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<div class="chapter" num="3">
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<div class="bodystyle">
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<h2 class="secondTitle">第二章 CT成像的基础理论</h2>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0030-01.jpg" style="width:30%" alt="" active="true" />
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</div>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0019-02.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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</div>
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<p class="center"><span class="bold">素质目标</span></p>
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<p class="content">（1）培养学生对CT设备维护保养的高度责任感，树立主动维护设备正常运行的意识。</p>
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<p class="content">（2）强化团队协作精神，在操作中注重沟通配合。</p>
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<p class="content">（3）深化安全观念，提升在CT设备操作时对人员安全与环境保护的重视程度，确保检查流程规范安全。</p>
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<p class="center">……………………</p>
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<p class="center"><span class="bold">知识目标</span></p>
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<p class="content">（1）掌握：CT设备基本组成、X线衰减及衰减系数、CT成像与重建原理。</p>
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<p class="content">（2）熟悉：CT成像软件系统构成、数据采集原理。</p>
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<p class="content">（3）了解：CT设备成像全流程及数据采集具体方法，构建完整的CT成像基础理论知识体系。</p>
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<p class="center">……………………</p>
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<p class="center"><span class="bold">能力目标</span></p>
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<p class="content">（1）能熟练识别CT设备各组成部分及其功能，灵活运用CT成像原理解决实际问题。</p>
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<p class="content">（2）能独立操作CT设备完成常规检查，根据需求调整参数优化图像质量。</p>
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<p class="content">（3）能具备设备操作常见问题解决能力、团队协作能力，同时保持对新型CT设备与技术的持续学习能力。</p>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0019-03.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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</div>
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<p class="titleQuot-1">【案例】</p>
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<p class="content">
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某医院的CT设备在日常检查中出现图像模糊现象，导致影像学诊断不准确。技术人员首先检查了X线管的工作状态，发现其发射不稳定。随后，他们对探测器进行了校准，确保其灵敏度符合标准。经过调整，设备恢复正常，图像质量显著提升，确保了患者的准确诊断。
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</p>
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<p class="titleQuot-1">【问题】</p>
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<p class="content">1．CT成像基本原理是什么？</p>
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<p class="content">2．在该案例中，技术人员首先检查了哪个组件以排除故障？其重要性是什么？</p>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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<p class="center"><img class="g-pic" src="../../assets/images/0020_01.jpg" alt="" /></p>
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<p class="content">
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CT成像原理是利用X线对人体进行多角度扫描，探测器接收透过人体的X线并转换为电信号，这些信号再经过模数转换后供计算机处理。CT设备基本结构由X线发生系统、探测器系统、数据采集系统和图像重建系统等关键组件构成，其中X线发生系统产生X线束，探测器系统负责信号接收转换，数据采集系统完成信号数字化，图像重建系统将原始数据转换为可视化图像，各系统精密协调确保全流程质量控制。图像重建是CT技术核心环节，主要采用滤波反投影算法和迭代重建算法，将投影数据转换为横断面图像。
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</p>
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<p class="content">
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单层螺旋CT采用连续旋转扫描模式，实现容积数据采集；多层螺旋CT通过多排探测器同时获取多个层面信息，显著提高扫描效率和空间分辨率。双源CT采用双X线管+双探测器系统，实现超高时间分辨率成像；能谱CT基于不同能量X线的差异化衰减特性，提供物质分解和定量分析能力。锥形束CT采用锥形X线束和平板探测器，实现三维容积成像，在介入治疗等领域具有独特应用价值。这些成像原理和技术创新共同构成了现代CT技术体系，为临床诊断提供了高精度、多功能的影像学信息。
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</p>
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<h3 class="thirdTitle">第一节 CT设备的基本结构</h3>
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<p class="content">
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CT主要由硬件（hardware）结构和软件（software）结构两大部分组成。其硬件结构按照所起的作用分为数据采集系统、图像处理系统和图像显示与存储三部分组成。数据采集系统由X线管、X线发生器、准直器和滤过器、探测器、对数放大器、模数转换器、接口电路等组成。图像处理系统由电子计算机、数模转换器、图像显示器、接口电路等组成。整个系统由中央系统控制器操纵，加上检查床便构成一台完整的CT机，如图2-1-1所示。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0031-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-1-1 CT成像系统结构示意图</p>
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</div>
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CT检查技术
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<div class="bodystyle">
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<h4 class="fourthTitle">一、硬件系统及特性</h4>
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<p class="titleQuot-1">（一）数据采样系统</p>
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<p class="content"><span class="bold">1．X线管</span> CT中使用的X线管，也称为球管（X-ray
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tube），是CT设备中的关键部件，负责产生X射线。射线管由电子阴极、阳极和真空管套组成，其基本结构与常规X线机的X射线管相同，但额定功率较常规X射线管稍大。CT用X射线管也可分为固定阳极和旋转阳极两种：固定阳极X射线管主要用于第一、第二代CT机中，旋转阳极X射线管主要用于扇束扫描方式的第三、第四代CT机中。固定阳极X线管焦点大小约为1.0mm<span
|
class="super">2</span>，高速旋转阳极X线管焦点约为0.6mm<span
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class="super">2</span>，阳极靶面材质多为钨合金，其直径可达到200mm，而转速为3600转/分，或10
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000转/分。X线管的管套采用金属和陶瓷作为绝缘材料，X线管整体质量的增加，也增加了X线管的热容量和散热率。阴极采用一根或者数根灯丝组成，吸气剂采用钡，吸收使用过程中产生的气体分子，确保了X线管的真空状态，如图2-1-2所示。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0032-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript">图2-1-2 X线管简易结构图</p>
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</div>
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<p class="content">
