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CT 扫描技术及设备

CT 扫描技术及设备. 内容提要： 第一节 CT 成像系统概述 第二节 CT 扫描技术概述 第三节 螺旋 CT 的图像后处理技术 第四节 CT 图像的质量控制 第五节 人体各部位 CT 扫描技术. 本章节推荐教学参考书. 第一节 CT 成像系统概述 一、 CT 的发明 CT （ Computed Tomography ）即电子计算机体层摄影，又称 X 线 CT 。 X 线平片的缺点 …,CT 的发明解决了其不足. ▲1917 年 Radon 提出了图像重建的数学方法。

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CT 扫描技术及设备

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  1. CT扫描技术及设备 内容提要： 第一节 CT成像系统概述 第二节 CT扫描技术概述 第三节 螺旋CT的图像后处理技术 第四节 CT图像的质量控制 第五节 人体各部位CT扫描技术

  2. 本章节推荐教学参考书

  3. 第一节 CT成像系统概述 一、CT的发明 CT（Computed Tomography）即电子计算机体层摄影，又称X线CT。 X线平片的缺点…,CT的发明解决了其不足

  4. ▲1917年Radon提出了图像重建的数学方法。 ▲1971年英国工程师Hounsfield设计成功第一台颅脑CT机 ▲1972年应用于临床 ▲1974年，美国工程师Ledley设计出全身CT机. ▲Hounsfield和美国物理学家Cormark获得了1979年度诺贝尔医学生理学奖。 Hounsfield于2004年8月12日在英国逝世，享年84岁

  5. 二、CT的成像原理 （一）基本原理 CT成像的物理学基础是物体对X线的吸收存在差异。高度准直的X线束对人体某个部位按一定厚度进行扫描→穿过人体的X线由探测器接收→ 经放大变为电子流→ A/D转换→输入计算机处理→计算机通过运算得出该断面上各体素的X线吸收值，并排列成数字数字矩阵→经D/A转换后用不同的灰度等级在显示器上显示即获得该部位的横断面或冠状面的CT图像。

  6. （二）CT成像中的基本概念 1．CT值（CT number） • X线穿透人体时，不同的组织密度值代表不同的线性衰减系数μ，一般用它的相对值表示，称为CT值。 CT值＝（（μ物质-μ水）/μ水）×K K为分度因数（设为1000），则CT值的单位为HU（Hounsfield Unit） • CT值的定义是以水为标准，其它组织与之比较后得出。水的线性衰减系数为1，致密骨约为2，空气约为0（实际为0.0013），水的CT值为0HU，人们将－1000～+1000分为2001个等级来表示CT值的差别。

  7. 2．矩阵（matrix） 在CT技术中，矩阵的大小影响着图像质量，矩阵大，象素数量相应增加，图像的分辨率就高，图像质量越好，512×512、1024×1024最为常用。 • 重建矩阵和显示矩阵:重建矩阵是X线线性衰减系数的矩阵，其大小决定了图像分辨率；显示矩阵是指显示器上图像的矩阵。 3．体素（voxel） CT图像是人体某部位一定厚度（如1mm、5mm、10mm）的体层像，把体层分成按矩阵排列的若干个很小的体积单元，这些体积单元称为体素。 体素是三维的，每个体素中的μ是一致的。

  8. 4．象素（pixel） 一幅CT图像是由许多矩阵排列的小单元组成，这些组成图像的基本单元称为象素。象素是二维的，每一个象素内密度均一，象素结构中的平均密度决定其灰度值。由于每个体素的μ值是一定的，它在CT图像中是以象素的形式来反映。象素越小，图像的分辨率越高，图像质量越好。

