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1、医用CT机的质量控制与计量检定,夏勋荣,主要内容：1、与CT相关的概念 2、CT机的结构及成像原理 3、CT机的主要性能指标 4、CT机质量检测的设备 5、CT机各项指标的检定意义,CT的含义,CT是Computed Tomography的缩写。“computed”意为计算机技术；“tomos”的含义是“断层”，意为人体中的单一层面；后缀“graphy”，意为成像技术，例如“radiography”-放射成像技术。普通X线成像技术中，人体组织和结构被重叠在一起，而CT成像技术中得到的是人体某一层面的影像。,CT成像与普通X线成像的区别,1.1895年伦琴发现X线；2.1917年，奥地利数学家J
2、.Radon证明了CT成像的数学原理，即投影重建图像数学理论；3.1963年，美国科学家Cormack从人体扫描试验中研究出了重建图像的数学方法；4.1971年9月，英国的Hounsfield研制成功了第一台CT，并应用于临床诊断；5.1979年Hounsfield和美国的Cormack获得了医学生理学奖；6.1998年11月在北美放射学会年会上有4家公司分别展出了多排螺旋CT机。,CT成像技术的发展历史,CT机的发展历史,体素与像素,CT机的结构及成像原理,1mm,10mm,由于被扫描人体的组成是不均匀的，在实际应用中将人体断层分成很多小块，这种被分成许多密度均匀的小立方体，称之为“体素”。
3、体素是产生CT图像的基本单元，体素越小图像越清晰。体素的大小由下式决定：体素=FOV层厚/矩阵所以CT力争较多的原始数据，而原始数据又与采集点数和探测器的数目有关。,体素与像素,像素是显示图像的基本单元，它与体素有关，但又是两回事。像素大小与图像处理系统的存储矩阵有关，与监视器显示图像部分的尺寸有关。像素=FOV/矩阵体素和像素采用同一坐标系，像素值（像素的CT值）代表对应体素的平均吸收特性并在图像上显示出来。,体素与像素,CT值的概念,CT值代表X线穿过人体组织被吸收后的衰减值。为了定量衡量组织对于X光的吸收率，Hounsfield定义了一个新的标度“CT值”。为了表示对他的敬意，后人将CT
4、值的单位定位“H”。CT值的计算：某物质的CT值等于该物质的衰减系数与水的衰减系数之差，再与水的衰减系数之比后乘以1000。,CT值的概念,某物质CT值=1000（-水）/水,其单位名称为HU（Hounsfield Unit）。CT值不是一个绝对值,而是一个相对值。不同组织的CT值各异,各自在一定范围内波动。骨骼的CT值最高,为1000HU；软组织的CT值为2070HU；水的CT值为0（10）HU；脂肪的CT值为-50-100以下；空气的CT值为-1000HU。,窗宽窗位的概念,窗宽是CT图像上显示的CT值范围。在此CT值范围内的组织和病变均以不同的模拟灰度显示。而CT值高于此范围的组织和病变
5、，无论高出程度有多少，均以白影显示，不再有灰度差异；反之，低于此范围的组织结构，不论低的程度有多少，均以黑影显示，也无灰度差别。,窗位是窗的中心位置，同样的窗宽，由于窗位不同，其所包括CT值范围的CT值也有差异。例如窗宽同为100H，当窗位为0HU时，其CT值范围为-50+50H；如窗位为+35H时，则CT值范围为-15+85HU。通常，欲观察某组织结构及发生的病变，应以该组织的CT值为窗位。例如脑质CT值约为+35H,则观察脑组织及其病变时，选择窗位以+35H为妥。,窗宽窗位的概念,CT成像的物理原理图,CT机的结构及成像原理,CT成像的基本原理,CT机的结构及成像原理,CT成像的数学原理图
6、,CT每扫描一次，即可得到一个关于衰减系数的方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的X线吸收系数(衰减系数)，将其排列成数字矩阵（digital matrix），数字矩阵经过数字/模拟转换器（D/A）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，即像素（pixel），也按矩阵排列，即构成了CT图像。,CT机的结构及成像原理,模数转换器,CT影像设备的基本结构与工作原理流程,CT机的结构及成像原理,第一代 单束平移-旋转方式,视频7.20,第二代 窄扇束平移-旋转方式,第三代 宽扇束旋转-旋转方式,第四代 宽