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现代X线管为了提高热容量，还采用了“飞焦点”设计，即X线管阴极发出的电子束，曝光时交替使用，利用锯齿形电压波形的偏转，导致电子束的瞬时偏转，使高压发生时电子的撞击分别落在不同的阳极靶面上，从而提高了阳极的使用效率，并能提高成像的空间分辨力。由西门子公司推出的CT用X线管称为电子束控管，即所谓的“零兆X线管”，该X线管的最主要改进是将阳极靶面从真空管中分离出来，使阳极靶的背面完全浸在循环散热的冷却油中，改变了以往阳极靶面的间接散热为直接散热，大大地提高了X线管的散热效率（与普通CT用X线管相比，散热率提高了5～10倍，为5MHU/分），满足了螺旋扫描长时间、连续工作的要求。第二个改进是旋转轴的改进，即以前所有的X线管只有阳极旋转，阴极部分是固定的。而“零兆X线管”的阴极部分也增加了一个轴承，与阳极靶面一起在真空管中同时旋转，这个改进也避免了X线管机械设计上的弱点，使阳极的机械旋转性能更稳定，电子束CT的X线管，它产生的电子束须由偏转线圈聚焦和偏转一定的角度射向阳极靶面产生X射线。蒙特卡洛模拟器的使用在设计低功率X射线管发生器方面发挥了重要作用，可以优化各种参数，如靶材料和几何形状，以提高X射线产生效率。
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</p>
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<p class="content">
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此外，磁场调制的选择性靶X射线管的发展代表了X射线荧光分析的重大飞跃，使多元素样品分析能够快速交换X射线。目前科研学者们又提出了一种使用基于碳纳米管的微型X射线管，它专为无损检测而设计，并提供高空间分辨率。在球管使用中的一个重要发展是双能计算机断层扫描
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</p>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content">（dual-energy computed
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tomography，DECT）的使用，它利用两个X射线管来提供增强的材料分离和定量，与单能CT相比，可以提高对比度噪声比并减少辐射剂量。</p>
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<p class="content"><span
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class="bold">2．高压发生器</span> 最早的CT机一般采用三相X线发生器，CT对高压电源的稳定性要求很高，三相高压发生器大都采用高精度的稳压反馈措施。三相高压发生器分为连续式和脉冲式，连续式主要用于第二代CT机，脉冲式主要用于第三代CT机。而现代CT机都采用体积小、效率高的高频发生器。由于体积小，发生器可被装入机架内的一个角落，有的CT机将发生器直接安装在旋转的机架上，与X线管机架同步旋转。高频发生器于20世纪80年代起开始用于CT机、乳腺摄影机和移动式X线机等。近年来，固态开关技术在高压发生器中的应用显著提高了其性能和可靠性。固态开关能够提供快速的开关速度和高精度的电压控制，这对于CT扫描中的高质量图像获取至关重要。而随着纳秒脉冲技术的发展，纳秒脉冲高压发生器的引入进一步提升了CT系统的性能。这种技术能够产生短而强的电压脉冲，有助于提高图像的分辨率和对比度。预计未来的高压发生器将继续受到新材料、新技术和新设计的推动，能够进一步降低辐射剂量，同时提高图像质量。
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</p>
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<p class="content"><span
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class="bold">3．滤过器与准直器</span> CT滤过器是CT扫描设备中的一个重要组成部分，用于减少X射线束中的低能和高能光子，以提高图像质量和减少患者辐射剂量。主要分为两种：一种是材料滤过器，这些滤过器由高原子序数材料制成，如钨或钼，可以有效地吸收低能X射线。另一种是光谱滤过器，这些滤过器设计用于调整X射线束的能谱，以优化图像质量。而准直器（collimator）是一种辐射衰减物质，用以限制到达探测器组件的X线角度分布。即只允许某一空间范围的射线进入探测器，而其他部分的射线则被吸收而不能进入探测器。准直器的材料要求是对X线吸收强、易加工、经济，一般采用铅或含有少量的锑、铋的铅合金等，在CT扫描中，准直器有两个作用：①调节CT扫描的层厚。②减少患者的辐射剂量和改善CT图像的质量。
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</p>
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<p class="content">
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CT射线的辐射防护第一关是含铅的X线管外壳，通过X线管窗口出来的射线束初步形成了扇形束或锥形束。CT机中的准直器一般有两套：一套是X射线管端的准直器（或称患者前准直器）由固定的和可调节的几组叶片组成。在多层螺旋CT扫描机中，为了减少焦点半影现象，可调节的准直器叶片，一般都安装在尽可能远离X线管。另一套是探测器端的准直器（或称患者后准直器），同样由固定的和可调节的几组叶片组成，固定部分叶片的开口一般都等于或大于扫描中使用的最大层厚。前准直器主要控制患者的辐射剂量；后准直器主要控制扫描准直层厚，其结构图如图2-1-3所示。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0033-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript">图2-1-3 准直器结构图</p>
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</div>
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<p class="content"><span
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class="bold">4．探测器</span> 探测器作为一种成像介质，作用是接收X射线辐射并将其转换为可供记录的电信号。它是由许多性能相同的小探测器单元排列而成，每个探测器对应着一束X线，如果有N个探测器单元，那么一次就可同时获得N个投影数据，就目前而言N≥512。早期的CT探测器主要依赖于闪烁体
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</p>
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</div>
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CT检查技术
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content">
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探测器，这种探测器通过将X射线转换为光子，然后再由光电倍增管将光子转换为电信号。这种技术在当时提供了较高的灵敏度和分辨率，但也存在一些局限性，如噪声较大和能量分辨率较低。随着技术的发展，硅和镉基材料的直接转换光子计数探测器开始出现，这些探测器能够直接将X射线光子转换为电信号，从而提高了空间分辨率和能量分辨率。近年来，硅光子计数探测器的空间分辨率已经达到了1μm的水平，这标志着CT成像技术的一个重大突破。此外，光子计数探测器的出现也使得光谱CT成为可能。光谱CT能够在多个能量窗口中进行成像，从而提高了材料分辨率和对比度。这种技术在医学成像中具有重要的应用前景，如提高心血管疾病的诊断能力。在光子计数探测器的基础上，近年来还发展出了混合探测器技术。这种技术结合了动态阈值计数和积分模式，能够在不增加硬件复杂性的情况下提高能量分辨率和图像质量。
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</p>
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<p class="content">目前，CT中常用的探测器类型有两种：一种是收集气体电离电荷的探测器，气体常用高压氙气，故称氙气探测器（Xe-gas
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detector）。另一种是收集X线光的固体探测器可分为两种，即闪烁探测器（scintillation detector）和稀土陶瓷探测器（rare-earth ceramic
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detector）。</p>
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<p class="content">
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（1）氙气探测器：第三代CT扫描机的气体探测器多采用高压气体，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进而得到入射X射线的强度。气体探测器通常做成一个密封的电离室，密封的气室内被加入约30个大气压，以增加气体分子的电离，电离室的上下夹面由陶瓷拼成，每个电离室两侧用薄钨片构成，中心收集电极也由钨片构成，而X射线入射面由薄铝片构成，所有的分隔相互联通。电离室内充满气体，当入射X射线进入电离室后使气体电离，其正电离子由中心收集电极接收，通过前置放大器放大后送入数据采集系统。电离室侧面的钨片对X射线有准直作用，可防止被检测物体产生的散射线进入电离室。气体探测器的优点是：稳定性好、响应时间快、几何利用率高、无余辉产生；气体探测器的主要缺点是需恒温保证气压的稳定、检测效率较低，其次是在制作工艺上只能做成单排的探测器阵列，无法做成多排的探测器阵列。
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</p>
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<p class="content">
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（2）闪烁探测器：闪烁探测器是一种将穿过人体组织的X射线转换成可见光的传感器，其基本结构和功能包括以下三点。①闪烁体（scintillator）：闪烁体是CT探测器的核心部分，它能够吸收X射线并将其转换为可见光。②光电二极管阵列（photodiode
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Array）：光电二极管阵列的作用是将闪烁体产生的可见光信号转换成电信号。③高速多通道模数转换器（analog-to-digital
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converter，ADC）：以ADC为核心的读出电路将电信号转换成原始数字信号，这些信号最终通过光纤传入重建柜，图2-1-4为闪烁探测器的结构示意图。</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0034-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-1-4 闪烁探测器结构示意图</p>
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</div>
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<p class="content">
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（3）稀土陶瓷探测器：稀土陶瓷探测器利用掺杂稀土金属的透明光学瓷来代传统的闪烁晶体，与光电二极管配合来构成探测器。其特点是X线利用率可达99%、光电转换率高、与光电二极管的响应范围匹配最好、更低余辉以及更高的稳定性。由于其转换效率高，光谱响应与光电二极管匹配较好，并且容易进行较小分割。目前多层螺旋CT中最新的固体探测器是由两种新型的闪烁晶体材料耦合光二极管做成，分别是钨酸钙和高纯度的稀土氧化物陶瓷。
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</p>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="titleQuot-1">（二）图像处理系统</p>
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<p class="content"><span
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class="bold">1．CT计算机</span> 以往的CT计算机系统属于通用小型计算机，但随着计算机技术的飞速发展，小型计算机与微型计算机之间的差别已经很小，现在很多CT机包括多层螺旋CT都采用微型计算机作为CT的主计算机。CT计算机的硬件通常包括输入输出设备、中央处理器、阵列处理器、接口装置反投影处理器、储存设备和通讯硬件。CT的计算机还包括软件，并通过硬件执行指定的指令和任务。
