CT設(shè)備與CT成像性能(為什么說(shuō)CT的空間分辨力不如普通X線成像)

這篇文章給大家聊聊關(guān)于CT設(shè)備與CT成像性能，以及為什么說(shuō)CT的空間分辨力不如普通X線成像對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，希望對(duì)各位有所幫助，不要忘了收藏本站哦。

本文目錄

1. 工業(yè)CT與醫(yī)用CT性能要求差別
2. CT與TMT醫(yī)用紅外熱成像儀設(shè)備有什么區(qū)別
3. 為什么說(shuō)CT的空間分辨力不如普通X線成像

一、工業(yè)CT與醫(yī)用CT性能要求差別

本文主要是幫助那些不十分熟悉工業(yè)CT物理原理的讀者理解工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響，以便在選擇和購(gòu)買工業(yè)CT設(shè)備時(shí)，能恰如其分地提出技術(shù)要求，合理地在性能和價(jià)格之間取得折衷。

1工業(yè)CT的基本特點(diǎn)

1.1工業(yè)CT概述

CT即計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，是英語(yǔ)Computed Tomography的縮寫。而tomography一詞源于希臘字tomos，意思是一種能對(duì)單個(gè)平面照相，同時(shí)去除其他平面結(jié)構(gòu)影響的X射線照相技術(shù)。用傳統(tǒng)人體透視方法，三維的人體沿X射線的方向被壓縮成了兩維的圖像，體內(nèi)所有骨骼結(jié)構(gòu)和組織都重疊在一起，使得感興趣對(duì)象的清晰程度大為下降。這樣盡管它有極好的空間分辨率（分辨緊鄰的高反差物體的能力），可是最后只有很差的低反差分辨率（從背景上區(qū)分低反差物體的能力）。因此導(dǎo)致了傳統(tǒng)斷層成像技術(shù)的出現(xiàn)[8]。

傳統(tǒng)斷層成像的基本原理如圖1所示。先考慮病人體內(nèi)兩個(gè)孤立的點(diǎn)A和B：A點(diǎn)在焦平面上而B(niǎo)點(diǎn)在焦平面以外。A點(diǎn)和B點(diǎn)投射到X膠片上的陰影對(duì)應(yīng)地標(biāo)注為A1和B1，如圖 1(a)。這時(shí)膠片上生成的圖像和傳統(tǒng)照相完全沒(méi)有區(qū)別，然后使X射線源和X膠片同步地沿相反方向運(yùn)動(dòng)（例如如圖所示，X射線源向左運(yùn)動(dòng)而X膠片向右運(yùn)動(dòng)）到第二個(gè)位置。我們要確保固定點(diǎn)A生成的陰影A2與A點(diǎn)在第一位置生成的陰影A1重合。這一點(diǎn)很容易通過(guò)設(shè)置X射線源和X膠片移動(dòng)的距離，使它們正比于對(duì)A點(diǎn)相應(yīng)的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 1(b)。然而固定點(diǎn)B在第二位置生成的陰影B2與B1是不重合的。這就是因?yàn)锽點(diǎn)不在焦平面上，從B點(diǎn)到X射線源和B點(diǎn)到膠片的距離比偏離了對(duì)A點(diǎn)相應(yīng)的距離比。當(dāng)X射線源和膠片沿一條直線（自然是相反方向）連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，B點(diǎn)生成的陰影形成了一個(gè)直線段，這個(gè)性質(zhì)對(duì)焦平面以外上下的任何點(diǎn)都是適用的。應(yīng)該注意到不聚焦的那些點(diǎn)生成的陰影強(qiáng)度降低了，這是由于陰影分布到一個(gè)擴(kuò)展了的面積上。而所有焦平面上的點(diǎn)都保持了原來(lái)膠片上的圖像位置，其陰影仍然是一個(gè)點(diǎn)，相應(yīng)的強(qiáng)度沒(méi)有減小。

