计算机断层扫描医学成像简介

本教程解释了计算机断层扫描 （CT） 成像系统如何生成身体内部结构的 3D 图像。解释了高端螺旋CT技术，以及将从光电二极管收集的光处理成电信号并最终通过数字采集系统（DAS）转换为数字格式的方法。这种转换过程必须快速进行，这使得ADC采样速度和分辨率对CT设计至关重要。

概述

计算机断层扫描 （CT） 医学成像系统使用复杂的 X 射线和计算机辅助断层扫描成像技术生成身体内部结构的三维 （3-D） 图像

用于生成断层扫描图像的 X 射线图像首先通过将患者暴露在扇形 X 射线束下，然后在薄的半圆形数字 X 射线探测器上检测投影图像来生成。将患者放置在光源和检测器之间，检测器配置其几何中心位于 X 射线源处。每个图像都是身体非常薄的横向切片的X射线投影。为了收集生成断层扫描CT图像所需的大量X射线投影，X射线源和探测器在支撑机架内围绕患者旋转。当光源和检测器旋转时，会收集和存储图像。与传统的X射线一样，图像切片中的信号电平表示患者沿从X射线源到相应像素位置的线的相对无线电密度。

为了缩短图像捕获时间和分辨率，制造商利用多层CT成像技术。多切片成像不是仅提供单个图像切片的单个 2D 探测器阵列，而是使用 3D 阵列。增加的成像尺寸允许系统并行生成多个切片。CT成像中使用的光电探测器阵列沿半圆形探测器拱门的长维探测器多达1000个;16个或更多探测器位于与拱门相切的较短维度上。短维度中的检测器数量决定了可用图像切片的数量。

将患者暴露在扇形X射线束下，并在薄的半圆形数字X射线探测器上检测投影图像。

现代CT成像系统还可以通过使用称为螺旋CT的技术在体内的任何平面上生成图像。在螺旋CT系统中，患者缓慢移动到机架的中心，同时X射线源和探测器围绕患者旋转。需要超高速计算机来处理以这种方式收集的图像。复杂的断层扫描成像技术用于产生所需的图像。

X射线检测

早期的CT成像系统使用闪烁晶体和光电倍增管完成了X射线检测。闪烁晶体将X射线转换为光，光电倍增管将这些光信号转换为可用的电信号。现代CT系统现在采用更复杂的闪烁晶体材料和固态光电探测器二极管来实现此目的。

每个光电二极管的输出是与照射到二极管的光成比例的电流。这些电流可以通过低噪声跨阻放大器（TIA）直接转换为电压，或者使用电容器或有源积分器运算放大器电路随着时间的推移进行积分，以产生电压输出。每个二极管的电流积分可以通过多种方式实现。光电二极管检波器阵列本身的电容可用于此目的。来自这些电容的信号使用二极管阵列检波器中的FET开关进行多路复用。然后将信号路由到数字采集系统（DAS），该系统使用高分辨率模数转换器（ADC）将信号放大并转换为数字格式。另一种方法是将来自每个光电二极管的信号路由到 DAS 中的积分器。在这些实现中，积分电流信号被转换为电压，同时采样，并多路复用到ADC的输入端。

捕获单个X射线图像所需的时间差异很大，但可以短至100μs。DAS中用于转换这些信号的ADC的采样速度在很大程度上决定了多路复用的数量，从而决定了系统中转换器和放大器的数量。ADC的动态范围必须很大，以保持X射线图像的大动态范围。具有 16 位或更高分辨率的转换器很常见。ADC的输出通过高速总线路由到图像信号处理器，以进行进一步的信号处理和图像重建。在某些实现中，数字处理可以与ADC物理上相隔一段合理的距离。在这些情况下，高速线路驱动器用于路由信号。

断层成像

生成的X射线图像数据集由图像处理器转换为图像。图像处理器通常是一台非常高速的计算机，它执行断层扫描图像重建所需的大量计算。生成的图像通常具有非常大的动态范围（即16位灰度图像）。为了最有效地将这个大的动态范围映射到有限的可见显示范围，需要进一步的图像处理。

审核编辑：郭婷