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</p>
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<p class="content">（1）主控计算机：主控计算机（central processing
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unit，CPU）：作为CT设备的“大脑”，主控计算机负责处理由扫描探测器部分收集到的数据。CT主控计算机也经历了多次革新，最初的CT系统使用大型主机计算机进行数据处理，而现代CT系统则普遍采用高性能的工作站或服务器，这些设备配备了多核处理器和大容量内存，以支持复杂的图像处理任务。主控计算机通常包括数据采集系统、中央处理系统、磁带机等，是确保CT扫描设备正常运行和提供高质量图像的关键。具体来说，主控计算机控制扫描器进行扫描运动，再将探测器收集到的扫描数据进行模/数转换，存储到磁盘中。主控计算机从磁盘中调出原始数据送到阵列处理器，确定被扫描对象断层上各像素的衰减值，并把这些信息存储到磁盘中，然后进行CT值的校正和输入数据的扩展。主控计算机最后将重建后的图像存储和记录在相应的存储介质上。除此之外，主控计算机通过操作台与操作者进行交互，接收操作者的指令并提供必要的反馈信息，并且具备自我诊断功能，能够对CT设备可能出现的故障进行诊断和分析。工作原理如图2-1-5所示。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0035-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-1-5 主控计算机原理流程图</p>
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</div>
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<p class="content">
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（2）图像重建计算机：图像重建计算机曾称阵列处理器，是CT计算机中一个很重要的部分。图像重建计算机一般与主计算机相连，其本身不能独立工作，它的主要任务是在主计算机的控制下，进行图像重建等处理。图像重建时，图像重建计算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计算机，然后在监视器上显示。CT技术的基础是计算机化的图像重建，这一技术的核心在于计算机的运算能力和算法的优化。早期的CT扫描仪依赖于相对简单的计算机系统进行图像重建，而随着计算机技术的进步，特别是图形处理单元（graphics
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processing unit，GPU）的引入，CT图像重建的速度和精度得到了极大的提升。</p>
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<p class="content"><span class="bold">2．数模转换器</span> CT数模转换器（CT digital-to-analog
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converter）是计算机断层扫描技术中的关键组件，它负责将CT扫描得到的数字信号转换为模拟信号，以便进一步处理和显示。在CT扫描中，探测器最初探测到的是模拟信号，这些信号是连续的并且随时间变化。模数转换器（ADC）将这些模拟信号转换为数字信号，然后通过CT数模转换器（digital
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to analog converter，DAC）将这些数字信号转换回模拟信号，以便计算机处理和重建图像。</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">3．图像显示器</span> 图像显示器的作用是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）和扫描结果图像的显示。显示器有黑白和彩色两种，通常显示图像都采用高分辨力的黑白显示器，文字部分的显示一般采用彩色显示器。显示器的性能指标主要是显示分辨力，一般以点阵和线表示，以及重建后图像的显示矩阵、像素大小和灰阶位深等。
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</p>
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</div>
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CT检查技术
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</div>
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<h4 class="fourthTitle">二、软件系统及特性</h4>
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<p class="titleQuot-1">（一）系统软件</p>
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<p class="content">
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系统软件是指各类CT扫描机均需具有的扫描功能、诊断功能、显示和记录功能图像处理功能及故障诊断功能等软件。系统软件形成了一个以管理程序为核心，能调度几个互相独立软件的系统。常用的独立软件有预校正、平面扫描、轴向扫描、图像处理、故障诊断、外设传送等，基本功能软件组成如图2-1-6所示。近年来深度学习技术的引入，使得CT图像的自动分析和诊断成为可能，这在肺纤维化等疾病的诊断中显示出巨大的潜力。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0036-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
|
<p class="imgdescript">图2-1-6 CT软件构成示意图</p>
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</div>
|
<p class="content">管理程序和各独立软件的联系方式有3种。</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">1．人机对话方式</span> 操作者通过控制或终端输入信息或命令，操作者可以用键盘对话，也可以用触摸监视器屏幕来对话。管理程序接到这些指令，便调用相应的功能软件。
|
</p>
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<p class="content"><span class="bold">2．条件联系方式</span> 某个程序在运行过程中，发出一个命令信息，可以要求管理程序调度相应的软件进行工作。</p>
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<p class="content"><span class="bold">3．返回处理方式</span> 某个程序在执行过程中发生错误，则返送信息给管理程序，由其统一处理。</p>
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<p class="titleQuot-1">（二）应用软件</p>
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<p class="content">应用软件又称功能软件。当前，这类软件种类多，它的改进和发展超过了扫描方式的发展。应用软件主要有如下几种。</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">1．动态扫描软件</span> 其工作方式是在选定了扫描的起始位置、终止位置、厚度、层距和其他一切必要的技术参数后，整个扫描过程自动逐层进行。这一功能对患者注射对比剂后，需在限定时间内完成整个检查是非常需要的。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">2．快连续扫描软件</span> 其功能是对某一感兴趣区域自动做多次快速扫描。它可以与心电图配合，用来研究心脏某一部位随时间变化的情况。</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">3．定位扫描软件</span> 其功能是在所希望的角度上固定X线管和探测器，然后在患者自动送入的同时进行曝光，得到所需的定位扫描像。</p>
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</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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<p class="content"><span class="bold">4．目标扫描软件</span> 其功能是仅对感兴趣区的层面进行扫描，而对其他区域采取较大厚度、层距或间隔扫描。</p>
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<p class="content"><span class="bold">5．平滑过滤软件</span> 其功能是使所有相邻的不同组织界面得到平滑过滤，产生平均CT值，有效地提高相邻区的对比。
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</p>
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<p class="content"><span class="bold">6．三维图像重建软件</span> 其功能是在薄层连续重叠扫描或螺旋扫描的基础上重建三维立体图像。</p>
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<p class="content"><span class="bold">7．高分辨率软件</span> 用于对肺部弥漫性间质病变。</p>
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<p class="content"><span class="bold">8．定量骨密度测定软件</span> 用于对骨矿物质的定量测定。</p>
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<h4 class="fourthTitle">三、附属设备及特性</h4>
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<p class="titleQuot-1">（一）独立操作台</p>
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<p class="content">
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CT独立操作台的组成结构和发展历程是一个复杂且不断演变的过程。随着技术的进步，CT技术在医学成像领域的应用越来越广泛，其操作台设计也在不断优化以提高操作效率和成像质量。</p>
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<p class="content">
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CT操作台的组成结构包括多个关键组件。主要包括扫描仪、计算机系统、显示器和控制面板。扫描仪是CT系统的核心部分，负责获取人体的断层图像。计算机系统则用于处理和存储这些图像数据，并进行复杂的图像重建。显示器用于实时显示扫描结果，而控制面板则允许操作人员设置扫描参数和监控扫描过程。
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</p>
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<p class="content">
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在CT技术的发展历程中，操作台的设计经历了多次革新。早期的CT操作台相对简单，主要功能是支持基本的图像采集和显示。随着计算机技术的进步，现代CT操作台集成了更多的功能，如三维图像重建、自动化扫描协议和远程操作能力。这些功能的增加不仅提高了操作效率，还改善了图像质量和诊断准确性。此外，CT操作台的发展还受到医学需求和技术创新的推动。例如，随着对癌症患者的研究深入，CT技术被广泛应用于肿瘤的检测和治疗效果的评估。研究表明，CT图像的放射组学分析可以帮助预测癌症患者的预后，这对CT操作台的图像处理能力提出了更高的要求。在未来，CT操作台的发展可能会继续朝着智能化和自动化的方向发展。随着人工智能技术的引入，CT操作台可能会具备更强的图像分析和诊断支持能力，从而进一步提升医疗服务的质量和效率。
