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核磁系列维修手册
第四篇
核磁系列
第四篇核磁系列
第一章CT机常见故障分析及检修方法
第一节CT机的发展
我们通常所指的CT是X射线CT,全称为X射线电子计算机断层摄影,简称为CT,
是一种放射学成像方法,它可提供人体横断切面的图像,还可以把这些横断切面图像加起来
作三维图像重建。
尽管CT的基本原理几十年来已广泛使用,但直到1973年第一台计算机
断层X射线扫描机才应用于医学临床的检查。
从那时起,CT扫描机已经经过五代的发展和
进步,所以,CT机的发展通常以“代”(generation)来划分。
CT机的分代主要以X射线球
管和探测器的关系、结构、探测器的数目、排列方式和两者的运动方式来划分。
实际上按“代”
的划分并不能完全反映CT机性能的优劣,因为X射线球管系统、探测器的性能和计算机的
运算速度等硬件更为重要。
一、CT机的分代
(1)第一代CT机X射线为单射束,有单个或数个探测器,运动方式是平移加旋转,
扫描时间长达数分钟,临床检查只限于头颅扫描。
(2)第二代CT机X射线为多射束,探测器从数个至几十个,运动方式还是平移加
旋转,扫描时间缩短到18s左右。
开始扩大到全身的扫描应用,但I临床运动伪影很明显。
(3)第三代CT机X射线为扇形束。
探测器也相应呈扇形排列,其数目多达几百个。
运动方式为旋转方式。
扫描时间一般为2-5s,最快可达1s。
临床应用功能也明显增加。
在
近两年所生产的滑环式CT机是第三代机型的一个突破。
(4)第四代CT机与第三代CT机基本相同。
只是在探测器的排列上为圆周状,固定
在扫描架四周,达到每半度一个探测器,为闪烁式晶体探测器,还有用一千多个探测器的,
主要是为了提高图像质量。
其运动方式为X射线球管旋转。
扫描时间也在2s,重建512×
512图像的时间在45s。
(5)第五代CT机超高速机型CT机(ultrafastCT,UFCT),与以前的CT机已有根
本的区别。
电影CT(cineCT)较第三代、第四代CT机的扫描速度明显提高,可实时显像。
为了
减少毫安秒(主要是毫安)即X射线量,探测器改为稀土元素,主要用于心脏等检查。
但
效果并不十分理想,目前也尚未广泛用于临床。
随着UFCT等的出现,估计电影CT不会
有很大的发展和提高。
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《最新国内外医疗器械实用维修手册》
二、新型CT机的特,陛和临床应用
(一)滑环式CT(cycleCT)
以往生产的CT机,其球管系统的电力及信号传递都采用电缆来进行连接高压电缆和信
号电缆。
因此,每作一次旋转扫描之后,都必须使其球管作反方向旋转运动,回到起始位置,
然后再作第二次扫描,这样很明显影响了扫描速度的提高。
而滑环式CT机其X射线球管系
统的电力和信号的传递均由高压或低压滑环装置来实现,使X射线球管只作一个方向的旋
转运动,大大提高了扫描速度。
滑环式CT机按其扫描形式划分又分为两大类。
1.螺旋型连续式扫描
X射线球管不停地作旋转运动,在扫描过程中持续发射X射线。
检查床(病人)则沿
扫描平面的垂直方向作水平匀速移动,速度为层厚的距离/s。
其球管的旋转速度一般为每秒
1周,最短0.6s1周。
两种运动轨迹的组合,形成了螺旋形不间断式扫描。
在实际上这种
扫描方式所获得的CT图像不是一个标准的人体横断面图像。
其代表机型为德国西门子公司
生产的SOMATOM-PLUS系列的各种机型;滑环形式为高压滑环。
2.间断式扫描
即X射线球管的运动方式与前述相同,扫描时间为1s,检查床不动,此时球管旋转发
射X射线;检查床移动时间1s,停止发射X射线。
这样是扫描一层完毕后,检查床移动一
次,临床上所获得的CT图像与普通CT图像是一致的,也是标准的横断面图像。