7、扇束静止-旋转方式,螺旋CT,第五代 泛指各种先进的扫描方式,双源CT,Cone beam CT,CT与常规X线比较,（1）扫描系统（X线管、探测器和扫描架）;（2）计算机系统（数据储存、运算等）;（3）图像显示和存储、照相系统。,CT影像设备的组成与功能,CT机的结构及成像原理,（1）扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:,扫描机架（gantry）内安装有X线系统、图像采集、X线过滤器、系统准直器等，其中X线球管和数据采集系统（data acquisition system，DAS）最为重要。目前多数扫描机架的孔径为70cm，倾斜角度通常为1230。,CT扫描系统的扫描机架与扫描床 扫描机架内
8、部结构,CT机的结构及成像原理,CT机的结构及成像原理,探测器,滑 环,高压部分,（1）扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:,X线球管是CT影像设备的心脏部分，由阴极、阳极和真空玻璃或金属管组成，其类型可分为固定阳极和旋转阳极两种。固定阳极X线球管主要应用于单束和多束形的扫描机中，其焦点是矩形的，主要用于第1、2代CT机中；旋转阳极X线球管主要用在扇束旋转扫描机中，故在第3、4代CT机中多采用此种X线球管；,CT机的结构及成像原理,目前，CT多采用2个焦点交替工作，大大延长了X线球管的寿命，其曝光次数由原来的2万次达到2550万次以上。2003年末Siemens公司推出零兆阳极热容量的概念，代
9、表球管为Straton电子束控金属球管，以0.37秒速度进行机架旋转的球管,可以实现亚毫米满负荷扫描。,Straton电子束控金属球管外形,CT机的结构及成像原理,（1）扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:,CT的数据采集系统（DAS）作用是测量X射线束，并将这些数据编码成二进制数据，送往计算机进行运算。探测器（detector）是DAS系统中重要的部件，主要功能：接受透过病人检查部位的X射线；将接收到的X线转换成模拟形式的电子信号；将模拟信号放大；将模拟信号转换成数字信号（通过A/D转换器）。,CT机的结构及成像原理,（1）扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:,探测器是位于X线球管和计算机系
10、统之间重要的数据检测部件。一般来说，探测器的数量越多，采集到的扫描数据就越多，可提高X射线的利用率，相应的缩短扫描时间和提高图像的质量。比如GE公司LightSpeed 16排MSCT的探测器系统共有24排矩阵式探测器组合，每排有912个稀土陶瓷探测器，共有21，888个探测器。,（1）扫描系统（X线管、探测器和扫描架）:,CT机的结构及成像原理,（2）计算机系统:,CT和MRI等临床大型医疗设备均使用的是小型计算机。CT的计算机系统包括主计算机和阵列计算机两部分。主计算机控制CT整个系统的正常工作，其主要的功能有：扫描监控，并将CT扫描得到的数据进行存储；CT值的校正；图像的重建控制；CT机
11、自身故障的诊断与分析。阵列处理器（Array Processor,AP）：本身不能独立工作，它与主计算机相连，在其控制下进行高速的数据运算以完成CT扫描的庞大数据量的处理与运算。,CT机的结构及成像原理,（3）图像显示与存储：,CT图像的显示：由操作台上的CRT等显示屏显示，目前多层螺旋CT多配有高性能的工作站（workstation），也可以在工作站的显示屏上显示。CT图像的记录系统：系统硬盘、外部存储器等构成。CT图像的外部存储器包括磁带、合式磁带、光盘、磁光盘、软盘以及各种照相机等。,CT机的结构及成像原理,CT机的性能指标,JJG 961-2001 医用诊断计算机断层摄影装置（CT）X
12、射线辐射源JJG 1026-2007 医用诊断螺旋计算机断层摄影装置（CT）X射线辐射源,CT机的性能指标,CT机的性能指标,普通CT的性能指标,螺旋CT性能指标,剂量指数：头部的加权CT剂量指数不超过60mGy，腹部不超过35mGy均匀性：新安装4HU；使用中5HU图像之间的一致性：不同层面之间不超过6HUCT值：空气（-100030）HU；水（04）HU空间分辨力：5.0Lp/cm（FOV小于20cm的放大扫描7.5Lp/cm）低对比分辨力：1.0%的对比度，应能分辨直径为3.0mm的一组圆孔；0.3%的对比度，应能分辨直径为6.0mm的一组圆孔,CT机的性能指标,电压表,CT机质量检测的