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</p>
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<p class="titleQuot-1">（二）检查床</p>
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<p class="content">CT检查床通常由以下两部分组成。</p>
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<p class="content"><span class="bold">1．一级床（扫描床板）</span> 直接与患者接触的部分，用于支撑患者。</p>
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<p class="content"><span
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class="bold">2．一级床补偿和液压升降</span> 允许检查床进行垂直升降和水平纵向运动，以便将患者送入扫描机架孔径内，并将被检部位定位在X线束扫描平面上。</p>
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<p class="content">
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CT检查床的技术参数对临床应用至关重要，检查床的参数主要包括长度、宽度、承重、床速、水平移动速度和精度等，这些参数决定了检查床可以承载的患者体型和检查范围。近年来，CT检查床的设计也越来越注重患者的舒适性和安全性。现代CT扫描仪通常配备有可调节的检查床，以便更好地适应不同患者的体型和需求。这些检查床通常采用人体工程学设计，能够提供更好的支撑和舒适性。展望未来，随着人工智能和机器学习技术的引入，CT检查床的智能化和自动化程度将进一步提高。这些技术有望在图像处理、扫描参数优化和患者管理等方面发挥重要作用，从而进一步提升CT检查的效率和安全性。
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</p>
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CT检查技术
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<p class="titleQuot-1">（三）图像存储器</p>
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<p class="content">
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CT图像存储器的组成结构主要包括图像传感器、数据处理单元和存储单元等部分。近年来，随着计算机技术和图像处理技术的快速发展，CT图像存储器的性能和功能得到了显著提升。</p>
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<p class="content">CT图像传感器的技术进步是推动CT图像存储器发展的重要因素之一。现代CT图像传感器通常采用高性能光电探测器，如光子计数探测器（photon counting
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detector，PCD），这类探测器能够显著降低噪声，提高图像质量，并减少辐射剂量。此外，新的图像传感器设计，如多收集门图像传感器，能够在极高的帧率下工作，并具有高灵敏度，这对于捕捉快速运动图像非常有利。
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</p>
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<p class="content">
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CT图像存储器的发展也得益于图像重建算法的进步。迭代重建算法（如自适应统计迭代重建算法）在低剂量CT图像中显示出很高的潜力，能够在保持图像质量的同时减少患者的辐射暴露。在存储技术方面，CT图像存储器的发展也受益于计算机硬件的进步。近年来，GPU的发展使得复杂的蒙特卡洛计算能够在接近实时的速度下进行，这极大地提高了CT图像存储和处理的效率。
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</p>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0023-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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</div>
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<p class="center"><span class="bold">CT设备的基本结构和功能</span></p>
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<p class="quotation">CT设备的基本结构和功能如下。</p>
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<p class="quotation">
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1．基本结构 ①扫描系统：包括扫描床和扫描架。扫描床负责承载患者并进行垂直和水平运动，以定位患者的扫描位置。扫描架上装有X线球管、滤线器、准直器、参考探测器、探测器及各种电子线路，能够进行旋转和倾斜运动。②X射线发生系统：包括高压发生器和X线球管，负责提供X线球管正常工作所需电压和电流。③计算机系统：CT设备的“心脏”，负责控制扫描运动、处理数据和重建影像。④操作台：用于控制整机电源、输入工作指令、拷贝扫描数据，并根据诊断要求对影像进行技术处理，如放大、病灶体积测量、三维成像等。⑤图像显示、记录和存储系统：用于显示处理后的图像，并将其保存在胶片或其他存储介质上。
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</p>
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<p class="quotation">
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2．功能 ①横断面成像。②高分辨率和定性诊断。③多层面和三维重建。CT适用于多种临床疾病的诊断，如中枢神经系统疾病、头颈部疾病、胸部疾病、心脏疾病和腹部疾病等。</p>
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<h3 class="thirdTitle">第二节 CT成像原理</h3>
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<p class="content">
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自1972年豪斯菲尔德（Hounsfield）成功研发出CT机以来，医学影像诊断领域迎来了革命性的突破。生成的CT断层图像有效解决了普通X线成像中多组织器官相互重叠的问题，使得组织内部结构得以清晰展现，从而极大地提升了医学影像诊断的准确性。从最初的常规CT到螺旋CT，再到单层（排）向多层CT的演变及单源CT向双源CT的升级，CT技术经历了长足的发展。近年来，CT机正朝着更宽的覆盖范围、更快的扫描速度、更高的性能以及更低的辐射剂量等方向不断进步。随着我国自主创新能力的提升，高端CT设备逐步实现国产化，打破了国外产品的市场垄断，解决了重大医疗设备受制于人的问题，为更多患者提供了高质量的医疗服务，有力推动了健康中国战略的实施。
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</p>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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</div>
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<p class="content">
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本节将围绕CT成像原理展开介绍，主要包括：X线的衰减与衰减系数、CT数据采集基本原理、CT图像重建原理、单层及多层螺旋CT成像原理、双源CT及能谱CT成像原理与锥形束CT成像原理等内容。
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</p>
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<h4 class="fourthTitle">一、X线的衰减和衰减系数</h4>
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<p class="content">
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X射线作为一种电磁波，具有强大的穿透能力，被广泛应用于医学影像诊断领域。在医学诊断能量范围内（20～100keV），X射线通过人体时主要发生光电效应和康普顿散射，导致沿着原来方向的X射线强度发生衰减。人体组织对X射线吸收衰减多少与X线能量，组织密度和原子序数紧密相关。人体组织器官是由多种不同成分和密度的物质构成，所以人体断层中各体素对X线的吸收存在差异。由于CT成像是利用不同组织对X线吸收衰减差异，因此，如何获取人体断层中各个体素的X线衰减系数是CT成像的关键。
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</p>
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<p class="content">根据实验证明，理想的单能窄束X线穿过均匀物体时呈指数规律衰减，入射强度为I<span
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class="sub">0</span>的X线穿过厚度为d的均匀物体后，射出X线强度I满足Lambert-Beer吸收定律：</p>
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<p class="center">I=I<span class="sub">0</span>e<span class="super">-μd</span></p>
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<p class="content">上式中，I是通过物质后X线的强度，I<span
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class="sub">0</span>是入射射线的强度，d是物质的厚度，e是常数，μ是均匀介质对X线的线性衰减系数。</p>
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<p class="content">
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当X线穿透人体时，由于人体不同组织器官组成物质成分不同，衰减系数不同，在沿X线通过路径上把物体分成若干个小单元（体素），每个体素可以看做均匀介质，有对应线性衰减系数，分别为μ<span
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class="sub">1</span>，μ<span class="sub">2</span>，μ<span class="sub">3</span>，…，μ<span
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class="sub">n</span>，每个体素的厚度为d，如图2-2-1所示。</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0039-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-1 X线穿过n个体素示意图</p>
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</div>
