放射医学丨【相关专业知识】CT设备：硬件系统及其特性

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       CT硬件系统由扫描架、扫描床、电器柜、控制台等构成。CT系统包含以下子系统：X线的发生装置、探测器、计算机、旋转扫描、病人输送定位、冷却系统等。

       (一)X线发生系统

       X线发生系统由高压发生装置（控制部分、高压发生器）和X线管组成。CT机要求X线输出稳定、单色性好，可设定曝光条件，X线管的阳极热容量大。

       1.高压发生器的电器规格

       (1)功率：指X线主电路的最大输出功率。高档机一般在50～60kW，中档机35～45kW，低档机20～30kW。

       (2)最高管电压：CT机X线系统的高压一般在80～120kV之间可调，高档机可达140kV。

       2.高压发生器的类型

       (1)早期CT的高压发生器采用四级管稳定高压并控制X线的发生。现在都采用高频逆变高压发生器。它具有体积小、重量轻的特点。

       (2)油浸式高压发生器的密封性难以适应扫描速度高于0.5秒/周的CT，高端机都使用干式高压发生器。

       3.X线管

       CT机的X线管同常规X线管一样，是高真空器件，由提供热电子发射的阴极和接受电子束撞击发生X线的阳极构成。

       (1)X线管阳极热容量：是衡量CT用X线管容量的最重要指标。要求X线管阳极能承受连续使用情况下的热量积累。一般高档CT用X线管其阳极热容量在6～8MHU，中档CT在3～5MHU，低档CT在1～3MHU。

       (2)最大管电流：mA关系到X线的输出剂量率，影响到采集速度和图像质量。随着扫描速度的提高，数据采集时间缩短，要求X线系统能输出较大剂量率。有的机器最大管电流可达500mA。

       (3)焦点：CT用X线管有大小两个焦点，标称值在0.5～1.5之间。供普通扫描和高分辨率扫描选择使用。

       (4)散热率：螺旋扫描要求X线持续发生，连续大功率工作要求X线管的阳极具有很高散热率。现在CT用X线管的阳极散热效率，一般在1～1.5MHU/min。

       1)阳极接地X线管的阴极对地电压即X线管两端的电压。这增加了对高压器件的绝缘要求。但可以使阳极做的与金属外壳很近，增加了辐射散热速率，阳极散热率可达1.37MHU/min，也有的将绝缘油送入阳极轴心进行冷却。

       2)阳极直冷式X线管：X线管的旋转阳极靶盘即是管壳的一部分，阳极靶盘朝向阴极的一侧在真空中，接受电子束撞击发生X线，其背面直接浸泡在绝缘油中。工作时整个X线管转动。这种X线管的阳极散热速率可达到4.7MHU/min。即使在最大负荷条件下，阳极仍可以在20秒内冷却下来。

       为保护X线管，还采取油循环风冷散热、X线管阳极热容量监控等。

       4.准直器

       准直器位于X线管套窗口前方，狭缝状，由高密度金属制成，用以遮挡无用射线，形成扇形X线束。作用有三点：降低病人的表面辐射剂量、减少进入探测器的散射线和限定成像的空间范围。可分为两种，一种是X线管侧准直器，又叫前准直器，它的作用是控制X线束在人体长轴平行方向上的宽度，从而控制扫描层厚度。另一种是探测器侧准直器，又叫后准直器，它的狭缝分别对准一个探测器，使探测器只接收垂直入射探测器的射线，尽量减少来自成像平面之外方向的散射线的干扰。

       在非螺旋CT机和单层螺旋扫描CT机，扇形X线束的厚度就决定了扫描层厚。在多层螺旋CT中，扇形X线束的厚度与多个层面的厚度之和一致。

       有的设备具有后准直，位于探测器前方。它严格限定了探测器接受照射的实际宽度。在仅有前准直的CT由前准直决定层厚；同时具有后准直的设备，由后准直决定层厚。CT一般设有几种层厚供用户选择使用，如1mm、2mm、3mm、5mm、7mm、10mm。最新的CT可有0.5mm层厚。