圖1傳統(tǒng)斷層成像的原理

雖然這種斷層成像技術(shù)在生成清晰的感興趣平面的圖像方面取得一些成功，但它們并沒(méi)有增加物體的反差，也不能根本上去除焦平面以外的其他結(jié)構(gòu)。明顯損害了圖像的質(zhì)量。

現(xiàn)代斷層成像技術(shù)——即CT，是基于從多個(gè)投影數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)重建圖像的一種方法，現(xiàn)代斷層成像過(guò)程中僅僅采集通過(guò)特定剖面（被檢測(cè)對(duì)象的薄層，或稱為切片）的投影數(shù)據(jù)，用來(lái)重建該剖面的圖像，因此也就從根本上消除了傳統(tǒng)斷層成像的“焦平面”以外其他結(jié)構(gòu)對(duì)感興趣剖面的干擾，“焦平面”內(nèi)結(jié)構(gòu)的對(duì)比度得到了明顯的增強(qiáng)；同時(shí)斷層圖像中圖像強(qiáng)度（灰度）數(shù)值能真正與被檢對(duì)象材料的輻射密度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)被檢對(duì)象內(nèi)部輻射密度的微小變化。事實(shí)上，低對(duì)比度可探測(cè)能力（LCD）是CT和常規(guī)射線照相之間的關(guān)鍵區(qū)別。這也是CT在臨床上迅速得到接受的最主要因素。

需要強(qiáng)調(diào)的是，除了CT技術(shù)以外的所有無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都沒(méi)有這個(gè)能力。因?yàn)闆](méi)有重疊結(jié)構(gòu)的干擾，圖像的解釋要比傳統(tǒng)射線照相容易得多。新的購(gòu)買者能很快看懂CT的結(jié)果因此從上世紀(jì)70年代初英國(guó)EMI出現(xiàn)世界上第一臺(tái)醫(yī)用CT掃描設(shè)備以來(lái)，CT技術(shù)一直迅速發(fā)展?，F(xiàn)在CT已成為最常用的臨床診斷工具之一。而近年來(lái)螺旋CT的出現(xiàn)又使這個(gè)技術(shù)前進(jìn)一大步。

工業(yè)CT的基本原理與醫(yī)用CT相同，因此也具有醫(yī)用CT所有的基本特點(diǎn)。其檢測(cè)圖像沒(méi)有被檢測(cè)的“切片”以外結(jié)構(gòu)材料的干擾可發(fā)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部極小的材料密度變化。同時(shí)圖像的解釋要比傳統(tǒng)射線照相容易得多。

因此工業(yè)CT也被廣泛用來(lái)檢查機(jī)械零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)或裝配正確性，還可以用于非破壞測(cè)量零件內(nèi)部尺寸。近年來(lái)，鑒于各種其他無(wú)損檢測(cè)手段的大量研究沒(méi)有得到令人滿意的結(jié)果，工業(yè)CT又被認(rèn)為是檢查毒品和爆炸物最有應(yīng)用前景的手段。

值得注意的是CT檢測(cè)得到的是輻射密度分布圖像，更專業(yè)一些應(yīng)當(dāng)稱之為射線線性衰減系數(shù)的分布圖像。由于在大多數(shù)情況下輻射密度與材料密度有近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，人們往往把CT圖像誤認(rèn)為就是一般（材料）密度的分布圖像。這種混淆在很多實(shí)際應(yīng)用情況下并無(wú)很大害處，然而在精確定量分析檢測(cè)結(jié)果時(shí)就有可能導(dǎo)致一些錯(cuò)覺(jué)。