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<p class="content">当X线穿过第一体素后，X线强度I<span class="sub">1</span>为：I<span class="sub">1</span>=I<span
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class="sub">0</span>e<span class="super">-μ<span class="sub">1</span>d</span></p>
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<p class="content">穿过第二个体素后，X线强度I<span class="sub">2</span>为：I<span class="sub">2</span>=I<span
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class="sub">1</span>e<span class="super">-μ<span class="sub">2</span>d</span></p>
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<p class="content">穿过第三个体素后，X线强度I<span class="sub">3</span>为：I<span class="sub">3</span>=I<span
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class="sub">2</span>e<span class="super">-μ<span class="sub">3</span>d</span></p>
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<p class="content">把上式依次代入下式可得：I<span class="sub">3</span>=I<span class="sub">0</span>e<span
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class="super">-（μ<span class="sub">1</span>+μ<span class="sub">2</span>+μ<span
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class="sub">3</span>）d</span></p>
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<p class="content">同理可得，穿过第n个体素后，X线强度I<span class="sub">n</span>为：I<span class="sub">n</span>=I<span
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class="sub">0</span>e<span class="super">-（μ<span class="sub">1</span>+μ<span
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class="sub">2</span>+μ<span class="sub">3</span>+…+μ<span class="sub">n</span>）d</span>
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</p>
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<p class="content">对上式进行对数变换整理可得：</p>
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<p class="content">上式中，I<span class="sub">0</span>为X线的入射强度，I<span
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class="sub">n</span>为穿过物体的出射强度，可以通过探测器测量获得，体素厚度d可以设定，P称为投影。由上式可以得到X线沿某一路径穿透各体素的衰减系数的线性方程。要获取图像矩阵中各个体素的X线衰减系数，从数学理论上讲，可以通过建立n<span
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class="super">2</span>个类似公式上述的多元一次独立方程，然后联立解方程即可获取每个体素的衰减系数。这就需要CT装置沿着不同方向多次测量，才能获得足够多数据建立n<span
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class="super">2</span>个独立方程。</p>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0039-02.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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</div>
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CT检查技术
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<p class="content">
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吸收系数μ与X线能量之间有着依赖关系，X线能量越低吸收系数越大，吸收系数随X线能量的增大而减小。这意味着在X线光谱中，低能射线将比高能射线更快地被滤掉，这种现象称为X线束的“硬化效应”。CT成像中一般X线束以单一频率、固定能量线束穿透物体，可检测到比较稳定的吸收系数。实际上从X线管发出的X线包含了一系列频率的X线束，具有高能量和低能量的射线成分，由于物体对各种能量射线成分的吸收系数是不一样的，为此在CT图像重建过程中要进行校正，以减小由X线束硬化效应造成CT图像的不均性。
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</p>
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<h4 class="fourthTitle">二、CT数据采集基本原理</h4>
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<p class="content">
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CT是根据人体组织对X线的衰减不同，使用计算机重建方法得到人体二维横断面图像的影像设备，其成像区别于普通X线摄影主要是要进行复杂的数据采集过程，此过程由X线管和探测器等的同步扫描来完成，目的是获取重建图像的原始数据。
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</p>
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<p class="content">
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CT数据采集的大致过程可以概括为：从球管发出的X线经准直器调准集中，穿过人体一定厚度的层面，其强度受检查面组织器官和病变等的密度不同而产生相应的吸收衰减，衰减后的X线经另一侧的准直调准，集中射进检测器，检测器将衰减后的X光转变成为电信号，再经A/D转换成数字电信号以便计算机进行运算处理。经数据采集，重建成一幅断层图像，这一幅图像是由各像素的吸收系数排列而成，所以完全排除上下重叠影响。
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</p>
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<p class="content">在数据采集过程中，由探测器接收经A/D转换得到的数据称为原始数据（raw
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data）。原始数据是X线投射路径上所有体素共同作用的结果，信息重叠。因此，需要从不同角度对人体进行多次投射，获取更多数据建立数学方程。X线球管和探测器围绕人体进行不同角度照射的过程称为扫描（scan）。根据探测器与球管旋转运动的模式分为不同的扫描方式，不同扫描方式下获得的原始数据不同，本章后续将对不同扫描方式予以详述。
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</p>
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<h4 class="fourthTitle">三、CT图像重建原理</h4>
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<p class="content">对数据采集得到的原始数据，采用一定数学方法，经计算机运算求解人体断层中各体素的衰减系数后构建图像的过程称为图像重建（image
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reconstruction），图像的重建问题实际上就是利用各个方向的投影，求出各个体素投影值的问题。重建图像所采用的数学方法称为重建算法或算法（reconstruc-tion
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algorithm）。随着CT技术的飞速发展，CT图像的重建算法得到广泛的研究与发展，但各种算法均存在着各自的优缺点。从数学的角度，目前CT图像重建算法主要分为两类：一类是以Radon变换为理论基础的解析类重建算法（analytic
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reconstruction，AR），另一类是以解方程为主要思想的迭代类重建算法（iterative reconstruction，IR）。下面介绍几种CT图像重建的基本算法。</p>
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<p class="titleQuot-1">（一）直接傅立叶变换重建算法</p>
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<p class="content">
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直接傅立叶变换重建算法是直接利用中心切片定理的原理，将投影数据转换到Radon空间，经一维傅立叶变换填满频域空间，直接经二维傅立叶逆变换重建原图的方法，此算法早期被CT广泛采用。</p>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="titleQuot-1">（二）反投影法</p>
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<p class="content">
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反投影法是最基本、最简单的算法。其基本原理是利用投影数值近似地复制出衰减系数的二维分布。反投影法的数学模型是人体断层内某点的衰减系数等于平面内所有经过该点的射线投影值的总和，因此又称总和法。反投影法的基本步骤为：获取投影—反向投影填充—运算求解。
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</p>
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<p class="content">下面用四个体素（设μ<span class="sub">1</span>=1，μ<span class="sub">2</span>=2，μ<span
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class="sub">3</span>=3，μ<span class="sub">4</span>=4）矩阵图像重建为例，对反投影法原理进行说明，如图2-2-2所示。</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0041-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-2 四像素矩阵反投影算法</p>
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</div>
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<p class="content">
