CT球管成像原理与结构
本帖最后由 曾艳 于 2010-11-25 09:17 编辑随着CT设备普及和发展，正确的使用CT，减少球管的损耗，降低运行成本是每个医院CT工作人员所关心的问题，下面本文从理论和实践两个方面就这个问 题进行一下探讨。
一． X光成像原理：
1.X线之所以能使人体在荧光屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以达到荧光屏或X线片上的X线量即有差异。这样，在荧光屏或X线片上就形成黑白对比不同的影像。
因此，X线影像的形成，应具备以下三个基本条件：首先，X线应具有一定的穿透力，这样才能穿透被照射的组织结构，第二，被穿透的组织结构，必须存在着密度和厚度的差异，这样，在穿透过程中校吸收后剩余下来的X线量，才会是有差别的；第三，这个有差别的剩余X线，仍是不可见的，还必须经过显像这一过程，例如经X光照片或影像增强器显像，也可以采用探测器矩阵方式采集，进行A/D模数转换后形成数字图像，用显示器显示或用各种不同的打印机打印到不同的媒体上，才能显示出具有黑白对比和层次的X线影像。
X线穿透密度不同的组织时，密度高的组织被吸收的多，密度低的组织被吸收的少，因而剩余的X线量就出现差别，从而形成黑白对比的X线影像(图l—l—2)。
图l—l—2
图1—1—3
X线穿透厚度不同的组织或器官时，厚的部分吸收X线多，薄的部分吸收X线少，因而剩余的X线量就出现差别(图1—1—3)。事实上、密度和厚度这两个因素经常是综合地影响X线成像。
2.球管参数对成像的影响
影响X光成像质量的指标，我们一般主要用两个指标衡量，空间分辨率和密度分 辨率，除去设备的原因以外，而球管的参数和性能也会对这两个参数产生重要的 影响，下面我们从球管的角度分别对X光成像质量进行分析。
（1）空间分辨率：
由于X射线实际上是一种波长极短的电磁波也是一种光，它除了具有穿透性及对 生命体的生物效应等特性以外，也具备着光的一切特性，发光光源面积的大小直 接影响成像的空间分辨率，这主要是由于光源的半影效应特性引起的，所说的半 影效应是指发光光源与被投影物体的成像关系，当光源几何尺寸大于被投影物体 时，光源边缘的光线会通过被投影物体的边缘在投影影像上产生交汇，会使影像 缩小或消失，手术室中的无影灯就是通过这种原理制成的。在X光影像设备中， 要获得清晰的细微组织影像，从球管方面需要小的焦点，同时做投影时的操作也十分重要，所以在普通X光照相和透视时，人体距离球管越远，离影像增强器或 照相胶片越近，所获得的影像越清晰。 在CT中影响空间分辨率的因素很多，球管的焦点尺寸对CT的空间分辨率会 产生一定的影响，而CT自身的因素如探测器的尺寸、数量、灵敏度，DAS数据采集通道的开关特性，球管安装校正精度，机器校正参数表格的制作质量等都会对空间分辨率产生影响。球管的老化，靶面烧伤造成的散焦，球管旋转阳极轴承磨损造成的轴向和径向间隙过大引起的串动等都会形成球管等效焦点变大，球管内管芯松动产生的焦点偏移等，都会造成空间分辨率的降低。
（2）密度分辨率：
密度分辨率是指在或得的图像上面能够分辨出的最小组织密度差别，高的密度分 辨率能够使我们在阅片时能够更清晰的看到组织内部的密度改变，提高诊断的准 确性。
影响密度分辨率的因素较多，在CT本身方面，探测器灵敏度，数据采集部 分的线性度，数模A/D转换器的位数，都会对密度分辨率产生影响，数模转换器的位数越多，每个转换台阶的最小值越小，密度分辨率就会越高。
在球管方面，要求球管所发出的X射线具有一定的频谱宽度，线质较硬部分
可以穿透骨骼等密度较大的组织，形成骨骼影像，线质较软的部分可以穿透软组织部分，形成组织影像。由于球管的长期使用，球管的靶面在电子的长时间轰击下，由于球管内部不是绝对真空，球管内的被电离的气体离子在高压电场作用下轰击到靶面上，造成靶面材质的改变，使球管发出的X射线线质发生改变，线质变硬，软线部分减少。球管使用时间长或球管在使用中出现过热，球管散热不良等原因，使球管管芯的玻壳及出线窗口上结有积炭，在油中产生游离炭，使球管内冷却油的颜色变黑，造成X线光谱中波长较长的软线部分被炭吸收较多，而波长较短的硬线部分吸收较少，使得输出的X光线质变硬。积炭的对X射线线质的影响要比球管自身老化影响大的多。由于硬线对软组织穿透能力较强，软组织对X线的硬线吸收能力很低，使软组织的密度分辨率下降。
二、旋转阳极球管
旋转阳极球管是在大功率X光机出现以后出现的一种高性能的球管，这种球 管能在小的焦点下使用更大的电流进行工作，从金属散热的角度分析，任何金属对热的传导都有热阻，球管在小焦点大电流工作的情况下，在阳极靶面会产生高温，如果电子束固定在一个位置不断的轰击，靶面很快就会熔化，如果我们让靶面活动起来，是电子束不断的变换轰击位置，就可以是球管在更大的电流下工作，使靶面受到电子束轰击的位置产生的热量有足够的时间向金属内部传导，靶面就不会出现熔化问题。需要说明的是，X线球管的阳极工作在真空中，散热条件很差，它的散热方式主要是以辐射的方式散出，现在大功率球管在曝光时的功率可以达到60千瓦以上，其中99.5%的功率变成了热，只有0.5%的功率转变为X射线，所有的热都会留在阳极上，散热对旋转阳极球管来说尤其重要。