由于檢測(cè)對(duì)象的不同，工業(yè)CT與醫(yī)用CT差別很大，以至從外表上幾乎看不出多少相似的地方。醫(yī)用CT的檢測(cè)對(duì)象基本上是人體或器官，材料密度和外形尺寸的變化范圍相對(duì)比較小。但是工業(yè)CT的檢測(cè)對(duì)象就要廣泛得多，從微米級(jí)的集成電路到超過(guò)一米的大型工件，從密度低于水的木材或其它多孔材料到高原子序數(shù)的重金屬材料都是CT檢測(cè)對(duì)象；關(guān)心的檢測(cè)要求從各類內(nèi)部缺陷到裝配結(jié)構(gòu)和尺寸測(cè)量，也各不相同。這就使不同用途的工業(yè)CT系統(tǒng)所用的射線源、射線探測(cè)器和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很不相同，甚至工業(yè)CT系統(tǒng)之間的外形也大不相同。從這個(gè)意義上說(shuō)，理解工業(yè)CT比理解醫(yī)用CT也許更加困難。

工業(yè)CT的缺點(diǎn)是因?yàn)槠浼夹g(shù)復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格相對(duì)高昂。設(shè)備的使用和維護(hù)相對(duì)難度也較大。另外重建斷層圖像需要采集的數(shù)據(jù)量龐大檢測(cè)速度較慢。

1.2工業(yè)CT的主要部件和它們的特點(diǎn)

一個(gè)工業(yè)CT系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包括射線源，輻射探測(cè)器，樣品掃描系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（硬件和軟件）等。

1.2.1射線源的種類

射線源常用X射線機(jī)和直線加速器，統(tǒng)稱電子輻射發(fā)生器。電子回旋加速器從原則上說(shuō)可以作CT的射線源，但是因?yàn)閺?qiáng)度低，幾乎沒(méi)有得到實(shí)際的應(yīng)用。X射線機(jī)的峰值射線能量和強(qiáng)度都是可調(diào)的，實(shí)際應(yīng)用的峰值射線能量范圍從幾KeV到450KeV；直線加速器的峰值射線能量一般不可調(diào)，實(shí)際應(yīng)用的峰值射線能量范圍從1～16MeV，更高的能量雖可以達(dá)到，主要僅用于實(shí)驗(yàn)。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點(diǎn)是切斷電源以后就不再產(chǎn)生射線，這種內(nèi)在的安全性對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用是非常有益的。電子輻射發(fā)生器的焦點(diǎn)尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉(zhuǎn)換為X射線的過(guò)程中，僅有小部分能量轉(zhuǎn)換為X射線，大部分能量都轉(zhuǎn)換成了熱，焦點(diǎn)尺寸越小，陽(yáng)極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實(shí)際應(yīng)用的功率是以陽(yáng)極靶可以長(zhǎng)期工作所能耐受的功率密度確定的。因此，小焦點(diǎn)乃至微焦點(diǎn)的的射線源的使用功率或最大電壓都要比大焦點(diǎn)的射線源低。電子輻射發(fā)生器的共同缺點(diǎn)是X射線能譜的多色性，這種連續(xù)能譜的X射線會(huì)引起衰減過(guò)程中的能譜硬化，導(dǎo)致各種與硬化相關(guān)的偽像。

同位素輻射源的最大優(yōu)點(diǎn)是它的能譜簡(jiǎn)單，同時(shí)有消耗電能很少，設(shè)備體積小且相對(duì)簡(jiǎn)單，而且輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是輻射源的強(qiáng)度低，為了提高源的強(qiáng)度必須加大源的體積，導(dǎo)致“焦點(diǎn)”尺寸增大。在工業(yè)CT中較少實(shí)際應(yīng)用。

同步輻射本來(lái)是連續(xù)能譜，經(jīng)過(guò)單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強(qiáng)度X射線，因此可以做成高空間分辨率的CT系統(tǒng)。但是由于射線能量為20KeV到30KeV，實(shí)際只能用于檢測(cè)1mm左右的小樣品，用于一些特殊的場(chǎng)合。

1.2.2輻射探測(cè)器

工業(yè)CT所用的探測(cè)器有兩個(gè)主要的類型——分立探測(cè)器和面探測(cè)器

1.2.2.1分立探測(cè)器

常用的X射線探測(cè)器有氣體和閃爍兩大類。

氣體探測(cè)器具有天然的準(zhǔn)直特性，限制了散射線的影響；幾乎沒(méi)有竄擾；且器件一致性好。缺點(diǎn)是探測(cè)效率不易提高，高能應(yīng)用有一定限制；其次探測(cè)單元間隔為數(shù)毫米，對(duì)于有些應(yīng)用顯得太大。