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对四个体素矩阵分别从0°、45°、90°、135°进行投影，然后将投影值反投回原矩阵对应位置，把对应各体素投影值求和，经过简单运算即可求出四体素各自的衰减系数μ。反投影法重建原理简单，运算速度较快。
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</p>
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<p class="content">反投影法的缺点是会出现图像边缘失锐（模糊）现象。反投影的过程并不是投影运算的逆运算，而是将投影值均匀按原路径回填，只能近似地模拟重现原图像。</p>
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<p class="content">
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图2-2-3所示的几何投影模拟示意图可以清晰地观察到反投影法在图像重建过程中导致的边缘失锐现象及其背后的原因。该示意图的a部分描绘了一个断层组织，其中包含一个圆形的高密度物体。X线分别从90°、0°、45°、135°这四个不同的角度对该物体进行投射。示意图b、c、d、e将各个角度的投影数值进行反投影的情况。图中g为经过各方向投影值反投后获得的图像，由图像中的物体已经不再是原始的圆形，而是变成了一个星状结构，其边缘轮廓明显变形且失真。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0041-02.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-3 反投影法重建图像的边缘失锐现象及原因示意图</p>
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</div>
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</div>
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CT检查技术
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content">因此，在CT成像中，如果在均匀密度的组织内，存在衰减系数极不均匀的部分时，反投影图像会出现星状伪影。</p>
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<p class="titleQuot-1">（三）滤波反投影法</p>
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<p class="content">为了消除反投影法产生的图像边缘失锐，实际应用最广泛的是滤波反投影法。</p>
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<p class="content">
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滤波反投影法与反投影法的区别是：先修正、再反投影。其基本原理为：获取不同投影角度下投影函数后，先进行滤波处理，再作反投影，经运算重建出物体图像。如图2-2-4所示，图中b、c、d、e为将投影数值经过边缘改造处理后再反投影的情况。图中g显示经反投影叠加后获得的图像基本保持圆形，消除了边缘失锐的现象。同时可以发现，图像中圆形物体周围增加了少许黑点影。由此可见滤波反投影在改善图像边缘的同时也会带来一定的噪声。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0042-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-4 滤波反投影法重建原理示意图</p>
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</div>
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<p class="content">与反投影法的图像校正相比，滤波反投影法实现了图像重建只需作一维傅立叶变换。由于避免了二维傅立叶变换，滤波反投影法明显缩短了图像重建的时间。</p>
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<p class="titleQuot-1">（四）迭代重建算法</p>
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<p class="content">
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迭代重建是利用数学级数迭代的原理来完成图像重建的技术，又称近似法，是将近似重建所得图像的投影同实测的层面进行比较，再将比较得到的差值反投影到图像上，每次反投影之后可得到一幅新的近似图像。通过对所有投影方向都进行上述处理，一次迭代便可完成；再将上一次迭代的结果作为下一次选代的初始值，继续进行迭代。迭代重建技术有三种方法：联立迭代重建法（SIRT）、代数重建法（ART）和最小二乘法（ILST）。
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</p>
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<p class="content">
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近年来，越来越多的临床研究证实，采用迭代重建技术后，在保证同样图像质量和相似重建速度的前提下，X线辐射剂量与传统滤波反投影算法相比可以降低30%～65%。迭代重建技术还可通过模型化设计降低X线束硬化伪影和金属伪影。由于迭代重建算法所需的投影数少、具有可在数据不完全和低信噪比（低剂量）条件下成像等优点，基于迭代重建算法的低剂量扫描技术正成为当前CT应用的热点之一。随着计算机技术的发展及算法的不断优化，迭代重建算法必将得到更广泛的应用。
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</p>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<h4 class="fourthTitle">四、单层螺旋CT成像原理</h4>
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<p class="titleQuot-1">（一）扫描方式</p>
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<p class="content">
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单层螺旋CT扫描最重要的突破是使用了滑环技术，去除了常规CT旋转扫描过程中的电缆，如图2-2-5所示，扫描过程中X线管焦点和探测器同步围绕受检者连续旋转，同时检查床连续单向运动，扫描轨迹类似一个螺旋管形，故称螺旋扫描，如图2-2-6所示。采集的数据是一个连续的螺旋形空间内的容积数据，也称为容积CT扫描，实现了由二维解剖结构图像进入三维解剖结构图像的飞跃。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0043-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript">图2-2-5 滑环结构示意图</p>
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</div>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0043-02.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-6 螺旋CT扫描方式示意图</p>
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</div>
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<p class="titleQuot-1">（二）数据采集</p>
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<p class="content">单层螺旋CT数据采集有两种方法，具体如下。</p>
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<p class="content"><span
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class="bold">1．螺旋采集</span> 传统的非螺旋CT扫描采用旋转一周360°扫描同一平面数据。螺旋扫描时，由于检查床的连续移动，采集数据信息是非平面数据，覆盖360°的数据用常规步进扫描方式重建会出现运动伪影和层面错位。为了消除这种运动伪影和防止层面错位，这就需要在图像重建之前进行数据预处理，在单层螺旋扫描中常用线性内插法（linear
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interpolation，LI）。单层螺旋CT有两种线性内插方法：360°和180°线性内插。360°方法利用全周扫描数据内插形成平面数据，但可能因层厚敏感曲线增宽而降低图像质量。180°方法则选取靠近重建平面的两点数据内插，其独特之处在于采用第二个螺旋扫描的数据并偏移180°，更贴近重建平面，从而改善层厚敏感曲线，提高成像分辨力，优化重建图像质量。
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</p>
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CT检查技术
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<p class="content"><span
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class="bold">2．非螺旋采集</span> 非螺旋CT扫描模式作为最基本的扫描方式，无论是非螺旋CT还是螺旋CT，非螺旋扫描模式下X线在人体表面的投影轨迹均为闭合曲线，不需要插值来获取足够数据，而且每个360°之间为连续、顺序扫描，相互之间没有重叠，获得的投影数据为真正断层数据，无其他层面的干扰，重建图像具有更好的空间和密度分辨力，以及更低图像噪声的较好图像质量。
|
</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">3．螺距参数</span> 螺距（pitch，P）是其中最关键的参数。螺距指机架旋转一周检查床前进距离与准直器宽度之比。用公式表示：</p>
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<p class="center">P=TF/W</p>
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<p class="content">公式中TF（table
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feed，TF）是扫描机架旋转一周检查床移动的距离即床速，与射线束宽度（准直宽度）有关。W是层厚或射线束准直的宽度，螺距是一个无量纲的量。由于定义可知，螺距越大，相同时间扫描范围越大，相同的成像范围所需时间缩短，即增大螺距可以提高扫描的效率。当螺距大于1时，投影数据存在间隙，可能遗漏小病变。由于投影采样不足，图像Z轴方向分辨力下降。
|
</p>
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<p class="content">
|
在单层螺旋CT扫描中，检查床运行方向（Z轴）扫描的覆盖率或图像的纵向分辨力与螺距有关。不管是采用360°还是180°线性内插方式，螺距增加，重建图像的有效层厚增加，Z轴分辨力下降。如mA不变，单层螺旋CT扫描的噪声与螺距无关。随着螺距的增加，患者的剂量下降。如mA设置相同，单层螺旋CT扫描的噪声比非螺旋CT扫描高约15%。
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</p>
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<p class="titleQuot-1">（三）单层螺旋CT的优缺点</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">1．单层螺旋CT的优点</span> 单层螺旋CT检查可连续曝光扫描，扫描速度加快；因扫描速度快，患者的运动伪影减少；增强扫描对比剂的利用率提高；一次屏气可以完成一个部位检查，避免了小病灶遗漏；可回顾性多平面三维重建。