这种机型
比较多,其代表机型为美国通用电气公司生产的GECTprospeed,此机型为高速滑环式。
另
外还有与上述机型相同的机器,有德国西门子公司生产的SOMATOMAR.C、AR.T、
AR.HPCT机,其滑环形式为低压滑环。
3.螺旋型连续式多层扫描
目前,比上述性能更高的机器已经投入临床使用,为螺旋连续式多层扫描,每扫描一周
可采集多层数据,然后对数据进行处理和重建,即可显示扫描的多层图像,也就是人们所说
的多层螺旋。
也就是说在X射线球管每旋转一周所采集的数据可分多层进行处理和重建,
充分运用了计算机的高速运算和对大量数据进行处理的功能,这样就大大提高了病人检查的
速度,减少了照射计量,是当前CT机的发展方向。
从根本上讲,螺旋型连续式CT机为高速滑环式CT机的演变,其X射线球管的热容量
大,两者的原理是一样的。
螺旋型连续式扫描与间断扫描的区别在于,螺旋型连续式扫描时
检查床的移动一个是匀速运动;而间断式扫描时检查床是间断移动的,即扫描完一层,检查
床移动一次,其移动的距离就是扫描的层厚。
另外,根据滑环结构以及所提供的电力情况,又分为高压滑环和低压滑环两种。
高压滑
环的CT机,其高压发生器与普通CT机一致,有专门的高压发生器在外面,通过高压电缆
连接到滑环上,然后经过高压滑环输送到X射线球管内。
而低压滑环则是将高压发生器与X
射线球管装在一起,成为一个整体,而且体积很小,安装在扫描机架内,并随扫描做旋转运
动,其电源只是由变压器输出的动力电连接到滑环上,然后通过滑环输送到X射线发生系
统。
这种机型是目前临床应用比较广泛的,而且扫描速度很高,都在0.6s的扫描速度。
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第四篇核磁系列
(二)UFCT
1984年由美国Imatron公司率先研制成功,直到近几年才逐步用于临床,适用于心脏和
全身各部位的检查。
X射线的产生采用最先进的电子技术(electronbeamtechnology),球管
的阳极与阴极分离,从阴极的电子枪发射电子束,经加速形成高能电子束,再通过聚集和磁
场偏转线圈,投射到呈210°弧形的阳极靶面,产生X射线束,代替传统的机械性旋转,扫
描速度达到50ms。
探测器则排列在与阳极靶面相对的位置。
其扫描方式有以下3种:
1.连续式扫描(cinema)
采用多靶和探测器环在极短的时间内完成多层面(8个)和多幅图像(80幅)扫描,适
用于心脏功能检查;
2.触发式扫描(flowstudy)
由门电路控制,分别用于心动周期的不同时相扫描,测定血流量;
3.容积式扫描(volume)
在一定的间隔时间内对感兴趣的脏器和部位进行扫描,用于形态诊断。
(三)PET/CT
PET/CT是2001年由美国GE公司首先研制成功的,是最新的全身PET扫描部分和螺
旋CT机的组合;CT机除了可以独立完成诊断扫描、定位等功能外,还可以进行PET扫描
的衰减校正:
利用一台计算机系统进行数据处理和图像重建,这种PET/CT的有机结合,也
同时提高了PET的诊断水平;这是目前影像学中在世界上最先进的机器。
目前,国内已有
10台PET机器,但都是单纯的PET,而不具备CT机和PET机器两者的结合。
今年,德国
西门子公司也研究出同类产品CT/PET,各项性能指标以及硬件配置将会更好。
CT/PET机
器能够提前做出肿瘤疾病的诊断。
三、CT机的发展和趋势
(一)扫描速度
CT机的扫描时间在不断地缩短,经历了从低速到高速以及超高速的变化过程,以前的
机器结构要想提高扫描速度是很困难的,连接的高压电缆和信号电缆必须使旋转扫描的X
射线球管回转到起始位置才能进行下一次扫描;目前生产的滑环式CT机就不需要旋转的
X射线球管回转的起始位置,可进行连续的一个方向旋转,其扫描速度已提高到1s,最快
