第二节　CT机的基本结构

一、X线发生装置

（一）高压发生器

早期的CT机一般采用三相X线发生器，独立于机架系统。CT对高压电源的稳定性要求很高，因为高压值的变化直接反映X线能量的变化，而X线能量与吸收值的关系极为敏感，是决定人体组织对X线衰减系数µ的关键值。因此三相发生器大都采用高精度的闭环控制稳压措施和高压四极管稳定输出。

三相高压发生器分为连续式和脉冲式，连续式主要用于第二代CT机；脉冲式主要用于第三代CT机。

高频发生器于20世纪80年代起开始用于CT机、乳腺摄影机和移动式X线机等。它的工作原理是将低频、低压的交流电源转换成高频、高压电源，可产生500～25 000Hz的高频，经整流和平滑后，其电压波动范围小于1%，输出波形稳定，而常规三相、十二脉冲发生器的波动范围为4%。

现代CT机都采用体积小、效率高的高频发生器。由于体积小，重量轻，发生器可被直接安装在旋转的机架上，与旋转架一起同步旋转，使扫描系统更加紧凑。目前使用的高频发生器的功率最高可达120kW，管电压的范围大都可在80～140kV之间选择，X线管电流的范围一般是20～800mA。

（二）X线管

CT扫描对X线射线源的要求是：①足够的射线强度：根据物体的大小、物质的原子序数、密度和厚度能形成不同的衰减，②穿透一个物体所需足够的射线量。

X线管由电子阴极、阳极和真空管套组成，其基本结构与普通X线机的X线管相同，但额定功率较常规X线管要大。

CT用X线管也可分为固定阳极和旋转阳极两种。固定阳极X线管主要用于第一、第二代CT机中，安装时固定阳极管的长轴与探测器平行。由于第一、第二代CT机的扫描方式是直线平移加旋转，扫描时间长，产热多，须采用油冷或者水冷方式强制冷却球管。

旋转阳极X线管主要用于扇束扫描方式的第三代和第四代CT机中，X线管长轴与探测器垂直，焦点大小一般为1.0mm × 1.0mm；现代CT高速旋转阳极管焦点大小一般在0.5～1.2mm，阳极靶面材质多为钨、铼合金，转速为3600转/分或10 000转/分。

现在螺旋CT扫描机的X线管一般都采用大功率的X线管。X线管的管套大都采用金属或陶瓷材料，阳极靶面的直径可达到200mm，X线管整体质量的增加，也增加了X线管的热容量和散热率。阴极采用一根或者数根灯丝组成，吸气剂采用钡，吸收使用过程中产生的气体分子，确保了X线管的真空状态。

螺旋CT X线管靶面的厚度也有所增加，并且使用了不同的材料，目的是为了提高阳极的热容量。以前的阳极使用全金属制造，现在有些X线管采用化学汽化沉淀石墨复合层和黄铜的复合阳极盘。由于石墨有很好的储热性能，使阳极的热容量提高。而最新的CT X线管开始采用液体轴承来替代过去的滚轴轴承，液体轴承的主要成分是液态的镓基金属合金，采用液体轴承后，一方面能增加X线管的散热率，另一方面还能减少噪声和振动。

CT用X线管的产热量计算公式是：1.4 × kVP·mA·S。式中1.4是常数。将实际应用的参数分别代入上述公式并乘以常数1.4，即等于一次检查X线管产生的热量。该公式适用于三相和高频发生器，其中的时间是一次检查的总计扫描时间。单位是HU，1HU = 1J（焦耳）。

此外，现代X线管为了提高热容量，还采用了所谓的“飞焦点”设计，即X线管阴极发出的电子束，曝光时交替使用，其变换速率约1.0毫秒，利用锯齿形电压波形的偏转，导致电子束的瞬时偏转，使高压发生时电子的撞击分别落在不同的阳极靶面上，从而提高了阳极的使用效率，并能提高成像的空间分辨率。

