CAT 扫描仪

计算机断层扫描 (CT) 或计算机轴向断层扫描 (CAT) 扫描仪是一种医学成像工具，可提供身体内部结构的清晰图片。它利用一束 X 射线和一个辐射探测器，将数据提供给计算机，然后由计算机构建一个 3D 图像。 CAT扫描仪由各种复杂的电子元件组成，由各个分包商生产，由扫描仪制造商组装成一个完整的单元。最初于 1970 年代初开发，稳定的技术改进使这种类型的扫描仪成为无价的放射诊断设备。

历史

CAT 扫描仪的发明是由威廉·伦琴 (Wilhelm Roentgen) 促成的，他于 1895 年发现了 X 射线。大约在这个时候，许多科学家正在研究电子通过称为克鲁克斯管的玻璃装置的运动。伦琴想要直观地捕捉电子的动作，所以他用黑色相纸包裹了克鲁克斯管。当他进行实验时，他注意到一块涂有荧光材料的板，恰好放在管子附近，发出荧光或发光。这是出乎意料的，因为包裹的管子没有发出可见光。经过进一步调查，他发现这管子确实有某种不可见的光，它可以穿透木头、铝或人的皮肤等材料。

在这一初步发现之后，伦琴很快意识到他的发现对医学的重要性。使用 X 射线，他确定可以创建皮肤下结构的图像。为此，他发表了第一张 X 光片，这是他妻子手的图像。由于这一发现，他于 1901 年获得了第一个诺贝尔物理学奖。 1896 年，美国首次记录使用 X 射线进行实际诊断。 Gilman Frost 博士和他的物理学家兄弟使用 X 射线来确定一个滑冰的小男孩受伤的严重程度事故。该 X 射线是在达特茅斯学院的物理实验室拍摄的。

随着射线照相领域的扩大，X 射线技术稳步提高。传统 X 射线的主要限制之一是它们缺乏深度。因此，许多内部结构相互叠加。在计算机的帮助下，科学家们开发了解决这个问题的方法。其中一种方法是计算机断层扫描 (CT) 或计算机轴向断层扫描 (CAT)。 1970 年，Godfrey Hounsfield 和 Allen Cormack 展示了第一台 CAT 扫描仪。在接下来的二十年中，扫描仪设计取得了重大进展，从而产生了当今使用的高质量成像扫描仪。

背景

CAT 扫描仪与所有其他 X 光机一样，使用 X 射线来生成身体内部结构的图像。 X 射线是一种电离辐射，能够不同程度地穿透固体材料，具体取决于它们的密度和厚度。在传统的放射学中，图像是通过在患者身后放置一个检测器（例如胶卷）然后将 X 射线束射向患者来产生的。辐射穿过患者的身体并与胶片相互作用。由于照射到胶片上的 X 射线在处理后会产生暗区，因此容易被 X 射线穿透的身体结构（例如皮肤）会显示为暗区。肌肉、软组织和器官等其他结构允许不同数量的 X 射线通过它们并显示为灰色区域。不允许 X 射线穿过的骨骼显示为亮白色区域。

传统胶片 X 射线产生的图像往往是模糊的，因为许多内部结构相互叠加。开发断层扫描是为了减少这种模糊性，并允许对身体的特定区域进行成像。早期的断层扫描方法涉及同时沿相反方向移动 X 射线发生器和检测胶片。当两个单元水平移动时，只有位于特定几何平面内的身体结构才会允许 X 射线始终穿过探测器。这样，这些结构就清晰地出现在胶片上，而平面外的结构就模糊了。这种放射学产生的图像平行于身体的长轴。

计算机轴向断层扫描和计算机经轴断层扫描代表了传统断层扫描的更复杂和改进的形式。图像是通过围绕患者旋转 X 射线发生器和探测器而产生的。测量从身体以不同角度发射的衰减残余辐射量并将其发送到计算机，而不是直接记录在胶片上。然后计算机运行一系列复杂的算法来重建图像，然后可以将其显示在监视器上。与传统断层扫描不同，计算机经轴断层扫描产生的图像是身体的横截面，因为它垂直于身体的长轴，所以称为经轴图像。

X 射线被称为电离辐射，因为它们能够与某些类型的物质相互作用并改变某些类型的物质，例如体内的分子。虽然这对人类来说肯定是一个重大的健康风险，但在医学中使用 X 射线的好处是压倒性的。但是，医疗领域的工作人员会注意限制自己和患者的暴露量。

设计

CAT 扫描仪由三个主要系统组成，包括机架、计算机和操作台。其中每一个都由各种子组件组成。龙门组件是这些系统中最大的。它由与患者相关的所有设备组成，包括患者支架、定位床、机械支架和扫描仪外壳。它还包含 CAT 扫描仪的核心、X 射线管以及产生和检测 X 射线的探测器。

X 射线管是一种特殊类型的真空密封电子二极管，旨在发射 X 射线。它由两个电极组成，阴极和阳极。为了产生 X 射线，阴极中的灯丝通过高压发生器产生的电进行充电。这会导致灯丝加热并发射电子。利用它们的自然吸引力和特殊的聚焦杯，电子直接向带正电的阳极移动。当电子撞击阳极时，会不加选择地发射 X 射线。阳极可以旋转也可以不旋转，然后将电流传导回高压发生器以完成电路。为了将 X 射线聚焦成光束，X 射线管包含在保护外壳内。除了底部的一个小窗口外，该外壳内衬铅。有用的 X 射线能够从这个窗口逸出，而铅防止杂散辐射逸出其他方向。