扫描速度现在已达到0.6s;UFCT扫描速度缩短至50ms。
(二)计算机
计算机在CT机中的应用和发展可以说是最快的,一方面,由于采用了大规模集成电
路,元器件的集成化和微型化程度越来越高,使CT机的计算机体积明显缩小,运算速度大
幅度提高:
计算机体积由过去的一个房间那么大,缩小到现在还不到1立方米大小。
因此,
CT机所用计算机是向微型化发展,包括滑环式高速CT机,也多采用微型计算机;另外,
除了在提高扫描速度上作了较大的改进以外,还运用计算机使采集的数据运算速度极快,图
像的重建速度由数分钟缩短至数秒或实时完成,即扫描完一层,即可重建成512X512图像,
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也就是说在扫描过程中即可达到动态和实时显像的目的。
(三)探测器
探测器的数量在增加,其类型由原来的晶体型发展到气体型,现在又由气体型向固体型
方向发展,并以高密度集成化排列,增加探测器的数量,缩小探测系统的体积。
目前使用的
滑环式CT机探测器数量有704个。
(四)功能
由过去复杂的计算机操作和命令,变成现在不断增加和扩大的功能键以及应用范围:
计
算机应用界面更完备,均设有对话窗,错误信息显示和报告,自动化水平在迅速提高,操作
程序更加简便。
(五)X射线球管和高压发生器
X射线球管的热容量在大大增加,以适应螺旋型快速扫描和动态扫描的需要。
高压发生
器的体积现在已做的很小,由原来只能安装在扫描机架外面单独的高压发生器,必须用高压
电缆连接起来,发展到现在安装在扫描机架内,与X射线球管装在一起,并随球管一起旋
转进行扫描,这种结构多用在低压滑环式CT机上。
另外,就是高压发生器单独安装在扫描
机架外面,其高压是通过扫描机架上的高压滑环连接到旋转扫描的X射线球管,这种结构
是高压滑环式CT机。
(六)图像空间分辨率(spatialresolution)
在图像空间分辨率上已有了进一步的提高,从过去的3mm提高到0.35mm。
在第1、
2代到第3、4代CT机中,空间分辨率的提高比较显著,而到了高速CT机和超高速CT机
之间,在分辨率上就无明显差别。
影响空间分辨率提高的因素有许多,以探测器的数量和质
量以及扫描矩阵的关系这些因素最为密切。
扫描矩阵已由原来的128×128、256×256提高
到512×512,现在最高已提高到矩阵1024×1024,原来的128×128和256×256矩阵已经
淘汰落后。
为提高空间分辨率除了上述分析的因素以外,还有矩阵的提高与计算机的功能和
数据的处理关系密切。
由于CT机以上几方面技术的不断改进,使得CT机在临床应用上更加方便自如,图像
更加清晰,在各种冠状位、矢状位和其他位置的扫描和重建都非常方便,图像更加接近解剖,
并可做到三维重建、图像旋转以及伪彩色技术处理。
第二节CT机的基本结构
CT机的基本结构包括:
X射线发生系统、X射线探测系统、扫描机架、计算机系统、
图像显示和记录部分、操作控制台以及必要的附属设备。
其主要结构部分及相互关系如图
4-1-1所示:
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图4-1-1CT机主要系统部件框图
一、X射线发生系统
X射线发生系统包括高压发生器、X射线球管、冷却系统及前准直器等。
这个系统的主
要目的是产生一个稳定的、高度准直的X射线束,即扇形束。
(一)高压发生器
它是为X射线的产生提供一个稳定的直流高压,其高压值的大小直接影响X射线能量
值的变化,而X射线能量与吸收系数关系极为密切,因为只有在X射线能量稳定的情况下,
才能准确地反映被扫描物体的X射线吸收系数,所以稳定的高压是CT成像质量的重要基础
之一。
在任何一种型号的CT机所应用的高压系统都必须采用高精度的反馈稳压措施,以达
到CT机的技术要求。
(二)X射线管