  9. 5．灰阶 （grey scale） CT图像是将重建矩阵中的每一个象素经D/A转换成相应的亮、暗信号在显示器上显示，这些亮暗信号的等级差别称为灰阶，一般将灰阶分为16阶，每阶又有4级连续变化的灰度，共有64个连续的过度等级，因CT值在-1000～+1000范围内，所以每级分别代表约31个连续的CT值。 6.窗口技术（windows technology） 人眼不能分辨微小的灰度差异，为了提高组织结构的细微显示效果，分辨相邻组织的差别，突出显示诊断需要的图像信息（感兴趣区），通常通过调节图像的对比度和亮度来完成，这种技术称为窗口技术，窗口技术分为窗宽和窗位。

  10. （1）窗宽(windows width，WW) • 窗宽表示的是图像上包含的16个灰阶的CT值的范围。 • 窗宽主要影响CT图像的对比度，窗宽窄图像的层次少，对比度强，每级灰阶代表的CT值幅度较小，可分辨密度差异较小的组织结构，如脑组织的WW（80～100）。窗宽增大，每级灰阶代表的CT值幅度加大，图像对比度差，但轮廓光滑，适于分辨密度差别较大的组织，如肺组织的WW为1300～1800。

  11. （2）窗位 （windows level，WL） • 窗位是窗宽上、下限CT值的平均数。 • 窗位主要影响CT图像的亮度，WL低图像亮度高呈白色，而窗位高图像亮度低呈黑色。 骨组织的WL：350左右 肺组织的WL： -650左右 腹部、纵隔的WL：40左右

  12. 脑组织窗 骨窗 (1500,350) (90,40) 纵隔窗 肺窗 (1600,－650) (300,40)

  13. （三）CT成像的过程 包括数据采集、数据处理、图像重建、图像显示、打印等几步。 1．数据采集 从X线的发生到数据信息的获得，这个过程称为～。 数据采集系统由X线管、滤过板、准直器、探测器和A/D转换器等组成。

  14. 2．数据处理 （1）校正X线束硬化效应（线性化）： X线管发出的射线是由不同的能量组成，作用于人体时，低能射线比高能射线衰减的多，使得高能射线与全部射线的比率相对提高，X线束硬度增加，这种现象称为X线束的硬化效应。 硬化效应会使得采集到的数据失真，影响图像重建效果。校正是在A/D转换器中进行的。

  15. （2）去除空气值：因探测器不是工作在真空中，所以存在一定的空气值，须将此值去掉，才能保证数据的相对准确。（2）去除空气值：因探测器不是工作在真空中，所以存在一定的空气值，须将此值去掉，才能保证数据的相对准确。 （3）修正零点漂移：探测器在收集和转换数据的过程中存在着余辉时间及参数的差异，加之X线管输出量的细微变化，使得几次扫描时各通道的输出稍有不同，有的通道是零，有的通道是正或负，这种现象被称为探测器的零点漂移，将引起空气的CT值不是-1000。 （4）正常化处理：是指对探测器收集到的全部数据进行校正和检验。

  16. 3．图像重建 图像重建的过程主要是如何求解μ1、μ2…、μn，图像重建的处理过程包含了复杂的数学运算。 重建方法分直接法和间接法两类，直接法通过直接计算线性方程式进行，包括反矩阵法、迭代法等，现已不再采用；间接法是先计算傅立叶变换系数再求出衰减系数的方法，有二维傅立叶变换法、卷积法和反投影法等。 4．图像显示、打印及冲洗 重建出来的图像显示于显示器上，将图像调节到理想状态后供诊断用，最后将图像送照相机、打印机拍照，经冲洗得到CT照片。

  17. 三、CT成像系统的组成 （一）硬件系统 1．扫描机架:X线管、准直器、探测器等，机架可倾斜。 2．X线管:大容量、旋转阳极X线管， “飞焦点” 。 3．准直器:决定扫描层厚、减少散射线以提高图像质量、降低被检者的辐射剂量。 4．楔形滤过器:滤掉低能射线，提高X线束的平均能量。 5．探测器:接受穿透人体的剩余射线，将其变为电信号。 稀土陶瓷探测器，多排探测器。 6．模/数转换器（A/D） 7．高压发生器: 8．计算机系统: 9．扫描检查床:螺旋CT对床移动的精度要求很高。 10．辅助设备:电源系统、照相机、工作站

