【医学图像处理】CT成像技术之CT设备

本系列重点介绍CT成像技术，并将介绍用于获取图像的设备，如何形成和显示图像，影响图像质量的因素以及如何测量剂量。

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本章节重点介绍CT成像技术之CT设备

摘要

CT扫描仪的组件：

过滤器：

放置在X射线源和患者之间
去除低能X射线
产生更多的单色光束
可能是领结形的，一旦穿过身体就可以减弱衰减

准直器：

放置在过滤器和患者之间
缩小光束以产生更薄的切片
来自外部切片的散射更少
降低患者剂量

检测器阵列：

固体探测器：

最常用的
固体荧光材料将X射线转换为光子

电离室检测器（不再使用）：

充满气体的单个腔室，该腔室通过X射线电离

构台：

滑环系统允许构台连续旋转

几代CT扫描仪：

第一个：使用单个检测器进行平移旋转
第二：与探测器行平移旋转
第三：旋转-连续旋转一排检测器。最常用的CT类型
第四：旋转固定，带有完整的固定探测器环
第五：用于心脏成像的电子束扫描仪

组件

主要包括 X-ray tubeX射线管，Filter过滤器，Collimator瞄准仪，Detector array探测器阵列和Gantry构台。

`Filter`过滤器

放置在X射线源和患者之间（类似于普通胶片X射线照相术中所使用的）。

作用：

(1).去除低能量（软）X射线，这些X射线不会有助于图像形成，但会增加患者剂量。

(2).随着低能X射线的去除，X射线能量的光谱会变窄，从而产生更“单色”的光束。图像重建基于单个能量单色光束的假设。

(3) 在某些扫描仪中，滤镜的形状可以使光束成形，例如“领结式”滤镜。人体的侧边缘比中心薄，这意味着X射线束的衰减较小。成形滤光片通过使光束的侧向边缘比中心更多地衰减来对此进行补偿。这些滤镜根据所成像的身体部位而具有不同的形状/大小。在上图中，过滤器设计用于对胸部或腹部成像。如果正在对头部成像，则将使用较小的滤镜以匹配头部的大小。

`Collimator`瞄准仪

准直仪放置在过滤器和患者之间。

1.降低对患者的辐射剂量

2.限制从所需切片外部散布

`Detector array`探测器阵列

原始的单片扫描仪只有一排检测器。现在，所有扫描仪都是多层的，并具有8-64行检测器。通常每行有1000-2000个检测器。

探测器的重要属性

CT能量范围内的X射线检测效率高
高动态范围
有源元件之间的间隙狭窄（良好的几何效率）
反应快
低成本
物理尺寸小

探测器类型

1.固态检测器（SSD）

上层为荧光材料，下层为光电二极管，X-ray激发为可见光，由光电二极管转换为电信号。

特性：

高检测效率（〜90％）
几何效率高（〜80％）
探测器元件的物理尺寸小

为常用的Detector array探测器阵列

2. 电离室检测器（不再使用）

探测器阵列是一个装有高原子序数气体（K /氙气）的单个容器，并通过钨隔垫细分为单独的探测器。X射线使气体电离并在收集电极处产生信号。

特性：

较低的检测效率（〜50％）
高稳定性
探测器元件之间的灵敏度一致

被固态探测器取代，不再使用。不适合多层扫描仪。

`Gantry`构台

滑环可让CT扫描仪机架连续旋转。通过与固定环接触，旋转机架上的电刷可以为机架提供电源，并将信号传递到计算机。旋转时间在0.25-3秒之间。

几代CT扫描仪

第一代：平移旋转

X射线束由单个检测器拾取。
然后，X射线源和检测器一起移动。
然后两者一起旋转以成像不同的角度
重复此操作直到扫描了一个切片
然后两个人向下移动患者以开始对不同的切片进行成像

该方法每片扫描需要5分钟

第二代：平移旋转

X射线束由多达30个检测器的行拾取。
然后，X射线源和检测器一起移动
然后两者一起旋转以成像不同的角度
重复此操作直到扫描了一个切片
然后两者向下移动患者以开始对患者的不同切片进行成像

该方法每片耗时5-90秒

第三代：`Rotate-Rotate`

X射线束击中一排探测器，其宽度足以成像整个切片
然后两者一起旋转以成像不同的角度
重复此过程，直到扫描了一个切片，然后将阵列移至另一个切片（轴向扫描）。或者，检测器阵列会随着患者旋转而不断向下移动（螺旋扫描）。

这是当今最常用的方法，大约需要0.3秒才能成像单个切片

第四代：`Rotate-Fixed`

有固定的完整探测器环
X射线源旋转以捕获切片
然后两者都向下移动患者以开始对不同的切片进行成像

这在今天并不常用。

电子束扫描仪（有时称为第5代CT）

电子束通过电磁场偏转到患者下方的固定钨阳极靶阵列上。
电磁场将电子束扫过目标，从而产生数百个X射线束，穿过患者发射到患者上方的检测器。
快速扫描50-250毫秒。
主要用于某些心脏成像。

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20200419