最新由西门子公司推出的CT用X线管称为电子束控管，即所谓的“零兆X线管”，英文商品名为“Straton tube”。该X线管的最主要改进是将阳极靶面从真空管中分离出来，使阳极靶的背面完全浸在循环散热的冷却油中，改变了以往阳极靶面的间接散热为直接散热，大大地提高了X线管的散热效率（与普通CT X线管相比，散热率提高了5～10倍，为5MHU/min），满足了螺旋扫描长时间、连续工作的要求。由于散热效率的提高，阳极靶面的直径也可减小，电子束控管阳极靶的直径为120mm，普通CT X线管阳极靶的直径通常可达200～300mm，阳极靶直径的减小同时使X线管的体积减小和重量减轻。第二个改进是旋转轴的改进，即以前所有的X线管只有阳极旋转，阴极部分是固定的。而“零兆X线管”的阴极部分也增加了一个轴承，与阳极靶面一起在真空管中同时旋转，这个改进也避免了X线管机械设计上的弱点，使阳极的机械旋转性能更稳定，并更有利于阳极旋转速度的提高。电子束控管的阴极结构有点类似于电子束CT的X线管，它产生的电子束须由偏转线圈聚焦和偏转一定的角度射向阳极靶面产生X线。

二、冷却系统

一般扫描机架内有两个冷却电路，即X线管冷却电路和电子冷却电路。无论旋转阳极还是固定阳极，在扫描过程中均会产生大量的热。一方面会影响电子的发射，更为严重的是导致靶面龟裂，影响到X线质量，所以冷却是必须的。X线管用绝缘油与空气进行热交换，扫描机架静止部分则用风冷或者水冷进行热交换。扫描机架与外界是隔绝的，通过热交换器控制温度。球管和机架内都有热传感器把信号传给主计算机，当温度过高时，则会产生中断信号。机器停止运转，直到温度降到正常范围才可以重新工作。另外，主计算机根据扫描参数的设定预算热量值，当预算值超过正常范围时，计算机会在屏幕上给出提示，操作者可通过修改扫描方案。如缩短扫描范围、降低毫安、千伏等。扫描机架内部温度的升高会影响到电子电路的热稳定性。温度一般在18～27℃为宜。

CT除X线管自身的油冷却外，机架的冷却系统一般有水冷却、风冷却和水风冷三种，各个公司在各种型号的CT机中分别采用其中的一种，并且这三种冷却系统各有优缺点。机架冷却系统的主要作用是加速散发由X线管和机架内电器设备在工作期间产生的热量。冷却系统的散热效果如水冷最好，但是装置复杂、结构庞大，需一定的安装空间和经常性地维护；风冷却效果最差，其他一些方面也正好与水冷相反；而水风冷则介于两者之间。低档CT扫描机多采用空气冷却，中、高档CT机多采用水冷或水、气冷却方式。

三、准直器

用于限定X线束形状的器件，在CT扫描中，准直器有以下三个作用：

1.调节CT扫描的层厚。

2.减少患者的辐射剂量。

3.减少进入探测器的散射线。

CT机中的准直器一般有两套：一套是X线管端的准直器（或称前准直器），由固定的和可调节的几组叶片组成，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。在多层螺旋CT扫描机中，为了减少焦点半影现象，可调节的准直器叶片一般都安装在尽可能远离X线球管；另一套是探测器端的准直器（或称后准直器），同样由固定的和可调节的几组叶片组成，固定部分叶片的开口一般都等于或大于扫描中使用的最大层厚，它的狭缝分别对准每一个探测器，使探测器只接受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。为了在剂量不增加的前提下，有效利用X线，探测器孔径宽度要略大于后准直器。前准直器主要控制扫描层厚，后准直器主要控制患者的辐射剂量，前后两组准直器必须精确地对准，否则会产生条形伪影。也有的CT机仅采用一套准直器，这种方式的配置则无后准直器，在第三代CT以后，焦点尺寸很小，经滤过器和前准直器的调整，X线束具有很好方向性。探测器窗口很小，中心射线以外的散射线很难到达探头。但是，因扫描速度加快，前后准直器的协调也难以同步，影响到接受质量，所以三代以后的CT机都不加后准直器。

四、滤过器 /板

从X线管发出的原发射线是一束包含不同能量的辐射，其中有不同数量的长波和短波。在实际使用中，CT机所产生的X线也是多能谱的。而CT扫描必须要求X线束为能量均匀的硬射线，所以从球管发出X线必须经过过滤。

现在CT机中所使用的楔形补偿器（或称滤过器/板）的作用是：吸收低能量X线，优化射线的能谱，减少患者的X线剂量，并且使通过滤过后的X线束变成能量分布相对均匀的硬射线束。

圆形物体（CT检查患者的横断面近似圆形）由于形状的原因，扇形波束照射时，中心射线穿透厚度大，边缘射线穿透厚度小，X线衰减吸收不一样，射线硬化的产生也有所差别，中心与边缘信号强度相差较大，但这些变化探测器无法检测到，为了纠正射线硬化不一致的现象，CT扫描仪中使用了专用的滤过器。