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</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">2．单层螺旋CT的缺点</span> 单层螺旋CT的X线束是薄扇形，层厚固定不变，加上仅有一组数据采集通道，纵向Z轴分辨力下降，可出现部分容积效应影响图像质量；对设备的要求较高，特别是要求X线管有较高的热容量和较高的冷却率，以便适应长时间、高输出量的扫描要求。
|
</p>
|
<h4 class="fourthTitle">五、多层螺旋CT成像原理</h4>
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<p class="titleQuot-1">（一）扫描方式</p>
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<p class="content">
|
单层螺旋CT的球管-探测器系统围绕人体旋转一圈只获得一幅人体断层图像，而多层螺旋CT的球管-探测器系统围绕人体旋转一周，能同时获得2层及以上图像，故称为多层螺旋CT（multislice
|
spiral
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CT，MSCT）。目前临床常用的机型有16层、64层、256层、320层螺旋CT层等。由于多层螺旋CT探测器在Z轴上的数目由单层CT的一排增加到几十排至几百排，故又称为多排CT（multi-row
|
detector CT，MDCT）。</p>
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<p class="titleQuot-1">（二）数据采集</p>
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<p class="content">多层螺旋CT与单层螺旋CT相比，主要的区别在于多层螺旋CT对数据采集系统做出了根本性的改变。</p>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content"><span
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class="bold">1．探测器列阵</span> 多排螺旋CT有多组通道的探测器阵列，不同厂家的探测器排数和结构不尽相同，总的来说分为等宽型和非等宽型两大类，如图2-2-7所示。两者各有特点：等宽型探测器排列的层厚组合较为灵活，但是外周的四接探测器只能组合成一个宽探测器阵列使用，并且过多的探测器排列间隔会造成信息的差失。非等宽型探测器的优点是在使用宽层厚时，探测器的间隙较少，射线的利用率较高，缺点是层厚组合不如等宽型探测器“更活”。
|
</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0045-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-7 等宽型与非等宽型多排探测器</p>
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</div>
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<p class="content"><span class="bold">2．数据采集通道</span> 数据采集通道（data acquisition
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system，DAS）位于探测器与计算机间的重要电子器件，它和探测器对扫描后数据进行采集和转换。主要结构是模数转换器，其作用是把探测器接收到的X线信号转换数字信号，送往计算机进行图像重建。在探测器和DAS间设有电子开关调节探测器组合，并将信号传递给DAS，得到不同层厚组合的多层扫描图像。
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</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">3．数据采集特点</span> 多层螺旋扫描采用锥形束X线，获得的投影数据复杂，为非平行束且多层面并列螺旋状，如图2-2-8所示，X线投影路径不但在成像平面为非平行束，在Z轴方向上亦非平行束，使投影数据的几何特性变得复杂，给图像重建带来挑战。需要在图像重建之前进行数据预处理，主要有两种类型：一种是图像重建预处理不考虑锥形束的边缘，另一种是在图像预处理中将锥形束边缘部分的射线一起计算。4层螺旋CT扫描仪多采用前者，即不考虑锥形束边缘的预处理方式，以简化数据处理过程，但可能牺牲部分图像质量。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0045-02.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript-l">图2-2-8 多层螺旋扫描时X线投影轨迹示意图</p>
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</div>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">4．螺距参数</span> 由于多层螺旋CT探测器为多排等原因，所以螺距的计算比单层螺旋CT螺距式相对复杂。临床中多层螺旋CT螺距定义有两种：准直螺距和层厚螺距。
|
</p>
|
<p class="content">
|
（1）准直螺距：又称螺距因子或射线束螺距。其定义是扫描机架旋转一周检查床移动的距离除以所使用探测器阵列的总宽度。如16层螺旋CT每排探测器的宽度为0.75mm，当旋转一周检查床移动的距离为12mm时，16排探测器全部使用，则此时的准直螺距为1（16×0.75mm=12mm，12/12=1）。
|
</p>
|
<p class="content">
|
（2）层厚螺距：又称容积螺距或探测器螺距。其定义为，扫描机架旋转一周检查床移动的距离除以扫描时所使用探测器的总宽度，并且乘以所使用探测器阵列的排数。如4层螺旋CT使用2排5mm的探测器，检查床移动距离10mm，则层厚螺距为2（10/10=1，1×2=2）。又如4层CT扫描时机架旋转一周检查床移动30mm，采用4排5mm的探测器阵列，则层厚螺距为6（30/20=1.5，1.5×4=6）。层厚螺距的特点是着重体现了扫描时所使用探测器的排数。
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</p>
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</div>
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CT检查技术
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content">
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螺旋CT扫描螺距等于零时与非螺旋CT相同，通过患者的曝光层面在各投影角也相同。螺距等于0.5时，扫描层厚数据的获取，一般需要扫描架旋转两周进行扫描；在螺距等于1.0时，层厚的数据由扫描架旋转一周扫描获得；在螺距等于2.0时，层厚的数据由扫描架旋转半周扫描获得。增加螺距，探测器接收的射线量减少，图像的质量下降；减小螺距，同一扫描范围的射线量增加，图像质量改善。
|
</p>
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<p class="titleQuot-1">（三）多层螺旋CT的优缺点</p>
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<p class="content">多层螺旋CT与单层螺旋CT相比有以下优点。</p>
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<p class="content"><span
|
class="bold">1．扫描速度更快</span> 与单层螺旋CT扫描相比，数据采集系统中采用多通道的多排探测器，使得扫描速度更快，最快旋转速度目前可达到每圈0.25秒，X线管旋转一周可获得几十层至数百层数的图像。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">2．X线利用率提高</span> 与单层螺旋CT相比，多层螺旋CT的锥形X线束在纵向上覆盖探测器的厚度有所增加，提高了X线利用率，降低了X线管的损耗。</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">3．Z轴空间分辨率更高</span> 多层螺旋CT的图像可利用多组通道采集进行融合重组，可减少部分容积效应，图像空间分辨力显著提高。</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">4．可同时行多层透视</span> 多层螺旋CT可同时行多层透视，应用实时重建可同时显示多个层面的透视图像，使CT透视引导穿刺的定位更准确。</p>
|
<p class="content">但多层探测器信息采集容易产生几何数据误差，探测器越宽，影响越大，对相应的扫描重建算法有了更高的要求。</p>
|
<h4 class="fourthTitle">六、双源CT成像原理</h4>
|
<p class="titleQuot-1">（一）双源CT成像概念</p>
|
<p class="content">
|
以往单排、双排及多层螺旋CT探测器，仅有1套球管发射X线对病灶进行扫描，只能定位病灶，显示病灶及其邻近组织结构，而无法定量、定性分析、辨别病灶组织结构成分。2005年Siemens推出全球首台配备2套球管、可分别产生高低2种千伏能量的双源CT（dual
|
source computer
|
tomography，DSCT），创新性地采用两套数据获取系统（球管-探测器系统）放置在旋转机架内如图2-2-9所示。两套系统成90°或95°放置，采用不同的能量组合，两套X线管可以是80kV和140kV，或者100kV和140kV，数据采集的时间分辨力为83ms，可在一次心动周期内完成单扇区数据的采集。
|
</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0046-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript">图2-2-9 双源CT机示意图</p>
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</div>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="titleQuot-1">（二）成像原理</p>
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<p class="content">
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DSCT成像主要是利用不同物质在高低kVp下X线衰减系数（CT值）的不同来区分物质。如图2-2-10所示，E1处（一个能级）CT值无法区分碘和骨骼；比较E1和E2处（两个能级）二者衰减系数的差别（衰减系数变化的斜率不同），即可进行物质分离鉴别。但是，仅仅获得物质在高低能级下的衰减系数变化，并不能直接得到对临床有用信息。所以不同的后处理和分析算法被探索出来，以便于获得有意义的物质信息。
|
</p>
|
<p class="titleQuot-1">（三）临床应用</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">1．心脏扫描</span> DSCT在心脏扫描检查中最大的优势在于提高了时间分辨力。与受检者的心率无关，而且不需要进行多扇区重建。因此不需要人为降低心率，实现了真正常规、快速、可靠的心脏图像采集。另一优势是在心脏扫描检查时采用特殊的剂量降低机制而低剂量成像。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">2．大范围扫描技术</span> DSCT的两套采集系统能够同时进行标准的螺旋扫描或序列扫描，足够的X线功率保证在快速的容积覆盖速度时给予足够的X线量以达到理想的图像质量，也就是说快速扫描和高图像质量可以兼得，这对复合性外伤或需要全身血管检查的患者尤为重要。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">3．双能量成像</span> DSCT的双能量扫描提供了多种临床应用，主要有：基于X线衰减系数的差异，应用双能量技术可以去除血管周围的骨性结构、血管硬化斑块等，清楚显示复杂解剖结构中的血管情况；依据双能量扫描对碘的敏感识别，可以计算出除碘剂后这平扫图像；双能量成像还可用于尿路结石成分定性分析；显示痛风尿酸盐结晶成分；鉴别脑出血中的新鲜或者陈旧性出血；此外，它还可以用于肌腱与韧带的CT重建成像、急性肺栓塞的早期诊断等研究领域（图2-2-10，彩图2）。
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</p>
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<div class="qrbodyPic">