       5.滤过器

       位于X线管套窗口前方，窗口与准直器之间。滤过器呈马鞍形，是由低原子序数物质制成的吸收体。其作用是补偿X线硬化效应，避免测量误差，减少图像伪影。它的存在也降低了数据采集对探测器动态范围的要求，降低了对受检者的辐射剂量。

       (二)数据采集系统（DAS）

       1.探测器

       (1)用途：探测透过人体的X线光子并将其转换成电信号。

       (2)类型：探测器主要有气体探测器和固体探测器两种。

       1)固体探测器：固体探测器对X线的吸收效率高、光电转换率高，但温度稳定性却差些。目前大多采用闪烁晶体（稀土陶瓷）＋光敏二极管型固体探测器。

       2)气体探测器：使用高压氙气电离室。电离室间有小孔沟通，以保证各电离室的气压一致，具备较好的性能一致性。X线光子进入电离室，引起氙气分子电离，离子在极板间电场的作用下形成电离电流，转换成电信号。

      (3)多排探测器：是指通过一周扫描可以同时获得多层图像的CT，多采用稀土陶瓷探测器制作成多排探测器。由一定数量的探测单元、以焦点为圆心的弧形排列。探测单元的数目越大，每次采集的数据量越大。

       单层螺旋CT具有一排紧密排列的探测单元。单元数一般在500～900间。

       多排螺旋CT的探测器在Z轴方向上有紧密排列的多排探测器，形成探测单元阵列。可分为等宽阵列与非等宽阵列。16层螺旋CT的探测器是16～34排探测器组成的探测单元阵列，每排宽度（Z轴方向）0.5～0.75mm。

       (4)采集通道数：由探测单元转换成的电信号由采集通道输出。每一采集通道的单元数与探测单元一一对应。采集通道数决定了旋转一周采集数据层数。一般情况下探测器排数大于采集通道数。

       2.数据测量装置 位于探测器陈列和计算机之间，它的任务是将探测器输出的微弱信号经过前置放大、模数转换后送往计算机、供计算机进行图像重建用。其基本结构包括：前置放大器、对数放大器、A/D转换器、数字数据传输。

       (三)扫描架

       扫描的机械运动由扫描架带动X线管和探测器用以完成数据采集的旋转运动。

       1.扫描架的构成 扫描架是中心设有扫描孔的机械结构，内部由机架部分（固定部分）和转动部分构成。

       1)机架部分：包括旋转控制、旋转驱动、滑环的碳刷，机架冷却、机架倾斜、层面指示等。

       2)转动部分：包括X线管、准直器，探测器、采集控制，X线系统的逆变式、高压发生器（低压滑环），滑环等。

       2.驱动方式 CT机扫描架驱动方式主要包括皮带驱动和线性电机直接驱动两种。

       皮带驱动：由皮带将马达动力传递到转动部分。其优点是结构简单，缺点是稳定性差，噪声大，变速灵敏性差。

       线性电机直接驱动：在扫描架转动部分和固定部分的边缘，分别将线性电机线圈环形排列，通电后产生位移力即转矩，直接使转动部分转动起来。

       直接驱动克服了皮带驱动的三个缺点，是当今多数高端机采用的驱动方式。

       3.信号传输方式  采用滑环技术的扫描架，除第四代扫描方式外，采集信号向外传输同样不能使用电缆连接。常用的方式有：滑环传输、光电传输、射频（电容感应）传输。

       4.定位标志  定位灯提供过扫描野中心的正中面、水平面和扫描平面三维基准线指示。便于安置病人和将预定层面送入扫描平面。

       (四)扫描床

       用于扫描时按计划将病人预定断面输送到扫描平面。

       1.床面材料：透X线性能好，没有边框，又要承重能力强。扫描床面为碳素纤维增强塑料制成。

       2.床面承重：要求达250kg。

       3.床面行程：要求有较大活动范围，一般200cm。

       4.定位精度：要求床面的定位精度达0.25mm，以保证扫描层定位准确，重复性好。

       5.最低高度：扫描床有升降功能，便于病人上下。最低35cm。

       6.互锁功能：与扫描架互锁，保证床面或扫描架的活动不会与对方发生碰撞、挤压病人。

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