CT机用的X射线管与一般普通X射线机所用X射线管相同,均为高度真空的二极管,
也分为固定阳极和旋转阳极两种。
固定阳极X射线管只能用于扫描速度慢、需要电流量小
的第1、2代CT机;旋转阳极X射线球管适用于扫描速度快、需要电流量大的机器,这种
X射线管的热容量也很大,如第3、4代CT机,它需要在很短的时间内(1s或数秒)产生
足够的能量,并要求较高的电流值。
由于X射线管在发生X射线时要产生大量的热能,其
旋转阳极能使热能均匀地分布在整个圆形靶面上,一方面起保护作用,另一方面有助于散热。
在X射线管结构上,钼靶阳极的X射线管靶面其耐热性能要高于普通阳极X射线管靶面。
(三)冷却系统
对于固定阳极X射线管采用油冷式的冷却系统即可以达到要求。
对于旋转阳极X射线
管来说,常需要将大量的热迅速散掉,多采用油—风冷却方式,即阳极靶面的热能首先传给
周围的油,再经过高压油泵输送到散热器,散热器上有冷却风扇,这样将热能散到空气中去,
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经过冷却的油再循环回到X射线球管中,以控制X射线球管的温度。
由于第3、4代CT机
扫描时间比较短,而且扫描间隔周期也短,故在短时间内要作多次扫描,阳极靶面的热能会
成倍的增加,所以必须要有良好的冷却散热装置,才能保证X射线管的连续工作。
尽管如
此,在实际工作中,还会经常需要等待X射线管热量达到下一次扫描时的温度要求方可继
续进行。
(四)前准直器
这部分亦可称为聚焦系统,它具有去除散射线,能使X射线呈束状排列,还可以调节
层厚的扫描厚度。
二、X射线探测部分
这部分包括探测器、模数转换器和后准直器,其作用是探测穿过人体后的X射线量,
并转化为数字信号。
(一)探测器
探测器可分为气体和固体两大类。
前者采用气体电离的原理,探测器内多充有惰性气体,
如氙气(xenon)或氪气(krypton),当X射线射入后,使氙气产生成对的光电子,由收
集电极集中后,便产生与X射线强度成比例的电流。
后者常用碘化钠(Nal)、碘化铯(Csl)、
钨酸镉(CDW04)、锗酸铋(BGO)作为荧光体,它们当受到X射线照射后发出荧光,然
后再经过光电转换和信号放大。
目前,碘化钠已极少使用。
气体探测器和固体探测器各有优缺点,气体探测器灵敏度差一些,但利用率高,受温度
湿度影响小一些,性能也比较稳定。
固体探测器灵敏度高,容易受温度湿度影响,使用一段
时间后其性能指标会有些变化,由于其余辉时间(激发荧光后恢复到原状态的时间)长,使
利用率降低。
固体探测器的分辨率要比气体探测器分辨率高。
对固体探测器来说,使用一段
时间后有些探测器性能指标可能有些变化,会造成CT图像上的伪影,以至扫描出来的图像
无法诊断。
这时,可以用软件将性能和曲线不太好的探测器隔离起来,即不运用这些探测器
所采集的数据,将其放置一段时间不用,当经过一段时间放置的探测器如果再重新检查,则
有一些还可以恢复使用,有一些是不可以恢复使用的。
在探测器的排列和数量方面有许多不同,第1、2代CT机探测器的数目是从单个至数
十个,目前第3、4代CT机的探测器大都在数百个,甚至千余个,第3代CT机探测器的
排列是沿X射线球管的对应扇形面呈弧形排列,是与X射线球管同时旋转,相对运动的;
第4代CT机则是固定在扫描机架圆周内的360°,一般是以每半度一个探测器或多达一千
多个安装的,是不随X射线球管旋转的。
当然,探测器个数越多,空间分辨率就越高。
在
目前的螺旋形CT机中还常使用气体探测器,以第3代CT机型的结构形式,其探测器数量
大多在数百个。
(二)模数转换器
模数转换器的作用是将探测器所形成的光电信号转化为数字信号,并输送到阵列处理
机,主要是A/D的转化过程。
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(三)后准直器