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<img src="../../assets/images/0047-01.jpg" style="width:50%" alt="" active="true" />
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<p class="imgdescript">图2-2-10 骨钙双能量原理图</p>
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</div>
|
<h4 class="fourthTitle">七、能谱CT成像原理</h4>
|
<p class="titleQuot-1">（一）能谱CT成像概念</p>
|
<p class="content">
|
能谱CT成像同一X线管电压在80kVp和140kVp之间瞬时切换（＜0.5毫秒），同一探测器接收高低能量两组数据信息，获得时空上匹配的双能量数据，在原始数据空间实现能谱解析。</p>
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</div>
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</div>
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</div>
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<div class="header-txt">
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CT检查技术
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</div>
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="titleQuot-1">（二）成像原理</p>
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<p class="content">
|
X线通过物质的衰减能够客观反映X线的能量，由于诊断X线的衰减主要由光电效应和康普顿效应组成，不同能量的X线产生的光电效应和康普顿效应的比例不同。所以任何物质的X线吸收曲线可由两种物质X线吸收曲线的权重和来表达。能谱CT通过一个球管在瞬时切换两个kV，几乎同时同角度进行高低能量X线的切换，实现时空上完全匹配的能谱数据的采集，进而计算到光电效应和康普顿效应的比例，可进行基物质（如水和碘、水和钙、钙和碘等）与物质的分离，即物质分离；同时可获得单能量成像，较高的单能图像较好地去除金属伪影及射线硬化伪影等；较低的单能图像可提高图像的密度分辨率。
|
</p>
|
<p class="titleQuot-1">（三）临床应用</p>
|
<p class="content"><span class="bold">1．常规CT图像</span> 能谱CT常会生成一组类似于120kVp常规混合能量的图像，用于常规诊断。</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">2．获得最佳虚拟单能级图像</span> 常规CT使用的是混合能量成像，无法体现不同能量的影像学特征。能谱CT检直可以获得从40～140keV之间101级的单能级图像，从而根据临床诊断需求，选取最理想的单能级图像，即最佳CNR。低keV图像可以增加不同组织结构之间的对比，有利于等密度病变的探查、发现，使静脉成像图像更佳，优化动脉成像等；高keV图像可以有效减轻或者去除硬化伪影和金属伪影，克服传统混合能量CT图像的不足。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">3．物质分离</span> 实现虚拟平扫；碘图还可以定量分析组织强化程度等；结石分析是能谱成像技术的一个典型应用，可以实现泌尿系结石分析、胆囊结石分析、痛风结石分析等。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">4．能谱曲线分析</span> 能谱曲线代表着感兴趣区域在不同keV下CT值变化规律，通过能谱曲线的分析，有助于判定病变性质，比较病变之间的同一性或者差异性。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">5．有效原子序效</span> 是能谱分析中对于无机物精确分析的方法，能够直接反映感兴趣区内部无机物的原子序数，确定无机物的性质。部分疾病如肾结石、硅肺、病变钙化等均为无机物的沉积，有效原子序数的测定可以对某种无机物的成分进行分析，达到精确诊断和鉴别诊断的目的。
|
</p>
|
<h4 class="fourthTitle">八、锥形束CT成像原理</h4>
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<p class="titleQuot-1">（一）锥形束CT成像概念</p>
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<p class="content">锥形束CT（Cone Beam
|
CT，CBCT）于20世纪90年代由荒井克俊（日本）和莫佐（意大利）等提出，广泛应用于医学诊断与治疗。其独特的成像原理和高分辨率的三维图像，使其成为图像引导放疗（IGRT）和其他医学影像检查的重要工具。CBCT主要由X线球管、探测器、机架和计算机软件等组成。
|
</p>
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<p class="titleQuot-1">（二）成像原理</p>
|
<p class="content">
|
CBCT成像原理是球管发射锥形束X线，围绕扫描区域进行180°～360°单向扫描，探测器将采集的数据上传到计算机系统，经重建软件重组即可获得各向同性的三维图像。锥形束CT与传统CT的主要区别在于X线源、影像探测器和数据重建方式的不同：①传统CT采用扇形X线，需多次旋转才
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</p>
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</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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<span class="header-title">第二章 CT成像的基础理论</span>
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<img class="header-img" src="../../assets/images/pageHeader.png" alt="" />
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<p class="content">
|
能覆盖整个扫描区域，锥形束CT采用三维锥形束X线，一次旋转即可完成全部扫描。②锥形束CT采用面状探测器以代替传统CT的线性排列探测器，可加快数据的采集速度。③传统CT扫描后，原始数据经计算机重建成二维图像，二维图像再经软件生成为三维图像。而锥形束CT采用三维锥形束X线扫描，原始数据重建后直接得到三维图像。
|
</p>
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<p class="content">
|
根据扫描时视野的范围，可将锥形束CT分成4种类型：小视野锥形束CT（视野高度为5～7cm）、中视野锥形束CT（视野高度为7～10cm）、大视野锥形束CT（视野高度为10～15cm）、颅面锥形束CT（视野高度＞15cm），不同领域的锥形束CT采用不同的探测器尺寸、扫描视野、参数设置（管电压、管电流及层厚等）。
|
</p>
|
<p class="content">
|
锥形束CT采用低千伏和低毫安扫描，大幅降低辐射剂量；锥形束CT重建层厚薄、空间分辨率高，不易受到外界因素的干扰，金属伪影少，并且锥形束CT图像清晰。此外，锥形束CT费用低、体积小、占地面积少、安装方便，可放在耳鼻咽喉门诊专机专用，避免了患者不同楼层间的奔走、预约，缩短了患者就诊时间。值得注意的是，锥形束CT采用开放性机架，更适用于幽闭恐惧症或焦虑症患者。
|
</p>
|
<p class="titleQuot-1">（三）临床应用</p>
|
<p class="content">锥形束CT在医学领域具有广泛的应用，特别是在图像引导放疗（IGRT）中发挥着重要作用。</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">1．图像引导放疗</span> IGRT通过在分次治疗摆位时和/或治疗中采集图像和/或其他信号，引导此次治疗和/或后续分次治疗。CBCT作为IGRT的主流设备之一，可以提供高分辨率的三维图像，用于精确定位肿瘤和周围器官，从而优化放疗计划，提高治疗效果。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">2．口腔医学</span> CBCT在口腔医学中用于诊断牙齿和颌面部疾病，提供高分辨率的三维图像，帮助医生制订精确的治疗计划，如种植牙、正畸治疗等。</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">3．骨科</span> CBCT在骨科中用于诊断骨折、骨肿瘤和骨关节炎等疾病，可以清晰地显示骨骼结构和周围软组织的情况，有助于医生进行准确的诊断和手术规划。
|
</p>
|
<p class="content"><span
|
class="bold">4．耳鼻喉科</span> CBCT在耳鼻喉科中用于诊断鼻腔、鼻窦、中耳和内耳的病变，提供高分辨率的三维图像，帮助医生制订精确的治疗计划，如鼻窦炎手术、中耳炎手术等。
|
</p>
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0023-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
|
</div>
|
<p class="center"><span class="bold">CT成像原理知识拓展</span></p>
|
<p class="quotation">
|
CT成像原理是医学影像技术的基石，融合了物理学、数学和工程技术等多个学科的知识。其中，X线的衰减和衰减系数是CT成像的物理基础。CT数据采集的基本原理是利用X线对人体进行多角度扫描，探测器接收透过人体的X线并转换为电信号，这些信号再经过模数转换后供计算机处理。这一过程中，数据的准确性和完整性对于后续的图像重建至关重要。CT图像重建则是将采集到的数据通过复杂的数学算法转化为人体内部的断层图像。这一步骤需要高精度的计算和大容量的数据存储，以确保图像的清晰度和分辨率。在CT技术的发展中，单层螺旋CT、多层螺旋CT、双源CT、能谱CT和锥形束CT等不断涌现。单层螺旋CT实现了检查床与X线管的连续运动，提高了扫描速度和效率。多层螺旋CT则进一步提升了数据采集的速度和图像的清晰度。双源CT采用双球管设计，能够在极短的时间内完成心脏等高动态范围的成像。能谱CT则利用不同能量X线的衰减差异，实现物质的分离和定量分析。锥形束CT则扩大了扫描范围，提高了三维成像的能力。在学习这些CT成像原理时，不仅要掌握其技术细节，更要培养对生命的敬畏之心和责任感。作为未来的医学影像技术的从业者，我们应该将人文关怀融入日常工作中，以患者的健康为中心，不断提升自己的专业技能和医学素养。
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</p>
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</div>
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CT检查技术
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</div>
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</div>
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</div>
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<div class="bodystyle">
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<div class="bodyPic"><img src="../../assets/images/0050-01.jpg" style="width:80%" alt="" active="true" />
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</div>
|
<p class="right-info">（王雷 黎学兵）</p>
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</div>
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