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并最終通過數(shù)字采集系統(tǒng)（DAS）轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的方法。這種轉(zhuǎn)換過程必須快速進(jìn)行，這使得ADC采樣速度和分辨率對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 射線探測器上檢測投影圖像來生成。將患者放置在光源和檢測器之間，檢測器配置其幾何中心位于 X 射線源處。每個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射線源和探測器在支撐機(jī)架內(nèi)圍繞患者旋轉(zhuǎn)。當(dāng)光源和檢測器旋轉(zhuǎn)時，會收集和存儲圖像。與傳統(tǒng)的X射線一樣，圖像切片中的信號電平表示患者沿從X射線源到相應(yīng)像素位置的線的相對無線電密度。

為了縮短圖像捕獲時間和分辨率，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圖像切片的單個 2D 探測器陣列，而是使用 3D 陣列。增加的成像尺寸允許系統(tǒng)并行生成多個切片。CT成像中使用的光電探測器陣列沿半圓形探測器拱門的長維探測器多達(dá)1000個;16個或更多探測器位于與拱門相切的較短維度上。短維度中的檢測器數(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射線探測器上檢測投影圖像。

現(xiàn)代CT成像系統(tǒng)還可以通過使用稱為螺旋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，患者緩慢移動到機(jī)架的中心，同時X射線源和探測器圍繞患者旋轉(zhuǎn)。需要超高速計(jì)算機(jī)來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

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。閃爍晶體將X射線轉(zhuǎn)換為光，光電倍增管將這些光信號轉(zhuǎn)換為可用的電信號。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)光電探測器二極管來實(shí)現(xiàn)此目的。

每個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間的推移進(jìn)行積分，以產(chǎn)生電壓輸出。每個二極管的電流積分可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。光電二極管檢波器陣列本身的電容可用于此目的。來自這些電容的信號使用二極管陣列檢波器中的FET開關(guān)進(jìn)行多路復(fù)用。然后將信號路由到數(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）將信號放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。另一種方法是將來自每個光電二極管的信號路由到 DAS 中的積分器。在這些實(shí)現(xiàn)中，積分電流信號被轉(zhuǎn)換為電壓，同時采樣，并多路復(fù)用到ADC的輸入端。

捕獲單個X射線圖像所需的時間差異很大，但可以短至100μs。DAS中用于轉(zhuǎn)換這些信號的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的動態(tài)范圍必須很大，以保持X射線圖像的大動態(tài)范圍。具有 16 位或更高分辨率的轉(zhuǎn)換器很常見。ADC的輸出通過高速總線路由到圖像信號處理器，以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理和圖像重建。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)動器用于路由信號。

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態(tài)范圍（即16位灰度圖像）。為了最有效地將這個大的動態(tài)范圍映射到有限的可見顯示范圍，需要進(jìn)一步的圖像處理。

審核編輯：郭婷