應(yīng)用更為廣泛的還是閃爍探測(cè)器。閃爍探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換部分可以選用光電倍增管或光電二極管。前者有極好的信號(hào)噪聲比，但是因?yàn)槠骷叽绱?，難以達(dá)到很高的集成度，造價(jià)也高。工業(yè)CT中應(yīng)用最廣泛的是閃爍體—光電二極管組合。

應(yīng)用閃爍體的分立探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是：閃爍體在射線方向上的深度可以不受限制，從而使射入的大部分X光子被俘獲，提高探測(cè)效率。尤其在高能條件下，可以縮短獲取時(shí)間；因?yàn)殚W爍體是獨(dú)立的，所以幾乎沒(méi)有光學(xué)的竄擾；同時(shí)閃爍體之間還有鎢或其他重金屬隔片，降低了X射線的竄擾。若將隔片向前延伸形成準(zhǔn)直器還可以擋住散射X射線；分立探測(cè)器可以達(dá)到16～ 20 bits的動(dòng)態(tài)范圍，而且不致因?yàn)樯⑸浜透Z擾性能降低。分立探測(cè)器的讀出速度很快，在微秒量級(jí)。同時(shí)可以用加速器輸出脈沖來(lái)選通數(shù)據(jù)采集，最大限度減小信號(hào)上疊加的噪聲。分立探測(cè)器對(duì)于輻射損傷也是最不敏感的。

分立探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是像素尺寸不可能做得太小，其相鄰間隔(節(jié)距)一般大于0.1mm；另外價(jià)格也要貴一些。

有一些關(guān)于CdZnTe半導(dǎo)體探測(cè)器陣列用于工業(yè)CT的報(bào)導(dǎo)。半導(dǎo)體探測(cè)器俗稱為固體電離室，由于本身對(duì)X射線靈敏，無(wú)須外加閃爍體，這種探測(cè)器尺寸可以做得較小，沒(méi)有光學(xué)的竄擾。如果探測(cè)單元之間沒(méi)有重金屬隔片，仍然無(wú)法避免散射X射線的影響。應(yīng)當(dāng)說(shuō)這是一種很有應(yīng)用前景的CT探測(cè)器，但目前還有余輝過(guò)長(zhǎng)等一些技術(shù)問(wèn)題需要解決。

1.2.2.2面探測(cè)器

面探測(cè)器主要有三種類型：高分辨半導(dǎo)體芯片、平板探測(cè)器和圖像增強(qiáng)器。半導(dǎo)體芯片又分為CCD和CMOS。CCD對(duì)X射線不敏感，表面還要覆蓋一層閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換成CCD敏感的可見(jiàn)光。平板探測(cè)器和圖像增強(qiáng)器本質(zhì)上也需要內(nèi)部的閃爍體先將X射線轉(zhuǎn)換成這些器件敏感波段的可見(jiàn)光。

半導(dǎo)體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測(cè)單元數(shù)，像素尺寸可小到10微米左右，探測(cè)單元數(shù)量取決于硅單晶的最大尺寸，一般直徑在50mm以上。因?yàn)樘綔y(cè)單元很小，信號(hào)幅度也很小，為了增大測(cè)量信號(hào)可以將若干探測(cè)單元合并。為了擴(kuò)大有效探測(cè)器面積可以用透鏡或光纖將它們光學(xué)耦合到大面積的閃爍體上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測(cè)器的有效面積在一個(gè)方向上延長(zhǎng)到任意需要的長(zhǎng)度。使用光學(xué)耦合的技術(shù)還可以使這些半導(dǎo)體器件遠(yuǎn)離X射線束的直接輻照，避免輻照損傷。