  18. （二）软件系统 CT机的软件平台多采用专用操作系统、Unix、Linux等操作系统。 1．基本功能软件 完成扫描、图像处理、图像存储、照相等常规工作的软件。 2．特殊功能软件 包括故障诊断软件、特殊扫描软件（如动态扫描、快速连续扫描、高分辨率扫描等）、图像特殊处理软件（如三维表面重建、模拟内窥镜等）、定量分析软件等。

  19. 四、CT机的发展概况 发展目标：提高扫描速度、提高图像质量、提高检查效率及完善特殊扫描功能等。 平板型CT… （一）五代CT机的主要特点

  20. （二）滑环技术与螺旋CT 1．滑环技术 传统CT机:X线管－高压电缆－高压发生器… 1985年，滑环技术(Toshiba)… 高压滑环易发生放电导致高压噪声，影响采集的数据而降低图像质量，同时安全性差； 低压滑环的高压发生器采用体积小、功率大的高频结构，与X线管同装于扫描架内，同时旋转，稳定性好，危险性小。

  21. 2．螺旋CT (helical CT) 螺旋CT的核心技术是滑环技术，X线管在连续旋转、曝光的同时，扫描床以一定的速度沿Z轴方向运动，探测器采集到的数据不再是传统CT的单层数据信息，而是人体某段体积的信息，扫描完成后可根据需要作不同层厚和层间距的图像重建。 螺旋CT扫描又称容积扫描(volumetric scanning)。 根据X线管和探测器的运动方式，螺旋CT仍属于“旋转＋旋转”类，即第三代CT机，但扫描性能大大提高、扫描时间大大缩短。

  22. （1）螺旋CT的成像参数： ①螺距（Helical Pitch）：床速与X线束准直宽的比值，螺距等于0时，相当于传统CT扫描；螺距等于0.5时，X线管旋转曝光2周；螺距等于1时，X线管旋转曝光1周；螺距等于2时，X线管旋转曝光半周，螺距越大，探测器采集的信息量相对较少，图像质量下降。 ②重建间隔(reconstruction interval)：被重建的两相邻断面之间长轴方向的距离。回顾性图像重建，即先进行螺旋扫描取得原始数据，然后根据需要作任意断面的图像重建。 （2）螺旋CT的优点： ●提高了多平面和三维图像重建的质量 ●一次屏气完成一个部位的扫描，不会遗漏病灶 ●可进行任意层面的回顾性重建 ●提高了扫描速度，使增强扫描的意义加强。

  23. 3．多层螺旋CT (Multi Slice Helical CT，MSCT) 1991年，以色列的Elscint公司推出了双层螺旋CT，扫描速度比普通螺旋CT提高了一倍，1998年底的RSNA年会上， Siemens、GE、Marconi（Picker）、Toshiba同时推出了旋转一周可获得4层连续层面图像的多层螺旋CT，或称多排探测器CT（Multi Detector Row CT，MDCT）。

  24. （1）多层螺旋CT与单层螺旋CT的不同： ①探测器的排列不同：单层螺旋CT的Z轴方向上只有一排探测器，MSCT采用4组通道的多排探测器。 ②X线束不同：单层螺旋通过准直器后的X线束为薄扇束(fan-beam)，X线束的宽度等于层厚。MSCT采用可调节宽度的锥形线束(cone-beam)，线束宽度等于多个层厚之和，提高了X线的利用率。 ③数据采集通道不同：单层螺旋在Z轴方向上只有一组通道采集数据，MSCT把多排探测器组成4组，形成数据采集的4组输出通道。 ④同一扫描周期内获得的层数不同：一层与多层。

