转运动即可。大大缩短了扫描时间，故全身扫描时即可。大大缩短了扫描时间，故全身扫描时间可缩短到间可缩短到29s或更短。但需大或更短。但需大mA，为此，为此，均选用旋转阳极均选用旋转阳极X线管。全身线管。全身CT一般都采用一般都采用此种扫描方式。此种扫描方式。n第三代第三代CT的优点：结构较简单，使用操作方的优点：结构较简单，使用操作方便，可获得较理想的便，

12、可获得较理想的CT图像。图像。CT设备原理CT设备原理Third GenerationMultiple detectorsTranslation-rotationLarge fan-beam(From G.Wang)CT设备原理CT设备原理n其缺点是：需对相邻探测器的灵敏度差异进其缺点是：需对相邻探测器的灵敏度差异进行校正，这是因为一个角度的投影由不同的行校正，这是因为一个角度的投影由不同的相邻探测器进行测量，相邻探测器的性能差相邻探测器进行测量，相邻探测器的性能差异将产生同心环形伪影。目前，第三代异将产生同心环形伪影。目前，第三代CT的的环形伪影已被解决，成为当代环形伪影已被解决，成为当代C

13、T的主流的主流n在第三代在第三代CT基础上发展起来的滑环式螺旋基础上发展起来的滑环式螺旋CT，特别是近几年来各大厂家研究开发的多层面特别是近几年来各大厂家研究开发的多层面CT已成为现在和未来一段时期的主导产品。已成为现在和未来一段时期的主导产品。CT设备原理（四）第四代（四）第四代CT（旋转（旋转-静止扫描方式）静止扫描方式）n第四代第四代CT具有更多的探测器（具有更多的探测器（6001500个，个，分布在分布在360的圆周上）。的圆周上）。n扫描时，仅扫描时，仅X线管做围绕病人一周的旋转运动，线管做围绕病人一周的旋转运动，而探测器则固定不动。扇形线束角度也较大，而探测器则固定不动。扇形线束角

14、度也较大，扫描速度可达扫描速度可达15s，是第三代，是第三代CT的一个变形。的一个变形。第四代第四代CT的出现原因是第三代的出现原因是第三代CT在扫描过程在扫描过程中，从几何结构上讲，中，从几何结构上讲，每一个探测器只接受穿每一个探测器只接受穿过病人扫描层面内的某一环形部组织的过病人扫描层面内的某一环形部组织的X线衰线衰减信息，减信息，当探测器性能不稳定时，容易引起环当探测器性能不稳定时，容易引起环形伪影而研制的。形伪影而研制的。CT设备原理n当第三代当第三代CT采用稳定可靠的高效率探测器之采用稳定可靠的高效率探测器之后，并从软件上解决了环形伪影的产生条件后，并从软件上解决了环形伪影的产生条件

15、和配置了软件校正措施。和配置了软件校正措施。n第四代第四代CT则因探测器数量多且在扫描过程中则因探测器数量多且在扫描过程中不能被充分利用，相对于第三代不能被充分利用，相对于第三代CT已失去了已失去了明显的优越性。故第四代明显的优越性。故第四代CT只有个别厂家曾只有个别厂家曾经生产过。经生产过。CT设备原理CT设备原理Fourth GenerationDetector ringSource-rotationLarge fan-beamCT设备原理Third&Fourth Generations(From Picker)(From Siemens)CT设备原理（五）第五代（五）第五代CT（静止（静

16、止-静止扫描方式）静止扫描方式）n第五代第五代CT由一个大型特制扫描电子束由一个大型特制扫描电子束X线管、线管、一组由一组由864个固体探测器构成的阵列和一个数个固体探测器构成的阵列和一个数据采样、图像处理、数据显示的计算机系统组据采样、图像处理、数据显示的计算机系统组成。成。n864个固体探测器均分为两组（个固体探测器均分为两组（432个），分别个），分别安装在两个安装在两个216的固定环内。每个固体探测的固定环内。每个固体探测器作为一个数据采集单元。它由一个器作为一个数据采集单元。它由一个X线线可可见光转换晶体、一个光见光转换晶体、一个光电转换硅二极管和一电转换硅二极管和一个前置放大器构成

17、。以上三者必须做到最佳匹个前置放大器构成。以上三者必须做到最佳匹配，以提高稳定度和精度。配，以提高稳定度和精度。CT设备原理CT设备原理E-Beam CT ScannernSpeed:50,100 msnThickness:1.5,3,6,10 mmnECG trigger cardiac images(From Imatron)CT设备原理n第五代第五代CT的工作过程是：的工作过程是：1、电子枪产生的电子束加速、电子枪产生的电子束加速(沿沿X线管长轴方线管长轴方向向)、偏转、轰击到、偏转、轰击到4个紧挨的个紧挨的210环型靶面环型靶面（靶环）上；（靶环）上；2、准直器将、准直器将X线准直成扇