13、标准器,电流表,CT机质量检测的标准器,剂量仪,长杆电离室及剂量模体,CATPHAN,CT机质量检测的标准器,国产TM164模体,Victoreen,1，管电压的检测,（1）将电压表的探测器置于X射线照射野中心，射线束与探测器截面垂直。（2）选常用的电压值至少重复测量3次，取其平均值，用相对偏差表示电压的准确度。,CT机的质量检测,2，管电流的检测,（1）将电流表的钳型探测器夹在CT机靠近X射线管阳极电缆上。（2）选常用的电流值至少重复测量3次，取其平均值，用相对偏差表示电流的准确度。,CT机的质量检测,3，辐射值的检测,（1）将CT电离室的中心部分置于X射线照射野中心。X射线管置于非旋转状态
14、，吸收片放在X射线管焦点和电离室之间，其间距大于20cm并与电离室平行。（2）测量未加吸收片和通过不同厚度的吸收片时空气比释动能率。（3）用作图法或计算法求出空气比释动能率降到初始值(无吸收片)一半时的吸收片厚度，即为输出的辐射质。,CT机的质量检测,1），基本方法,2），简便方法,用BARRACUDA直接测量,4，剂量指数的检测,CT扫描要比普通X射线检查带给患者更大的辐射剂量，它在临床上的广泛应用增加了群体中辐射诱发癌症的发生几率。因此，当多层螺旋CT等各种新设备的出现更加方便和有利于临床诊断时，必须充分正视合理控制CT检查所致受检者的辐射剂量问题，这是当前社会各界关注的一个重点课题。在C
15、T剂量学研究领域，目前应用最广泛的描述是CT剂量指数，剂量指数常用下面三个概念来表征：CTDI100、加权CTDIW、容积CTDIvol。,CT机的质量检测,CTDI100,CT机的质量检测,加权CTDIW,CT机的质量检测,容积CTDIvol,CT机的质量检测,4，剂量指数的检测,将头部和腹部剂量模体分别置于射线照射野中心，将长杆电离室依次放置模体中通孔里，其余圆孔插人圆棒，用CT机头部和腹部条件扫描剂量模体，扫描区域内不应有影响射线束的物质。,CT机的质量检测,4，剂量指数的检测,CT机的质量检测,影像性能的检测,定位片,CT机的质量检测,模体的摆位,5，均匀性的检测,均匀性的定义：扫描野
16、中均质体各局部在CT图像上显示出来的CT值的一致性。偏离程度越大，均匀度越差；越小越好，最好为0检测方法（1）用CT机头部条件扫描水模体，所扫描区周围不应有影响射线束的物质。（2）在图像里选取5个测量区，分别在图像的中心和上下左右距图像边缘10mm处取面积约为100mm2的区域，测量其CT值及标准偏差。（3）以中心感兴趣区域平均CT值与边缘各点的平均CT值之间的差别来表示均匀性。,CT机的质量检测,均匀性图像,CT机的质量检测,环状伪影,X射线的硬化 X射线的光子能量不一，具有一定的频谱宽度，随着球管的老化，光子的频谱变宽。我们在进行图像重建时，总是希望光子的能量越单一越好，而实际上往往做不到
17、。在射线通过人体衰减时，高能光子衰减小，低能光子衰减大，探测器得到的投影数据是多色光的投影数据，只能用平均能量来重建图像，得到的图像就会产生“杯状”或“帽状”伪影。考虑到这种情况，早期的机器采用水袋法来校正，现在的机器常采用补偿滤线器或通过改进重建算法来降低由于线质变化带来的影响。,CT机的质量检测,导致均匀性不好的原因（1）：,CT机的质量检测,探测器性能的改变 探测器的探测效率在理想状态是100，实际扫描总探测效率在5080之间。探测器的性能与自身的稳定性、响应性、准确性有很大关系。早期的螺旋CT采用X线球管与探测器一起旋转扫描，每个探测器与球管的相对位置保持不变，某一组探测器始终对着球管
18、发出的射线沿着旋转中心旋转，当该探测器的灵敏度改变甚至损坏时，会出现“环状”伪影，碰到这种情况，就要用校准探测器性能的软件来进行校正，一般在做过校正后图像会有所改观。,导致均匀性不好的原因（2）：,环境因素 固体探测器的信号强度与温度的关系极大，有的系统必须用调节加热和冷却的办法来稳定探测器的温度。个别基层医院为降低成本，在机房没有配备空调或除湿机，机房的温度变化过大影响了探测器的性能，导致图像上出现伪影。对气体探测器来讲，电离室电压的波动或者电离室内绝缘体上产生的漏电流都可以形成信号电流，另外电离室隔板极薄容易出现颤噪效应，在CT机运行时极小的颤动都会产生信号而影响图像的质量。,CT机的质量
