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CT硬件技术的发展

发布时间:2015-03-16作者:徐元昌

CT扫描方式.jpg

1 X线管技术的发展

  为了满足大范围扫描和快速扫描的需要,球管的的设计尤为显得的重要,决定X线球管性能主要由热容量和散热率两个参数,因此球管的技术设计主要也从这两个方面探索:高热容量和高散热率。高热容量主要以GE公司的产品“Performix™ HD ”为代表,其采用独有的静电阴极准直设计,在扫描时,可以根据临床扫描协议与患者情况自适应调节焦点的大小。该球管阳极热容量与可以大范围调节技术,可以实现10毫安到 835毫安的扫描;其采用高散热涂料实现了阳极>2,100千焦/分钟的散热率;而TOSHIBA公司则在其大容量X线球管上采用阳极接地技术和微孔散热技术来加大散热率,同时采用双轴支撑技术来保证球管旋转阳极的稳定性,其电子束滤过技术,滤过了无效的低能量X线束,减少了球管靶面的产热量,延长了球管的寿命,且减少了X线散射,减少了病人的受限量和提高了图像质量。而高散热率球管则主要由SIEMENS公司的“0M”为代表,其大于5M/min的散热率可以保证长时间的扫描而无需球管冷却等待,目前新款“0M”球管可实现50M的等效热容量和70KV的最低电压扫描。

2 高压发生器的发展

   高压发生器为X线球管提供能量,其常于球管的毫安和千伏相适应,其相对于其他硬件技术的发展显得比较稳定。其主要的变化是易损的油浸工频高压发生器已经由固态高频高压发生器代替,固态高频高压发生器具有X线质量好、体积小、重量轻、易安装、皮肤辐射量低等优点,可以和X球管一起安装在机架内在滑环上高速运转。在2007年的北美放射性年会上GE公司在宝石CT上推出了动态变焦球管,实现了瞬间电压快速切换,与之相适应的是GE公司同时推出了HD瞬时变能高压发生器,HD 高压发生器能够在非常高速的条件下进行能量切换,在满足急诊和心脏扫描的前提下,且能够支持能谱成像。

3 探测器技术的发展

  气体探测器由于转换率低已经完全淘汰,现在已经全部采用固体探测器。探测器的发展主要制造材料的改变,现在采用的探测器采用两种新型的闪烁晶体材料耦合光二极管制成,即钨酸钙和高纯度的稀土氧化陶瓷,其采用光学方法使这些材料和光二极管结合在一起。钨酸钙的转换效率和光子俘获能力达到99%,动态范围是100万:1,而氧化稀土陶瓷的吸收效率也是99%,闪烁晶体的发光率却是钨酸钙的3倍,因此现在多层螺旋CT机的探测器大多都采用后一类超高速稀土陶瓷材料制成。2007年GE公司首先使用宝石作为探测器材料,该技术是在宝石中加入稀土元素后,改变了真正宝石的分子结构,其单元结构呈立方体,具有98%的能量转化率,能最大限度清除余晖效应,达到图像的高分辨率和低噪声,从而使图像质量明显提高,同时其辐射损害能减少到1/20。2012年西门子公司推出了Stellar光子探测器,改变了传统探测器的结构,摒弃了光电二极管的模数转换电路,采用Stekkar光子晶片,将X线从可见光直接转换为数字信号,实现数字传输,去除了复杂电路系统级电阻的影响,无需长距离信号传输,避免信号损耗,消除了电路系统热能产生、消除了电子噪声干扰等等,其比常规探测器减少了85%的功能损耗,使探测器维持温度的稳定,避免温度升高对探测器的损坏,从而提高探测器寿命,并获得高质量的CT图像。 探测器的改进使得CT的密度分辨率有了明显的提高,甚至可以达到类MR软组织成像,实现7级肝脏血管显示,能分辨直径1毫米的冠状动脉分支。

   探测器另一个进展就是在探测器的覆盖范围方面:各大厂家都在为大范围覆盖做探讨,东芝公司推出的AQUILION ONE(0.5mmX320排探测器640层,最大覆盖范围为160毫米,但是160毫米的覆盖是在非螺旋扫描状态下实现的,如果采用螺旋扫描则为球管每旋转360°仅获得128层图像,覆盖范围低于非螺旋状态;因此160毫米大范围覆盖的扫描方式多应用于冠脉成像、胸痛“三联征”检查、脑血管成像和器官的CT灌注。);飞利浦公司的Brilliance iCT(0.625mmX128排探测器,通过飞焦点技术实现256层图像,其最大覆盖范围为80毫米);西门子公司推出了4D螺旋CT Definition  FLASH CT(128层配置,通过数字精控摇篮床技术,使扫描床往返连续运动,可达480mm的覆盖范围);GE在750HDCT提出了一个全新的扫描方案──容积螺旋穿梭技术(Volume Helical Shuttle)在不降低图像质量的前提下大大提高了扫描范围。容积螺旋穿梭技术可以在数据采集期间使CT扫描床持续的穿梭往复运动。达到Z轴的覆盖范围增加至312.5毫米,从而可以实现4D血管成像和大范围器官灌注。同时各厂家还将先进的纳米技术应用在探测器上,用纳米材料与高速稀土陶瓷结合,组成更小的分子材料,便于探测器的固化和精确切割,减小间隙,提高几何效率和射线利用率,为更宽探测器阵列的设计和应用奠定了基础)。

   探测器的最小单元为0.5毫米,再进一步的提高空间已经有限,且从各向同性考虑其意义不大,因此探测器的宽度应该还有着很大的发展空间,但大宽度的探测器其锥形束效应至图像边缘的变形,且带来的图像质量下降,限制了应用;因此更宽探测器的开发,尚待进一步在物理学、数学模型建立与数字信号处理技术等的拓展。

4 驱动系统的发展

机架驱动系统,传统的伺服马达加皮带或钢带机械传动方式因随着旋转速度的增加,摩擦产热,由于物质热胀冷缩的物理特性,运行速度的限制并对图像质量会产生一定影响,已逐步淘汰。现在大多数厂家采用磁悬浮技术,新型电磁驱动,提高了旋转速度,降低了机械噪声。在2007年RSNA年会上,飞利浦公司还推出了高科技的气垫轴承技术,最快旋转速度达到0.27s/圈。


(成都军区总医院医学影像科)


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