第一代CT扫描机的楔形滤过器是一个方形、中间呈弧形凹陷的水箱。目前CT机的滤过器/板主要有：①X线管的固有滤过，通常为3mm厚的铝板，有时也使用0.1～0.4mm厚的铜板；②“适形”滤过器（如蝶形，bow-tie），形状为两面凹陷剖面观类似于蝴蝶形状的高密度物质，目的是适应人体形状射线衰减的需要。“蝶形”滤过器中心部分几乎无衰减射线的作用，而四周则有较强的衰减射线作用，它的主要作用是：滤除部分低能射线，同时也降低了到达探测器射线能的动态范围；其次减少“蝶形”周边与物体作用产生的散射线，降低了患者的辐射剂量。“蝶形”滤过器常采用特氟隆（Tef l on，聚四氟乙烯）为材料，原因是这种物质原子序数低、密度高而均匀，非常适合作为“蝶形”滤过器的材料。X线管的固有滤过和“蝶形”滤过器通常都置于X线管的窗口前。

CT机中通常必须使用滤过器/板，但同时使用滤过器/板也增加了X线的输出量。

五、X线检测接收装置

（一）探测器

探测器的作用是接收X线辐射并将其转换为可供记录的电信号。

探测器作为一种成像介质，必须要具有转换效率、响应时间、动态范围和稳定性等特性。

1.转换效率指探测器将X线光子俘获、吸收和转换成电信号的能力。

2.响应时间指探测器能够响应两次X线照射的最小时间间隔长度。

3.动态范围指在线性范围内接收到的最大信号与能探测到的最小信号的比值。

4.稳定性指探测器响应的前后一致性，如果探测器的稳定性较差，则CT机必须频繁地校准来保证信号输出的稳定。

已投入临床应用CT机的探测器可分为固体和气体两大类，固体可分为两种：闪烁探测器和稀土陶瓷探测器，气体常用高压氙气，固体和气体的作用原理分别是：

1.闪烁探测器利用闪烁晶体将X线转换成可见光，再把可见光转换成电子能。

探测器多采用闪烁晶体耦合一个光电倍增管组成，由闪烁晶体把X线转换为光信号，再用光电倍增管或高灵敏度光电二极管接收，变成电信号送至信号采集处理器。通过探测器后的电信号实现了辐射能到电能之间的转换，其中闪烁晶体将辐射能转换为光能，光电倍增管中的光电阴极又将光能转换为电能。

早期的固体探测器采用铊激活碘化钠晶体（Nal），使碘化钠晶体材料和光电倍增管耦合在一起，起到光电转换作用，但由于碘化钠有余晖，且动态范围有限，后又被锗酸铋（BGO）和钨酸镉（CdWO4）等取代，而光电倍增管则被固态光电二极管闪烁晶体探测器所取代。

20世纪70年代末至80年代初的CT机大都使用钨酸镉探测器，80年代至90年代初则改用闪烁晶体和高压氙气探测器。

2.稀土（贵金属）氧化陶瓷实际上是掺杂了一些像钇之类金属元素的超快速氧化陶瓷，其采用光学方法使这些材料和光二极管结合在一起。其特点是X线吸收率达99%、光电转换效率高、与光电二极管的响应范围匹配好、更低余晖以及更高的稳定性，并且容易进行较小分割。

3.气体探测器利用气体电离室直接将X线转换成电子能。

气体探测器通常做成一个密封的电离室，密封的气室内被加入约30个大气压，以增加气体分子的电离，电离室的上下夹面由陶瓷拼成，每个电离室两侧用薄钨片构成，中心收集电极也由钨片构成，而X射线入射面由薄铝片构成，所有的分隔相互联通。电离室内充满氙气，当入射X线进入电离室后使氙气电离，其正、负电离子分别由中心收集电极的正、负极接收（负电离子被正电极接收，正电离子相反），通过前置放大器放大后送入数据采集系统。电离室侧面的钨片对X线有准直作用，可防止被检测物体产生的散射线进入电离室。

第三代CT扫描机的气体探测器多采用高压氙气，利用气体电离的原理，入射的X线使气体产生电离，然后测量电流的大小进而得到入射X线的强度。

固体探测器的优点：灵敏度较高，有较高的光子转换效率。

固体探测器的缺点：首先是相邻的探测器之间存在缝隙，X线辐射的利用率相对较低；其次是晶体发光后余晖较长影响响应函数，使高低密度交界处的图像会产生拖尾伪影；最后是整个探测器阵列中的各个探测器不易做得完全一致，造成误差影响成像质量。