后准直器位于探测器前面,其结构与探测器做在一个整体上,在被扫描物体后方,主要
的作用是除去通过X射线被照射物体后产生的散射线,结构比较简单。
三、扫描机架部分
这部分包括扫描架和检查床两部分。
扫描架部分是将X射线发生部分、探测器部分、
准直器部分、旋转部分以及模数转换部分和控制部分等组成的一个扫描系统。
将这些部分装
置在扫描机架中,其中间是一个直径60cm的孔径(有的扫描机架中间孔径为70cm),将被
扫描物体至于中心,旋转部分将围绕被扫描物体作匀速旋转。
以前的CT机器其高压发生器
都在扫描机架外面安装,目前生产的低压滑环式CT机器,其高压发生器与X射线球管全
部装在一起,并位于旋转部分,与探测器一起对扫描人体做相对旋转运动。
检查床部分可以
作升降动作和前后移动,设定扫描层厚多少,检查床前后移动距离多少,将病人被扫描部位
送入扫描机架的中间孔内进行扫描。
四、计算机系统
计算机系统在第3、4代CT机中,包括阵列处理机(图像处理计算机)反投影器和计
算机主机。
其作用是处理数据,完成图像的重建、控制和检测整个CT系统。
(一)阵列处理机
阵列处理机它是在主计算机的控制下工作的,接受模数转换器或磁盘输入的数据,反投
影器也在其中工作,经过处理后再交予主计算机。
(二)主计算机
主计算机是CT机的中央处理系统,与CT机各个部分都有传出、传入的广泛通讯联系,
主要的功能有:
①将扫描系统所获得的数据,根据不同的需要,按照不同的数学计算模式,
完成图像的重建;②对图像(数据)的管理和运用;③检测和控制CT机的整个系统工作,
特别是扫描机架部分的工作状态,并能发现和校正扫描机架这部分所出现的偏差,用报告的
形式显示错误信息以及机器故障。
以前生产的CT机所用主计算机是由小型计算机来完成的,其运算速度是很慢的,重建
一层512×512图像大约需要15~45s。
近几年来,计算机在CT机中的应用多采用并行微型
计算机,功能比较齐全,重建一层512×512图像时间为实时的(即扫描完一层图像立即显
示),主要是以体积小、运算速度快、互不干扰等为特点,这也是发展方向。
五、图像存储、显示和记录部分
这部分包括磁盘(硬盘)或光盘、磁带或软磁盘、显示器和照相机等。
(一)磁盘、光盘、磁带和软磁盘
磁盘或光盘是将计算机处理过的数字信号按计算机的指令,自动由磁盘机存入磁盘或
光盘的某个特定区域。
以前生产的CT机磁盘只有一个,其中包括系统程序数据和图像数据,
工作起来对运行速度影响很大。
目前生产的CT机很多是两个磁盘系统,即一个是系统程序
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控制数据磁盘,另一个是专门存储图像的数据磁盘,而且磁盘容量很大,可存储512×512
的图像数据4000~5000多幅;光盘的存储容量则更大,可多达上万幅图像数据。
当这些磁
盘存满图像后,计算机可以给予指令,将图像磁盘内以存满的数据删除,可以重复使用。
利
用磁带机,可以将存入磁盘内的图像数据复制到磁带上。
磁带也可以保存或重复使用。
软磁
盘是由软盘驱动器操作的,其功能与磁带一致,但容量小,目前,多采用光盘刻录机,这
样可存储大量的图像数据,今后在这些方面会有很大的进展。
(二)显示装置
CT机用的显示装置常用高分辨率黑白电视监视器,而且,屏幕比较大,可显示16个灰
阶。
目前生产的CT机显示器可显示1024×1024矩阵图像。
(三)照相机
以前生产的CT机常配备多幅照相机,它是将CT图像视频信号用电缆传输给多幅照相
机的视频输入接口,再经过多幅照相机内的阴极显像管(CRT)投射到单面药膜的感光胶片
上,胶片大小一般为20cm×25cm、25cm×30cm或36cm×43cm,多幅选择有2、4、6、9、
12、24等。
目前多幅照相机已经落后,被淘汰。
近几年来,CT机都配备激光照相机,这种