19、检测,导致均匀性不好的原因（3）：,图像之间的一致性,对于螺旋CT，取能得到的最大层数和最小螺距的一次扫描的第一幅图像、中间一幅图像、最后一幅图像，在中心位置测量CT值，用极差法表示图像的一致性。,CT机的质量检测,噪声：在均匀物质的影像中，表示给定区域的各CT值对其平均值的变化量，用该区域CT值标准偏差表示。来源 1.投照光子密度在时间和空间上的随机变化（量子噪声）2.电子测量系统工作状态的随机变化产生的热噪声 3.重建算法噪声,6，噪声水平的检测,CT机的质量检测,6，噪声水平的检测,取上述5个测量区的CT值的标准偏差平均值，计算噪声水平。（k取1000HU）,CT机的质量检测,噪声图像,
20、7，CT值的检测,用头部条件扫描CT值插件。在所扫描图像里的每种物质中选取一个约100mm2的测量区，记下CT值。,CT机的质量检测,CT值图像,模体的常见CT值误差范围,Victoreen,CT机的质量检测,模体的常见CT值误差范围,CT机的质量检测,8，层厚的检测,（1）对模体中的层厚插件进行扫描，一般选用5mm、10mm进行扫描。（2）将CT机窗宽调至最小，窗位调至测量物CT值与背景物CT值之和的一半，测量4个位置图像的宽度，其平均值为实际层厚。,CT机的质量检测,CT机的质量检测,层厚插件图像,层厚测量图像,空间分辨力反应了机器在高对比度条件下鉴别细微结构的能力，空间分辨力的测量一般用
21、线对卡、圆孔法或MTF函数法，第三种方法比较复杂，一般只会在厂家进行校正时使用，日常质控一般用前面两种方法。影响空间分辨力的主要因素是探测器单元的孔径和球管的焦点尺寸。CT机采用双焦点的球管，小焦点用于产生较好的图像细节，大焦点用于满足大容量的要求。此外，空间分辨力还和重建函数以及扫描矩阵的大小有关。图像矩阵越大，像素越多，图像越细腻，分辨力越高。,CT机的质量检测,9，空间分辨力的检测,9，空间分辨力的检测,（1）用头部条件和腹部条件分辨扫描空间分辨力层。（2）将图像的窗宽调至最小，调节窗位来分辨出一组最小孔径。,CT机的质量检测,CATPHAN500空间分辨力插件,9，空间分辨力的检测,C
22、T机的质量检测,TM164空间分辨力插件,CT机的质量检测,由于空间分辨力比较直观的反应了设备的性能，在评价CT机的性能质量时往往首先考虑空间分辨力，部分设备经销商们也对客户片面的强调空间分辨力如何高。实际上，CT机的理论最高分辨力是通过计算出来的，只有在特殊的扫描条件下才能达到，而日常工作中往往不会用到这种条件。,CT机的质量检测,9，空间分辨力的检测,低对比分辨力是指系统所能分辨的对比度差别的能力，通常用百分数表示。例如一台CT机的密度分辨力是0.3，表示CT机能分辨密度差异为0.3的组织。对比度测试的传统方法，是采用一个多孔的圆柱形模体，这些孔的深度和直径都不同，在孔内有不同的低密度物质
23、来形成孔和周围物质的对比度。,CT机的质量检测,10，低对比分辨力的检测,低对比分辨力插件的示意图,10，低对比分辨力的检测,CT机的质量检测,低对比分辨力插件侧面的示意图,CT机的质量检测,10，低对比分辨力的检测,（1）用CT头部条件扫描低对比分辨力层，在10mm或最大层厚时扫描水模体。（2）在低对比插件中分别在水和插件各选一个测量区，测量两种物质的CT值和标准偏差(SD)，根据式(9),(10)调节窗位和窗宽，分辨出一组最小的孔径。,CT机的质量检测,TM164低对比度分辨力插件,CT机的质量检测,CT机的质量检测,10，低对比分辨力的检测,影响低对比分辨力的因素很多，其中噪声是最直接、最密切相关的因素，为全面评价密度分辨力这一指标，还应综合考虑以下参数的影响：毫安秒（mAs），一般较高的毫安秒可获得较好的低对比度图像；反之，较低的的毫安秒获得的图像则会差一些。管电压（kVp），管电压愈高，X线能量愈强，穿透力愈强，图像噪声愈小，低对比分辨力愈高。很多基层医院为简化检查程序，往往只采用单一电压(如120kV)进行全身各部位的扫描，因而管电压对CT密度分辨力的影响容易被忽视。重建函数，应用空间分辨率高的重建算法，噪声大，低对比分辨力降低；而用软组织的重建算法图像噪声小，低对比分辨力提高。,CT机的质量检测,