  25. ⑤决定层厚的方法不同：单层螺旋的层厚仅通过改变X线束的宽度来完成，线束的宽度等于层厚，多层螺旋的层厚不仅取决于X线束的宽度，还与探测器阵列的不同组合有关，如同样10mm宽的X线束，可由每4排1.25mm探测器组成一个5mm探测器通道，获得2层5mm层厚的图像，也可以由每2个1.25mm探测器组成一个2.5mm探测器通道，获得4层2.5mm层厚的图像。⑤决定层厚的方法不同：单层螺旋的层厚仅通过改变X线束的宽度来完成，线束的宽度等于层厚，多层螺旋的层厚不仅取决于X线束的宽度，还与探测器阵列的不同组合有关，如同样10mm宽的X线束，可由每4排1.25mm探测器组成一个5mm探测器通道，获得2层5mm层厚的图像，也可以由每2个1.25mm探测器组成一个2.5mm探测器通道，获得4层2.5mm层厚的图像。 ⑥图像重建的方法不同：新算法，以减少伪影、噪声，提高图像质量，减少曝光量。 ⑦MSCT螺距的概念：已经统一采用SSCT…

  26. （2）多层螺旋CT的技术改进： ①X线管的改进：飞焦点技术 ②高压发生器的改进：固态高频高压发生器 ③智能扫描：自动变化扫描条件 ④驱动的改进： 以前都为皮带驱动，MSCT大多采用电磁驱动、磁悬浮技术，提高了旋转速度，降低了机械噪声。 ⑤探测器的改进：一是采用稀土陶瓷探测器，吸收率在99%以上，稳定性好。二是增加了Z轴方向上探测器的排数。

  27. （3）多层螺旋CT的优势： ①空间分辨率和时间分辨率提高。 ②一次扫描可获得多层图像。 ③扫描速度大大提高，全身扫描在30秒内可完成。 ④可进行回顾性重建。 ⑤X线的利用率提高。 ⑥三维成像、模拟内窥镜效果更佳。 ⑦增强扫描的效果明显提高。 ⑧心脏CT扫描成为可能。 ⑨可进行CT透视。

  28. （三）电子束CT 它与前几代CT的最大差别在于X线管的结构，主要有电子枪、偏转线圈和处于真空中的半圆形钨靶，扫描时，电子束沿X线管轴向加速，电子束经线圈聚焦，并利用磁场使电子束瞬时偏转，分别轰击四个靶面。扫描时间为30～100ms，一次扫描每个靶面得到2层图像，4个靶面共出8层图像，为心脏、大血管的CT检查提供了可能。

  29. 五、CT机的工作环境与维护 （一）工作环境要求 1．温度 在18～22℃之间。 2．湿度 相对湿度应在40％～65%之间。 3．防尘

  30. （二）CT机的日常维护 1．严格按照操作规程使用机器，在不熟悉机器的情况下，严禁任何动作。 2．温度、湿度、防尘要达到要求。 3．无关人员严禁进入控制室。 4．启动机器、关闭机器要按照要求进行，关机后又要重新启动机器时，注意要间隔一定的时间，不能马上开机。 5．每天早上开始扫描前或当机器在2个小时内未扫描病人时，机器会提示进行X线管预热，即训练X线管，使X线管的温度达到工作状态，如果忽略了将影响X线管的寿命。 6．定期进行空气校准。 7．每天做好交接班记录及机器使用记录。

  31. 六、CT机的主要性能参数 1．视野（field of view，FOV） （1）扫描视野(SFOV)：18～50cm之间的几个组合。 （2）重建视野(DFOV)：缩小重建视野或增大矩阵可以获得较小的象素值，提高图像的质量。 2．机架孔径 3．机架倾斜角度 4．X线管热容量 5．X线管焦点 6．管电压 7．管电流：增加管电流，可增加探测器吸收的光子数，提高信噪比，相对降低噪声，提高密度分辨率