照相机效果十分理想。
它是用激光头将图像扫描到感光胶片上的,其图像质量的好坏与激光
头光束质量有直接关系。
激光照相机的接口有红外线接口和数字接口两种。
六、操作控制部分
操作控制这部分有两个作用:
一个是临床使用人员的日常操作;另一个是维修人员的维
修操作。
(一)日常操作
可以通过操作控制台的键盘将必要的指令输入计算机,再由计算机通过控制部分执行,
比如扫描的厚度、间隔、电压、电流、时间等以及扫描的部位与方式、图像重建的算法、
CT值的测定、对图像窗宽、窗位的调节、病人资料的输入和图像的管理、记录等。
(二)维修操作
CT机的运行情况,检查运行当中是否出现错误,如有故障可查出有关的错误信息,以
指导维修。
对机器所出现的误差还要进行校正和调整,修正相关的数据。
如图像的均匀一致
性、CT值的校准、伪影的消除等。
第三节CT机成像原理
CT扫描过程首先是用高度准直的X射线束扫描人体的某个部位,并围绕该部位做360
°匀速转动,穿过人体的X射线再经准直后,由探测器(detector)接收。
探测器接收的大
量信息经模数转换器(A/Dconvertor)将模拟量转换成数字量输入计算机,计算机计算出该
断面上个单位体积的X射线吸收值(CT值),并排列成数字矩阵(digitalmatrix)。
数字矩
阵再经数模转换器(D/Aconvertor),用黑白不同的灰度等级在监视器荧光屏上显示,就获
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得该部位的横断面解剖结构图像。
CT机的X射线部分结构如图4-1-2所示。
图4-1-2CT机X射线部分结构示意图
当X射线穿过人体某一部位时,不同密度的组织对X射线的吸收量也不同。
组织密度
越高,如骨骼,吸收X射线越多,探测器接收到的信号越弱;相反,组织密度越低,如脂
肪和空气等,吸收X射线量越少,探测器接收到的信号越强。
探测器分辨X射线量的敏感
程度比X射线透视(荧光透视和电视增强透视)和X射线胶片摄影等高得多。
因此,其对
组织密度的分辨率较常规方法高10~30倍。
可见人体X射线吸收的系数与形成的像素有直
接的关系,即在单元分得越小,要求出的吸收系数越多,像素越小,数目多,就越能反映
组织的密度和解剖结构,像素是用黑白不同的灰阶将吸收系数反映在CT平面图像上,也是
构成CT图像的最基本单位。
像素从根本上说是一定体积的X射线吸收系数,这种含有一定
厚度,的像素也称为体素。
目前最小为1.0mm×1.0mmX厚度(最小为1mm)。
因此,
CT值测得的数据最小为1个像素所代表的吸收系数,通常为多个像素的平均值。
矩阵(matrix)是构成一幅CT图像吸收系数(像素)的排列方式,以前生产的机器一
般是以128×128、256×256、320×320、512×512,而现在的机器都在512×512或1024
×1024。
其矩阵越大,像素越小,探测器的数目越多,所收集的信息数据量成几何倍数增加,
这样,对计算机的要求也就越高。
所求得的衰减系数越多,也就越精确,建立的CT图像则
更能接近实际解剖结构。
CT图像重建的过程即为求得每一个吸收系数的复杂数学运算过程。
其数学运算的方法
必须以尽可能短的运算时间和准确反映组织吸收系数为前提。
主要有以下几种方法;①反投
影法(backproiection),也称综合法(summationmethod);②迭代法(interactivemethods),
包括代数重建法(simultaneousreconstruction)、逐线校正法(ray-by-raycorrection)、逐点校
正法(point-by-pointcorrection);⑧解析法(analyticmethods),包括
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