本教程解釋了計(jì)算機(jī)斷層掃描 （CT） 成像系統(tǒng)如何生成身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 3D 圖像。解釋了高端螺旋CT技術(shù)，以及將從光電二極管收集的光處理成電信號(hào)并最終通過(guò)數(shù)字采集系統(tǒng)（DAS）轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的方法。這種轉(zhuǎn)換過(guò)程必須快速進(jìn)行，這使得ADC采樣速度和分辨率對(duì)CT設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

概述

計(jì)算機(jī)斷層掃描 （CT） 醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)使用復(fù)雜的 X 射線和計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描成像技術(shù)生成身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維 （3-D） 圖像

用于生成斷層掃描圖像的 X 射線圖像首先通過(guò)將患者暴露在扇形 X 射線束下，然后在薄的半圓形數(shù)字 X 射線探測(cè)器上檢測(cè)投影圖像來(lái)生成。將患者放置在光源和檢測(cè)器之間，檢測(cè)器配置其幾何中心位于 X 射線源處。每個(gè)圖像都是身體非常薄的橫向切片的X射線投影。為了收集生成斷層掃描CT圖像所需的大量X射線投影，X射線源和探測(cè)器在支撐機(jī)架內(nèi)圍繞患者旋轉(zhuǎn)。當(dāng)光源和檢測(cè)器旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)收集和存儲(chǔ)圖像。與傳統(tǒng)的X射線一樣，圖像切片中的信號(hào)電平表示患者沿從X射線源到相應(yīng)像素位置的線的相對(duì)無(wú)線電密度。

為了縮短圖像捕獲時(shí)間和分辨率，制造商利用多層CT成像技術(shù)。多切片成像不是僅提供單個(gè)圖像切片的單個(gè) 2D 探測(cè)器陣列，而是使用 3D 陣列。增加的成像尺寸允許系統(tǒng)并行生成多個(gè)切片。CT成像中使用的光電探測(cè)器陣列沿半圓形探測(cè)器拱門的長(zhǎng)維探測(cè)器多達(dá)1000個(gè);16個(gè)或更多探測(cè)器位于與拱門相切的較短維度上。短維度中的檢測(cè)器數(shù)量決定了可用圖像切片的數(shù)量。

將患者暴露在扇形X射線束下，并在薄的半圓形數(shù)字X射線探測(cè)器上檢測(cè)投影圖像。

現(xiàn)代CT成像系統(tǒng)還可以通過(guò)使用稱為螺旋CT的技術(shù)在體內(nèi)的任何平面上生成圖像。在螺旋CT系統(tǒng)中，患者緩慢移動(dòng)到機(jī)架的中心，同時(shí)X射線源和探測(cè)器圍繞患者旋轉(zhuǎn)。需要超高速計(jì)算機(jī)來(lái)處理以這種方式收集的圖像。復(fù)雜的斷層掃描成像技術(shù)用于產(chǎn)生所需的圖像。

X射線檢測(cè)

早期的CT成像系統(tǒng)使用閃爍晶體和光電倍增管完成了X射線檢測(cè)。閃爍晶體將X射線轉(zhuǎn)換為光，光電倍增管將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的電信號(hào)。現(xiàn)代CT系統(tǒng)現(xiàn)在采用更復(fù)雜的閃爍晶體材料和固態(tài)光電探測(cè)器二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。

每個(gè)光電二極管的輸出是與照射到二極管的光成比例的電流。這些電流可以通過(guò)低噪聲跨阻放大器（TIA）直接轉(zhuǎn)換為電壓，或者使用電容器或有源積分器運(yùn)算放大器電路隨著時(shí)間的推移進(jìn)行積分，以產(chǎn)生電壓輸出。每個(gè)二極管的電流積分可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。光電二極管檢波器陣列本身的電容可用于此目的。來(lái)自這些電容的信號(hào)使用二極管陣列檢波器中的FET開(kāi)關(guān)進(jìn)行多路復(fù)用。然后將信號(hào)路由到數(shù)字采集系統(tǒng)（DAS），該系統(tǒng)使用高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。另一種方法是將來(lái)自每個(gè)光電二極管的信號(hào)路由到 DAS 中的積分器。在這些實(shí)現(xiàn)中，積分電流信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電壓，同時(shí)采樣，并多路復(fù)用到ADC的輸入端。

捕獲單個(gè)X射線圖像所需的時(shí)間差異很大，但可以短至100μs。DAS中用于轉(zhuǎn)換這些信號(hào)的ADC的采樣速度在很大程度上決定了多路復(fù)用的數(shù)量，從而決定了系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器和放大器的數(shù)量。ADC的動(dòng)態(tài)范圍必須很大，以保持X射線圖像的大動(dòng)態(tài)范圍。具有 16 位或更高分辨率的轉(zhuǎn)換器很常見(jiàn)。ADC的輸出通過(guò)高速總線路由到圖像信號(hào)處理器，以進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理和圖像重建。在某些實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字處理可以與ADC物理上相隔一段合理的距離。在這些情況下，高速線路驅(qū)動(dòng)器用于路由信號(hào)。

斷層成像

生成的X射線圖像數(shù)據(jù)集由圖像處理器轉(zhuǎn)換為圖像。圖像處理器通常是一臺(tái)非常高速的計(jì)算機(jī)，它執(zhí)行斷層掃描圖像重建所需的大量計(jì)算。生成的圖像通常具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍（即16位灰度圖像）。為了最有效地將這個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍映射到有限的可見(jiàn)顯示范圍，需要進(jìn)一步的圖像處理。

審核編輯：郭婷