气体探测器的优点：稳定性好、响应时间快、几何利用率高、无余晖产生。

气体探测器的主要缺点：首先是吸收效率较低；其次是在制作工艺上只能做成单排的探测器阵列，无法做成多排的探测器阵列。故在多层螺旋CT中已不采用高压氙气探测器阵列。

一般而言，固体探测器的转换效率约95%，几何效率为40%～50%；气体探测器的几何效率约95%，转换效率约45%。总检测效率的计算公式是：总检测效率=几何效率×固有（转换）效率。

（二）模数、数模转换器

模数转换器是CT数据采集系统（data acquisition system，DAS）的主要组成部分。

CT最初探测到的模拟信号是连续的随时间变化而不断变化，它可由电压表读取或由示波器显示，但无法被计算机识别。

模数转换器的作用是将信号放大器放大后的输出信号积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理模数转换器由一个频率发生器和比较积分器组成，后者是一组固态电路，被称为“时钟”，它的作用是把模拟信号通过比较积分后转变成数字信号。同样数模转换器是上述的逆向运算，它的“时钟”电路根据输入的数字信号转换成相应的模拟信号。

模数和数模转换器有两个重要的参数——精度和速度。精度是指信号采样的精确程度，精度与分辨率有关，分辨率用量化级数或比特描述。速度是指信号的采集速度，也就是数字化一个模拟信号的时间。在模数和数模转换器中，信号采集速度与精确性始终是一对矛盾，即采样信号数字化的精确性越高，采集时间越长，反之，采集速度越快，采样的精确性则越低。

（三）数据采集系统

数据采集系统（data acquisition system，DAS）主要由信号放大器、模数转换器和数据传送器等共同组成，因其在CT成像系统中作用特殊，尤其在多排螺旋CT机中，往往被列为一个系统。

数据采集系统是位于探测器与计算机之间的电子器件，和探测器一起负责扫描后数据的采集和转换。

数据采集系统除了接收、放大来自探测器的信息和传送已转换信息外，作为DAS系统主要部件的模数转换器，还有以下两个作用：

1.射线束测量，包括通过人体后的衰减射线和未通过人体的参考射线。

2.将这些数据编码成二进制数据。

六、机械运动装置

（一）扫描机架

机架是一个与检查床相垂直安装的框架，里面安装各种扫描采集部件。内部由固定和转动两大部分组成：前者包括旋转控制和驱动，滑环系统的碳刷、冷却系统、机架倾斜和层面指示以及机架、检查床控制电路等；后者主要包括X线管、准直器和滤过器、探测器、前置放大器、采样控制部件、X线发生器和逆变器、低压滑环等。

机架的孔径和倾斜范围两项性能指标在应用中较为重要，孔径指机架孔的开口大小，多数CT机的机架孔径为70cm，部分CT扫描机的孔径已达85cm。机架必须能够倾斜，以适应不同患者情况和各种检查的需要，倾斜角度通常为±12°～±30°。

（二）滑环

根据结构形状，滑环可有两种类型：盘状滑环和筒状滑环，盘状滑环的形状类似一个圆盘，其导通部分设在盘面上，而筒状滑环呈圆筒状，它的导通部分则位于圆筒的侧面。

导电刷通常有两种类型，金属导电刷和混合导电刷。金属导电刷采用导电的金属和滑环接触，每一道滑环有两个金属导电刷游离端与其接触，目的是增加可靠性和导电性。混合导电刷采用导电材料银石墨合金（又称碳刷）与滑环接触，同样，有两个导电刷游离端与滑环接触。

滑环的传导方式：根据滑环传导电压的高低，可分为高压滑环和低压滑环。高压滑环通过滑环传递产生X线的电压达上万伏，而低压滑环通过滑环传递给X线发生器的电压为数百伏。

低压滑环采用只有数百伏特的交流电源，根据X线发生控制信号，借助于导电刷将电流送入滑环。在低压滑环供电方式中，电流进入滑环后，由滑环将电流送入高压发生器，再由高压发生器产生高电压并输送给X线管。低压滑环的X线发生器、X线管和其他控制单元全部都安装在机架的旋转部件上。

在高压滑环供电方式中，交流电源直接供电给高压发生器，由高压发生器将高电压送入滑环，然后再输送给X线管。高压滑环一般也采用小型的、高频发生器，并且高压发生器不安装在旋转的机架上。高压滑环易发生高压放电导致高压噪声，影响数据采集系统并影响图像质量。低压滑环的X线发生器须装入扫描机架内，要求体积小、功率大的高频发生器。

