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二、时间分辨率技术的提高
人体的器官存在着搏动性运动(例如心脏运动)和非搏动性运动(例如呼吸运动和人体不自主的运动),对这些器官尤其是心脏进行成像都需要更高的时间分辨率,尽可能地减少运动影响。宽体探测器CT机架旋转一圈最宽可以覆盖 z轴16cm范围,提高机架旋转速度是提高设备时间分辨率的最直接的方法,而机架转速的提高必然导致高速旋转下离心力的加大,这会增加机器的负荷,并且对CT的安全性带来很大的挑战。机架转速的提高还会导致机械振动的增加和噪声的增加,对图像质量和患者舒适性也有一定影响。另外,快速扫描在单位时间内产生的大量数据也要得到及时、快速的传输用以快速重建图像。
(一)振动管理
机架高速旋转往往伴随着机械振动的存在。如果这一问题不能很好地解决,可能会导致关键成像组件(如X射线球管和探测器)不在完美的平面上进行旋转。这种旋转会产生振动,即使振动的振幅与纸片的厚度相近,也会导致图像质量的下降。为了解决这一问题,旋转机架设计采用了超高强度钢和铝结构,通过左右两侧铸件,将配重最大的两个部件——球管和探测器直接耦合,再结合前部和后部环形固定钢板,确保了影像链的每个部件在高速旋转下不会出现偏转和振动,同时减少了主轴承的负荷。
(二)克服重力加速度
高速旋转所产生的机架离心力将超过70G重力加速度,对机架的安全性提出了巨大的挑战。解决这一问题的传统工业设计思路是通过增加结构的宽度和厚度,来提高整个机架的强度,但是与此同时,结构宽度和厚度的增加也会增加重力加速度。仅仅依靠传统的工业设计方法无法克服高转速下重力加速度的问题,为了保证高速旋转下的安全性,必须在材质上进行革新,通过采用特殊材料来提高机架强度,同时还减少了结构的宽度和厚度,并且在铸造中增加了额外复杂的螺纹设计,进一步提高强度。
(三)提高时间分辨率
在所有运动器官成像中,目前对CT设备时间分辨率要求最高的就是心脏成像,设备要达到50ms时间分辨率才能完全冻结冠脉,得到无运动伪影的冠脉图像。提高机架旋转速度无疑是提高设备时间分辨率的最直接的方法,配合心电门控技术的应用使心脏通过半扫描完成成像,成倍提高了设备的时间分辨率,目前高端CT旋转速度在0.25~0.28s之间,这样的旋转速度下,心脏扫描时间分辨率还是远大于50ms,所以单纯的提高机架旋转速度无法达到完全冻结冠脉运动的目的。多扇区重建技术是经典的成倍提高心脏扫描时间分辨率的方法,多扇区重建需要采集多个心动周期数据,无论从扫描辐射剂量上还是对患者的心律稳定性要求上都无法满足目前追求的更低剂量、更少心律限制的一个心动周期成像要求。用于提高心脏成像时间分辨率的新技术不断出现,如双球管双探测器设计,两套探测系统的配合应用,成倍提高了心脏成像时间分辨率,最快达到58ms。对于单球管单探测器宽体CT,通过冠状动脉运动冻结(snapshot freeze,SSF)技术提高心脏扫描时间分辨率,SSF技术基于多期相扫描数据从像素水平自动追踪冠脉运动轨迹和速度,从而确定目标期相冠脉的实际位置和形态,完成冠脉运动冻结,SSF技术使心脏成像时间分辨率达到29ms。
(四)减低噪声与提高数据传输速度
滑环(slip ring)是CT发展史上的一个里程碑,使得螺旋扫描成为可能。传统的滑环通过碳刷/银刷和黄铜环的接触,将机架“定子”上的电力传输至“转子”,并驱动后者旋转,再将“转子”采集的数据传送回“定子”。该结构由于存在着碳刷/银刷和黄铜环的物理接触,会产生噪声,并在长期使用的情况下,产生磨损。新的技术采用了无碳刷、非接触式设计,降低噪声,提高可靠性,延长了系统正常运行的时间。该设计的重大创新是采用了一款能够在较小空气间隙上传输100kW的全新旋转变压器(rotary transformer)。旋转变压器采用高频交流电流,通过20~200kHz的频率,向CT系统的旋转部件提供电力。设计旋转变压器必须考虑芯材(core material)的磁感应强度(magnetic flux density)。为了最大限度地减少芯材的磁感应强度,采用了基于铁氧体材料的芯材(a ferrite-material-based core)。对于数据的传输,无碳刷、非接触式滑环采用了射频无线数据传输(radio-frenquency data transmission)技术,将宽体探测器高速采样的超大容量数据以40Gbps的速度进行传输。