  32. 8．扫描时间 扫描时间是指扫描一层的曝光时间（传统CT）或X线管旋转一周的曝光时间（螺旋CT），目前最短的曝光时间已达到0.37秒（西门子64层） 。 9．重建时间：目前最快已达到毫秒级。 10．滤波函数 （1）标准算法： （2）软组织算法：适用于软组织图像的显示。 （3）骨细节算法：适用于观察组织密度差异较大的部位及骨结构，它强调空间的对比分辨，图像边缘锐利，如乳突中耳。 11．层厚（slice thickness）：即层面厚度，它影响着图像的分辨率，层面越薄图像的空间分辨率越高，但探测器接受的X线光子数减少，使得密度分辨率下降。 12. 层距（slice gap）：指相邻两个层面的中点之间的距离。

  33. 七、CT的优点及局限性 1．优点 （1）密度分辨率高：能分辨人体组织细小的吸收差异，提高了病变的检出率。 （2）获得真正的断面图像 （3）可以进行定量分析 2．局限性 （1）空间分辨率低于X线平片，提高空间分辨率是今后CT机需要解决的问题。 （2）CT的检查范围并不是对人体的所有部位、器官都有效，对心脏、胃肠道的检查还比不上心脏彩超、电子胃镜等。 （3）CT的定性、定位诊断只是相对而言，它的定性终究比不上病理结果。 （4）不能反映脏器的功能和生化信息：CT图像基本上反映了解剖学的情况，脏器功能和生化信息还很薄弱。

  34. 第二节 CT扫描技术概述 一、CT检查的工作程序 1．划价、交费 2．预约、登记 3．交待准备工作：询问被检者是否做过不适宜立即行CT扫描的检查，如胃肠道钡检；增强扫描者是否有药物过敏史；是否做过相关的影像学检查。 4．摆好扫描体位、扫描。 5．摄取图像照片、冲洗。 6．发出诊断报告。

  35. 二、扫描前病人的准备工作 1．对被检者做好耐心细致的解释工作，消除其顾虑和紧张情绪。 2．检查并除去检查部位的异物，防止图像伪影。 3．胸部、腹部扫描时，均应做好呼吸训练，减少移动伪影。喉部扫描者嘱被检者在扫描中不要做吞咽动作。 4．增强扫描者，扫描前6小时禁食，检查前20分钟做碘过敏试验。 5．腹部扫描者，扫描前一周不吃含金属药物，不做胃肠道钡餐检查。 6．对于婴幼儿、躁动不安或其它不配合的病人，应根据情况给予镇定。

  36. 三、CT机的操作步骤 1．开机 2．X线管预热 3．空气校准：是为了修正零点漂移造成的误差而进行的，校准的方式是对空气进行扫描，获得探测器各通道的零点漂移值，从而保证采集到的数据相对准确。 4．检查磁盘空间 5．扫描:根据申请单的要求，完成扫描。 6．关机:每天扫描工作结束后，关闭CT机。 我们的做法…

  37. 四、常规CT扫描的步骤 1．认真阅读申请单，了解检查的目的和要求。 2．输入被检者的自然资料，包括CT号、姓名、性别、年龄、出生年月日、体位名称等。 3．摆放好被检者体位，向被检者交待扫描时的注意事项，做好呼吸、屏气的训练等。 4．选择扫描方案，包括：①从屏幕菜单中选择相关的体位，如是颅脑扫描还是上腹部扫描？是头先进还是足先进？是仰卧、俯卧、左侧卧还是右侧卧？②选择扫描技术参数，如kV、mA、扫描时间、扫描方式（轴位扫描、螺旋扫描）、扫描视野、显示视野、层厚、层间距、重建模式等。 5．开始扫描，根据需要可选择：①利用定位指示灯确定开始位置直接扫描(轴位扫描或螺旋扫描)。②先扫描出正位或侧位或正位＋侧位的定位片，然后根据定位片确定扫描的上下范围及机架的倾斜角度。

  38. 6．观察重建出来的图像，是否需要向上或向下补扫几层，病灶区域是否需要加扫薄层？6．观察重建出来的图像，是否需要向上或向下补扫几层，病灶区域是否需要加扫薄层？ 7．结束检查，退出检查床。 8．图像的后处理工作，如三维表面重建、仿真模拟内窥镜等处理。 9．根据需要选择照片的张数、幅数，拍摄图像照片，送照相机打印，冲洗后得到CT照片。 10．转存图像数据，将存储在CT机硬盘的图像数据转存于便于长期保存的介质中，如CD光盘、磁光盘（MOD)、磁带机等，以备科研、教学、会诊等使用。