目前，大多数生产厂家都采用低压滑环。

（三）扫描床

检查床的作用是把需扫描检查的患者准确地送入预定或适当的位置。

根据CT检查的需要，检查床有两个方面的要求：承重和床面材质。承重是确保特殊体型患者的检查需要；另外，床面材料必须由易被X线穿透、能承重和易清洗的碳素纤维组成。

检查床应能够上下运动，以方便患者上下，同时检查床还能够纵向移动，移动的范围应该能够做从头部至大腿的CT扫描，床纵向的移动要相当平滑，定位精度要求高，绝对误差不允许超过±0.5mm，一些高档CT机可达±0.25mm。另外检查床的进退还应有准确的重复性，如扫描过程中有时要对感兴趣区反复扫描，每次扫描检查床必须能准确地到达同一层面。这就要求检查床不仅要有一定的机械精度，控制信号也必须精确无误。

为适应CT检查的需要，与X线束射出同方向的位置上有定位光源，以利于准确定位。

七、计算机设备

（一）主计算机

以往的CT计算机系统属于通用小型计算机，但随着计算机技术的飞速发展，小型计算机与微型计算机之间的差别已经很小，现在很多CT机包括多层螺旋CT都采用微型计算机作为CT的主计算机。

CT的计算机系统一般都具有运算速度快和存储量大这两个特点。

CT计算机的硬件通常包括输入输出设备、中央处理器（CPU）、阵列处理器、接口装置、反投影处理器、储存设备和通信硬件。

CT的计算机还须包含软件，并通过硬件执行指定的指令和任务。

CT计算机的作用主要是接受数据采集系统（DAS）的数字信号，并将接收到的数据处理重建成一幅横断面的图像。

CT的主计算机都具有协同处理的能力。协同处理的方式是：两个或两个以上大致相同的处理器各自执行一个或几个处理任务，协同处理的主要目的是加快处理速度或提高计算机的处理能力。

根据CT机和CT机制造厂商的不同，CT成像的处理方式可有并行处理、分布式处理和管线样处理。

（二）图像重建计算机/阵列处理器

图像重建计算机是CT计算机中一个很重要的部分。过去，计算机的处理速度较慢，需依靠专用的阵列处理器来重建图像，现在由于计算机制造技术的发展，阵列处理器已被运算速度快的微型计算机替代，一般称为图像重建计算机。

图像重建计算机一般与主计算机相连，其本身不能独立工作，它的主要任务是在主计算机的控制下，进行图像重建等处理。

图像重建时，图像重建计算机接收由数据采集系统或磁盘送来的数据，进行运算后再送给主计算机，然后在显示器上显示。它与主计算机是并行工作的，图像重建计算机工作时，主机可执行自己的运算，而当图像重建计算机把数据运算的结果送给主机时，主机暂停自己的运算，处理图像重建计算机交给的工作。

八、图像显示及存储装置

（一）显示器（监视器）

显示器的作用是：人机对话（通过键盘，其包括患者资料的输入、扫描过程的监控等）信息和扫描结果图像显示。

显示器有黑白和彩色两种，通常显示图像都采用高分辨率的黑白显示器，文字部分的显示有时采用彩色显示器。

显示器的性能指标主要是显示分辨率，一般以点阵和线表示。

另外与显示分辨率有关的是重建后图像的显示矩阵、像素大小和灰阶位深等。

（二）存储器

CT的图像存储设备分别由硬磁盘、软盘、光盘、PACS等组成，它们的功能是存储图像、保存操作系统及故障诊断软件等。

在硬件的设置上，硬盘、磁带和光盘等是分列的。通常一次扫描后，由数据采集系统采集的原始数据先存储于硬盘的缓冲区，待扫描完成后，经重建处理后的图像，再存入硬盘的图像存储区，从磁带、光盘等存取图像往往也通过硬盘作中介。随着网络技术的发展，也可将CT图像数据存储于PACS系统和云服务器。

由于CT属于数字成像设备，为保证图像的动态范围，存储都采取数字二维像素阵列方式，每个像素点由若干与图像灰阶有关的比特组成。

多数情况下，CT图像的矩阵大小是512 × 512，深度是 8～12 个比特，灰阶范围是 512（28）～4096（212）。

一般，一幅512 × 512 × 2字节的CT图像约需0.52MB的存储空间。