18、角为线准直成扇角为30、厚为、厚为2cm的扇形束；的扇形束；CT设备原理3、X线穿过病人病人，由环形探测器阵列测量线穿过病人病人，由环形探测器阵列测量透射后的透射后的X线强度分布，经线强度分布，经A/D转换后，进行转换后，进行图像重建。图像重建。4、高速运动的电子束无机械惯性，可依次扫、高速运动的电子束无机械惯性，可依次扫描一个靶环或同时轮番扫描描一个靶环或同时轮番扫描2-4个靶环。由于个靶环。由于采用排成两排的环形探测器阵列，故高速运采用排成两排的环形探测器阵列，故高速运动的电子束扫描一个靶环可得到相邻两层的动的电子束扫描一个靶环可得到相邻两层的图像。图像。CT设备原理各代各代CT比较比较第

19、一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代扫描方式扫描方式笔束扫描笔束扫描扇束扫描扇束扫描运动方式运动方式平移平移/旋转方式旋转方式连续扫描方式连续扫描方式扫描时间扫描时间3min10s2min2.8s10s1s10s更快更快主要用途主要用途头颅扫描头颅扫描全身扫描，观察除心全身扫描，观察除心脏外的脏器脏外的脏器可用于血管造影可用于血管造影和心脏造影和心脏造影CT设备原理二、现状与发展趋势二、现状与发展趋势 最初研制的最初研制的CT扫描仪只能用于人脑的检查，扫描仪只能用于人脑的检查，时间约需时间约需1分钟至分钟至4分钟。此后分钟。此后20多年来，多年来，CT设备已从第设备已从第

20、1代发展至第代发展至第5代，其各项性能和速代，其各项性能和速度都有了很大提高。扫描时间从度都有了很大提高。扫描时间从4分钟到分钟到5分钟分钟缩短到缩短到1秒钟甚至更短。秒钟甚至更短。CT设备原理n除除X射线射线CT外，其他型号的外，其他型号的CT也相继问世，也相继问世，如单光子发射如单光子发射CT(single photo emission CT，SPECT)、正电子发射型、正电子发射型CT（positive emission CT，PET）、核磁共振）、核磁共振CT等均已等均已付诸临床应用。付诸临床应用。n超声超声CT（UCT）、微波）、微波CT的研究也取得了极的研究也取得了极大的进展。同时

21、大的进展。同时CT在工业生产等方面都已取在工业生产等方面都已取得了令人瞩目的成果并展示了美好的前景。得了令人瞩目的成果并展示了美好的前景。CT设备原理nCT扫描机自扫描机自20世纪世纪70年代问世以来，随着计年代问世以来，随着计算机技术和其它相关技术的进步，获得了突算机技术和其它相关技术的进步，获得了突飞猛进的发展。特别是近几年，出现了滑环飞猛进的发展。特别是近几年，出现了滑环技术（技术（slipring）、螺旋扫描技术（）、螺旋扫描技术（helical scan）以及在此基础上发展起来的多层面）以及在此基础上发展起来的多层面CT技术，使技术，使CT检查技术达到了一个崭新的水平。检查技术达到了

22、一个崭新的水平。nCT的发展趋势是：简化操作、缩短扫描时间、的发展趋势是：简化操作、缩短扫描时间、提高检查效率（一次扫描获得的层数更多）提高检查效率（一次扫描获得的层数更多）和图像质量。和图像质量。CT设备原理n目前，投入临床应用的有目前，投入临床应用的有2层层CT、4层层CT、8层层CT、16层层CT。并已有。并已有64层的层的CT装机使用。装机使用。从真正实现了从真正实现了X线管旋转一周就能获得更多的线管旋转一周就能获得更多的层面，即可完成一个脏器的扫描，真正实现层面，即可完成一个脏器的扫描，真正实现所谓的容积扫描（所谓的容积扫描（volume Scan）。）。n还有些科研机构正在开发应用

23、平板探测器替还有些科研机构正在开发应用平板探测器替代传统探测器的多层代传统探测器的多层CT扫描机，并已有了雏扫描机，并已有了雏型机。还希望型机。还希望X线管旋转一周就能可完成一个线管旋转一周就能可完成一个运动脏器的扫描，此类设备称为锥形运动脏器的扫描，此类设备称为锥形CT扫描扫描机（机（cone beam CT）。）。CT设备原理n目前锥形目前锥形CT扫描机面临的难点是：扫描机面临的难点是：克服锥形线束伪影（克服锥形线束伪影（cone beam artifact）；）；改进图像重建算法；提高大量数据的处改进图像重建算法；提高大量数据的处理速度；提高平板探测器的性能；克服理速度；提高平板探测器的性能；克服机械结构限制。随着科学技术的不断进步，机械结构限制。随着科学技术的不断进步，上述难点最终必将得到解决，真正的容积上述难点最终必将得到解决，真正的容积CT将会在不远的将来问世。将会在不远的将来问世。CT设备原理CT设备原理