用半導(dǎo)體芯片也可以組成線探測(cè)器陣列，每個(gè)探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的閃爍體之間沒(méi)有隔離或者在許多探測(cè)單元上覆蓋一整條閃爍體，具有面探測(cè)器的基本特征，除了像素尺寸小的優(yōu)點(diǎn)以外，其性能無(wú)法與分立探測(cè)器相比。圖像增強(qiáng)器是一種傳統(tǒng)的面探測(cè)器，是一種真空器件。名義上的像素尺寸＜100μm，直徑152～457mm(6～18in)。讀出速度可達(dá)15～30幀/s，是讀出速度最快的面探測(cè)器。由于圖像增強(qiáng)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)漲落產(chǎn)生的固有噪聲，圖像質(zhì)量比較差，一般射線照相靈敏度僅7～8%，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加的情況下，射線照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點(diǎn)就是易碎和有圖像扭曲。

二、CT與TMT醫(yī)用紅外熱成像儀設(shè)備有什么區(qū)別

CT是結(jié)構(gòu)影像，TMT紅外熱成像是功能影像，兩種設(shè)備功能不沖突，紅外熱成像儀可以在早早期發(fā)現(xiàn)一些病變，在疾病剛形成的時(shí)候就可以發(fā)現(xiàn)，在疾病初期的時(shí)候就進(jìn)行干預(yù)，比如說(shuō)一般的腫瘤，CT和B超要0.5厘米以上才能發(fā)現(xiàn)，而紅外熱像儀在0.1厘米的時(shí)候就能發(fā)現(xiàn)，而且可以覆蓋全身每個(gè)系統(tǒng)和臟器，最主要的是安全，無(wú)創(chuàng)，對(duì)人體沒(méi)有任何傷害，老人，小孩，孕婦都可以放心檢查。

三、為什么說(shuō)CT的空間分辨力不如普通X線成像

空間分辨率，重點(diǎn)在空間，由于X線平片是收集了人體某個(gè)位置的全部信息（胸部X線正位片包含信息很多，能夠觀察到肺野、肺門、心臟、縱膈、肋骨、鎖骨、氣管、大動(dòng)脈等等大量信息），采集的空間大，觀察相鄰組織間的關(guān)系非常好，故而可以大概理解為空間分辨率高。但是由于各種人體組織的重疊覆蓋，細(xì)微的內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察的并不能盡如人意，比如你想看看肺野里面的某處的具體密度信息，抱歉，平片還達(dá)不到能夠觀察這個(gè)的地步，所以相應(yīng)的密度分辨率低。CT為計(jì)算機(jī)斷層成像，可以理解為它把平片按照自己的觀察重點(diǎn)劃分為很多的斷層，然后掃描每個(gè)斷層，可以得到每個(gè)斷層內(nèi)的具體密度信息，但是由于是斷層成像，每張圖像都是某個(gè)斷層圖像，不經(jīng)過(guò)后處理技術(shù)的話不能很好的體現(xiàn)出空間上的各個(gè)組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，而且有些部位即使經(jīng)過(guò)了后處理技術(shù)也不能達(dá)到平片的空間分辨率水平，所以可以大概理解為空間分辨率不及平片，各有優(yōu)劣，相互結(jié)合才能更好的診斷疾病。我們都知道CT的密度分辨率要比普通X線高20倍，這個(gè)比較容易理解，我們看腹部CT可以分辨出密度差別的各種臟器，而X線腹部平片的信息很少，這個(gè)我想主要是由于密度分辨力高的原因。但是說(shuō)CT的空間分辨力低于普通X線，書上給出的數(shù)據(jù)顯示普通CT極限分辨率為10LP/cm，而普通X線的空間分辨力達(dá)10--15LP/mm，這個(gè)數(shù)據(jù)顯示X線要比CT空間分辨率要高10--15倍，但是我們的視覺(jué)為什么看不出來(lái)，就是CT的薄層高分辨掃描也不如普通X線嗎還是這個(gè)是通過(guò)測(cè)量得到的。

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