  39. 五、CT扫描常用的方法 1．常规扫描（平扫） 不注入造影剂的情况下，对检查部位一层一层的扫描。传统CT…，而螺旋扫描，曝光时X线管不停地旋转，检查床连续进/退的同时曝光。 2．定位扫描 为了准确的定出扫描范围，先取得一幅扫描部位的正位或侧位图像（定位片），然后在定位片上定出确切的扫描区域。扫描定位片时，X线管固定于人体的上边（或侧面）不动，曝光过程中，检查床连续做进/的移动。正位定位片（0°）及侧位定位片（90°） 3．冠状位扫描（冠扫） 指X线管围绕腹背轴旋转进行扫描，获得该部位的冠状面图像的扫描方式，即冠扫，主要用于头部各部位，如眼眶、副鼻窦、垂体的冠扫。

  40. 4．重叠扫描 (overlap scanning) 扫描层厚大于层间距的扫描方法，这种扫描方式可以提高较小病灶的检出率，防止遗漏，螺旋CT由于容积扫描及任意后重建的优点，重叠扫描已很少使用。 5．薄层扫描 (thin slice scanning) 扫描层厚≤5mm的扫描 6．中间加层扫描 在层间加扫一层或几层的薄层，以重点观察局部病灶 7．高分辨率扫描 (high resolution CT,HRCT) 扫描层厚≤3mm、特殊模式重建图像的扫描方法，为了保证图像质量、减少图像噪声，需增加曝光条件，胸部、乳突中耳 8．放大扫描 扫描时通过缩小扫描视野来获得高清晰度放大图像的方法称为放大扫描，其图像的空间分辨率明显提高。又称为原始放大。

  41. 9．目标扫描（靶扫描,target scanning) 对感兴趣区的层面、区域采用薄层、小视野的扫描方法，又称，常用于鞍区、乳突中耳、肾上腺等的扫描，其图像的空间分辨率较高。 10．增强扫描 (contrast scanning) 指注入对比剂后所做的扫描 11．快速连续扫描 预先设计好扫描方案，确定扫描的范围和扫描参数后，自动完成扫描的方法。主要用于CT增强扫描及危重及不配合的患者。 12．动态扫描 (dynamic scanning) 增强后为获得对比剂在血管或组织中的浓度变化而进行的连续扫描方式，单层面的动态扫描，可以观察感兴趣层面在某一时间段中对比剂浓度的变化，多层面的动态扫描，可以观察多个层面的增强效果。

  42. 13．延迟扫描 (delayed scanning) 对比剂注射完后，隔一段时间（如几分钟，甚至几小时）再于病灶部位增加一组扫描的方法，如肝脏增强扫描，对于肝脏血管瘤、肝癌的鉴别就需延迟3～10分钟后再扫描一层或几层。 14．氙气增强扫描 在病人一边吸入医用氙气的同时一边行CT扫描，得到氙增强的图像，主要用于测量脑血流量，可确定脑缺血的部位、范围。 15．穿刺定位扫描 通过CT导向进行经皮穿刺活检，具有定位准确、穿刺安全、并发症少的优点，可以精确确定穿刺点、进针角度、进针深度，避免损伤神经、血管 16．定量骨密度测定 通过定量骨密度测定扫描，可对骨矿物质的含量进行测定。

  43. 六、增强扫描技术 （一）增强扫描的概念 通过引入对比剂，增强组织间对X线的吸收差异，提高CT图像中组织间的对比，这种方法称为增强扫描。增强扫描对病变的定性有着相当重要的意义。 （二）CT成像对比剂（造影剂） CT增强用的对比剂一般为碘剂。常用的有泛影葡胺、优维显、欧奶派克、三代显等，脊髓造影时一般用伊索显。

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