（一）. 旋转阳极的转速，目前的球管旋转阳极转速都在3000转以上，高速旋转阳极球管可达到7200转，超高速的球管目前可达到1万转以上，球管阳极的转速是根据球管的焦点电流密度设计的，同样管电流的球管，焦点越小，要求球管旋转阳极的转速越高。对于应用来说，球管的焦点越小，性能越好，这是因为焦点越小，所投射的半影也越小，所得到的图像也越清晰，但球管的制造难度也越大。
（二）.旋转阳极球管的结构与固定阳极球管的结构差别主要是在阳极上，旋转阳极是一个带轴的圆盘，根据不同的用途选用不同的靶面材料，CT机球管采用的是钨靶，为了提高整体的散热能力，靶面材料被镶嵌在钼基的盘座上， 大功率的球管，为了减轻旋转靶及整个球管的重量，提高球管的热容量，在靶盘 的背面用钎焊的方法加上一定厚度和质量的石墨基，整个靶通过轴承固定在管芯支架上，旋转阳极使整个球管技术含量最高的部分。
球管是一个真空电子管，在很高的工作电压下工作，对球管内的真空要求 很高，这就要求球管内的所有部件在球管封装前，必须作严格的脱氧及除气处理，这样才能保证成品球管的真空度。
阳极的旋转是靠加在管芯外面电机定子线圈产生的旋转磁场进行驱动，所说的旋转阳极的轴，实际上是一个磁滞式电动机的转子，只不过它是被密封在真空里。旋转阳极的功能是在电子束流的轰击下产生X射线。
阳极在电子束流的轰击下，在阳极的表面会留下电子束轰击的轨迹，阳极在旋转方面的任何故障，都会造成阳极表面的损伤，阳极表面金属的熔化会产生金属蒸汽，使靶面烧伤产生沟痕，改变X射线的品质和X射线的出线方向，并且破坏球管内的真空，造成球管的内部打火，使球管报废。
（三）.旋转阳极球管的阴极是一个直热式真空管的阴极，它的灯丝由钨制成，旁边加有控制电子射线角度和方向的束流罩，用它来控制球管焦点的大小，双焦点的球管有两组这样的灯丝阴极。阴极的功能是产生电子束流来轰击阳极。
阴极的灯丝是在高温下工作的，长期的工作会使灯丝的金属挥发，在电子束发射的过程中也会有部分的灯丝金属离子随着电子束流被发射到阳极上面，因为阴极电流是从灯丝上发射出去的，而从灯丝上蒸发出来的金属气体，也会使球管真空度下降，出现打火故障，无论是阳极还是阴极蒸发出来的金属气体，都会像水蒸气一样在球管较冷玻壳上的凝聚，使球管的玻壳像用久了的电灯泡一样变成黑色。
（四）. 球管的玻壳是采用专用的真空玻璃制成，要求玻壳的热膨胀系数要与球管的金属部分一致，具有良好的密封性，要求有良好的X光透射性，要求玻壳内部要有最小的应力，以避免在球管在正常工作时窗口部分被烤热时，玻壳发生炸裂。
球管的结构
（五）.球管的冷却系统
CT机球管一般都加有油循环冷却系统，油循环冷却系统的冷却形式有以下几种：
（1）.分离式冷却式：这一类球管自身不配有油泵和散热器等附属部件，这些循 环冷却部件是作为机器部件固定在机器上，如西门子生产的一些CT机型上使用 的103MS（OPTI155、156）球管就属于这一类。这一类球管的优点是由于没有外加的冷却系统，球管的包装运输比较方便，球管包装小，球管的散热系统与球管分离，散热器可以做比较大，使得散热性能更好。缺点是在更换这一类球管时， 球管以外的冷却部分的绝缘油不能与球管一同更换，必须进行另外的更换，在现 场更换的绝缘油的品质有时难以保证，这些油有时还会与球管内的油产生化学反应，改变油的性质。
（2）.集成冷却式：这一类球管的油泵散热器与球管组装在一起，它的优点是，在更换球管时不存在散热器换油的问题，油泵和散热器在厂家就可以检查好。它的缺点是：A).运输包装体积较大。B).油泵，散热器及油循环监测系统都随球管在一起，为了减轻重量和降低成本，油泵与散热器做的都比较小，散热的效率较低。
（3）.间接换热冷却式球管：这一类球管是为了睨补前两种球管冷却方式的不足而出现的一种球管，这种球管目前多用于大功率的CT球管上，因为球管的功率大，发热量高，需要的散热器非常庞大，不可能在与球管一起进行搬运，而普通的分离式冷却方式又不能保证球管内油的品质，这样就出现了这种既克服了前两种球管冷却方式缺点，又能满足球管冷却要求的间接换热式冷却球管。这种球管的内部结构随着厂家的不同变化较大，就以西门子PLUS—CT球管为例，这种球管的冷却部分，使用的是一种水池循环管式换热方式，在不同换热的两个层面都利用油泵进行强制循环，内层产生的热量会很快的被外层循环的油流带走，以达到高效冷却的目的，而内外层的油又相互隔离。
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