与其他放射设备不同，CAT 扫描仪中的探测器不直接测量 X 射线。它们测量由于身体结构与 X 射线的相互作用而从身体结构衰减的辐射。一种类型的检测器是理想的充气检测器。当辐射击中这些探测器之一时，气体被电离并可以确定辐射水平。

计算机专门设计用于收集和分析来自探测器的输入。它是一台能够同时执行数千个方程的大容量计算机。重建速度和图像质量都取决于计算机的微处理器和内存。一个 快速的电脑尤为重要，因为它极大地影响了考试的速度和效率。由于计算机是如此专业，它需要一个环境受到严格控制的房间。例如，温度通常保持在 68°F (20°C) 以下，湿度低于 30%。

操作台是CAT扫描仪的主控中心。它用于输入与扫描相关的所有因素。通常，此控制台由计算机、键盘和多台显示器组成。通常有两种不同的控制台，一种供 CAT 扫描仪操作员使用，另一种供医生使用。操作员的控制台控制诸如成像组织切片的厚度、患者床的机械运动和其他放射照相技术因素等变量。医生的查看控制台允许医生在不干扰正常扫描仪操作的情况下查看图像。如果诊断和图像存储需要以供以后使用，它还可以进行图像处理。对于这种类型的数据存储，可以使用磁带或软盘。

CAT 扫描仪的设计随着时间的推移逐渐改进。最初的 CAT 扫描仪使用一束细的铅笔形 X 射线束，读取 180 个读数，每围绕半圆旋转一个度数。 X 射线发生器和探测器在每次扫描时水平移动，然后旋转 1 度以进行下一次扫描。使用了两个检测器，因此每次扫描都可以生成两个不同的图像。该系统的缺点是扫描时间过长。单次扫描最多可能需要五分钟。随着更多探测器的添加和 X 射线束使用特殊过滤器散开，设计得到改进。这将扫描时间显着减少到大约 20 秒。下一个主要的设计改进是消除了发生器和探测器的水平移动，使其成为仅旋转扫描仪。更多的探测器被添加并分组到一个曲线探测器阵列中。探测器阵列最终被设计为静止的，由此产生的扫描时间减少到一秒。

原材料

各种各样的材料，例如钢、玻璃和塑料，都被用于构建 CAT 扫描仪的组件。一些更特殊的化合物可以在病床、探测器阵列和 X 射线管中找到。病床通常由碳纤维制成，以防止其干扰 X 射线束传输。 CAT 扫描仪使用 X 射线技术创建人体内部结构的三维图像。通过围绕患者旋转 X 射线发生器和探测器来获得图像。这些信息被输入计算机，计算机在其焦平面内重建身体结构的图像。更现代的扫描仪的探测器阵列使用钨板、陶瓷基板和氙气。钨还用于制作X射线管的阴极和电子束靶。在管中发现的其他材料是耐热玻璃。玻璃、铜和钨合金。在 CAT 扫描仪系统的许多部分都可以找到铅，这减少了过量的辐射量。

制造
过程

CAT 扫描仪制造通常是由外部制造商提供的各种组件的组装。以下过程讨论了主要组件的生产方式。

龙门装配组件

• 1 X 射线管的制造方式与其他类型的电子二极管非常相似。单独的组件，包括阴极和阳极，放置在管壳内并真空密封。然后将管置于保护外壳中，然后可以将其连接到扫描仪框架的旋转部分。
• 2 CAT 扫描仪可使用各种探测器阵列。一种类型的探测器阵列是理想的充气探测器。这是通过在大金属框架周围放置 0.04 英寸（1 毫米）的钨条制成的。陶瓷基板将条带固定到位。整个组件是密封的，并充满惰性气体（例如氙气）压力。由钨板之间的间隙形成的每个小室都是独立的探测器。完成的探测器也连接到扫描仪框架。
• 3 为了产生产生 X 射线所需的大量电压，使用了自耦变压器。该电源装置是通过将电线绕在磁芯上而制成的。电分接头连接在线圈的各个点上，并连接到主电源。使用此设备，输出电压可以增加到输入电压的大约两倍。

控制台和电脑

• 4 控制台和计算机由计算机制造商专门设计和提供。主模型构建计算机专门使用重建算法进行编程，以处理来自机架组件的 X 射线数据。控制台还使用软件进行编程，以控制 CAT 扫描的管理。

总装

• 5 CAT 扫描仪的最终组装是一个定制过程，通常在放射成像设施中进行。房间经过专门设计，可容纳每个组件，并将过度辐射暴露或电击的可能性降至最低。按照具体方案，完成整个CAT扫描仪系统的设备安装和布线。

质量控制

与所有电子设备一样，质量控制测试是 CAT 扫描仪制造的重要组成部分。扫描仪制造商通常依靠他们的供应商对传入的组件进行基本的质量测试。组装扫描仪的各个部分时，会在整个过程中执行目视和电气检查以检测缺陷。除了制造商制定的质量规范外，美国食品和药物管理局 (FDA) 还制定了要求制造商进行特定质量控制测试的法规。这些测试的示例包括 X 射线管的校准测试、患者床的机械测试以及视觉输出的标准化测试。

未来

未来 CAT 扫描仪的研究集中在四个基本目标上，包括产生更好质量的图像、减少患者辐射暴露量、优化计算机重建算法以及改进 CAT 扫描仪设计。已经尝试了实现这些目标的各种方法。为了提高图像质量，一些扫描仪结合了 X 射线管、探测器或两者的独特运动。其他人改变患者的位置。正在开发更快的扫描仪以减少患者暴露时间。已经为各种考试开发了不同种类的计算机算法。未来的 CAT 扫描仪可能会结合大部分这些新发展，以及连续旋转的 X 射线管和探测器，以提供最清晰、最安全的成像程序。