第三节 CT机的软件结构
CT成像的基本过程是：①采集数据→②重建图像→③显示图像。过程①由扫描系统完成，过程②、③则分别由计算机系统、图像显示和存储系统完成。
一、计算机系统
CT整个系统是用计算机来管理的。通常选用通用计算机(亦称主计算机)来执行系统管理、任务分配和外设控制等；选用专用计算机(亦称阵列处理机或阵列处理器)来执行图像重建和处理的任务。阵列处理机(array processor，AP)与主计算机相连，本身不能独立工作，需在主计算机的控制下完成图像重建和处理。CT的计算机系统实际上是由多台功能不同的计算机构成的小型网络系统。
(一)主要功能
1．系统控制 当操作者选用适当的扫描参数及启动扫描之后，CT就在计算机的控制下运行。计算机协调并安排扫描期间各种事件的发生顺序和时间，其中包括X线管和探测器在适当时刻的开和关、传递数据以及系统操作的监控等，接收初始参数，执行扫描床及扫描架的操作并监视这些操作。
2．图像重建 一幅CT图像的重建需要数百万次的数学运算，这些数学运算由计算机完成，完成图像重建功能的单元称为快速重建单元(fast reconstruction unit，FRU)。
3．图像处理 每一幅图像大约由十几万个像素组成，每个像素具有一个数值，这些数值将转换为灰度编码。计算机必须能操纵、分析、修改这些数值以提供更有用的可见信息。这包括：放大倍数，测量区域或距离，标识轮廓以及两个图像的比较，从CT图像中建立直方图、剖面图等等。
4．故障诊断 目前，许多CT已可实现简单故障的自动诊断，并给出诊断结果；有些还能够实现与维修中心的远程网络故障诊断，维修中心可通过网络直接对故障进行分析。
(二)基本结构与特点
CT用计算机随着计算机技术的发展而快速发展，从早期的小型计算机如PDP-11/44、Micro VAX-Ⅱ等，发展到了现在的快速微型计算机，使数据处理能力和速度均有大幅度提高。
图7-24为CT用计算机的构成框图。它包括以下四个部分：①控制部分，它控制扫描和数据采集；②图像重建单元，进行图像的重建运算；③图像显示，完成图像数据的缓存与图像的显示；④数据存储，完成原始数据和图像数据的存储。
图7-24 计算机系统结构图
CT用计算机应具有的特点：①足够大的内存空间，可达2GB，能够满足大量原始数据处理与操作、管理程序运行的存储空间需求；②大容量运算能力，能够完成大数据量的卷积运算和反投影运算，以及图像的后处理运算；③运算精度要高，对采集到的投影数据的处理应有较高的精度，保证重建图像的质量；④速度快，能够快速重建图像，满足图像的实时性要求；⑤控制效率高，能够高效地完成对成像过程的各个环节的控制，控制中计算机多采用并行控制方式；⑥具有一定的通用性，能够较好地与外围设备如激光相机、PACS等进行通讯。
(三)图像重建单元
图像重建单元亦称快速重建单元，采用阵列处理机来执行图像重建和处理任务。阵列处理机由许多微处理器组成，并按一定顺序并行工作，互不干扰。每一个微处理器都有自己的运算器、指令存储器和数据存储器等，并按照同样的工作原则，完成图像重建的一部分工作，再通过重建控制器将各部分总和在一起构成完整的重建结果，并将结果统一存入图像存储器(image RAM)中，其结构框图如图7-25所示。
图7-25 图像重建单元结构图
在FRU的输出端还有DAC(D/A converter)，它把最终得到的数字信号变为能驱动显示器工作的模拟信号。由于显像管荧光屏的亮度变化动态范围不太大；一般在64~256之间，所以一般用6~8bit的DAC。
(四)计算机控制
计算机控制主要是对扫描进行控制，由它分别控制扫描架、扫描床、和数据处理装置等。现代CT中的计算机结构采用多通道处理技术，其目的是为了提高处理速度和运算能力。具体的有串行处理方式、并行处理方式和分布式处理方式。
1．串行处理方式 把每条指令分为若干个顺序的操作，每个操作分别由不同的处理器实施。这样可以同时执行若干条指令，对每个处理器来说，每条指令中的同类操作像流水线一样被连续加工处理。这样可以提高计算机工作速度和提高各个处理器的使用效率。
2．并行处理方式 它由三台多任务计算机通过系统总线耦合成一个系统，分别形成了扫描处理器、显示处理器和文件处理器。
3．分布式处理方式 在结构上，它由若干台独立的处理器构成。各台处理器可分别处理同一程序的各个子程序，也可以按功能分别处理一道程序的各个阶段。每台处理器都有自己的局部存储器，因而能独立承担分配给它的任务，这些处理器在逻辑上和物理上是连在一起的，可在统一操作系统控制下工作，相互间可以通信。系统具有动态分配任务的能力，能自动进行任务调度和资源分配。其优点是：①可靠性高。其中一台处理器失效，对总系统影响不大。②灵活性高。由于系统模块化，便于扩充和更换部件。③经济性好。可以用价格便宜的微处理器，便于推广。
4．扫描控制方式 计算机控制的关键是对扫描的工作过程和时序进行控制。扫描控制采用分散控制方式，图7-26(1)和(2)分别给出了集中控制和分散控制两种方式。集中控制方式是将系统总线来的控制信号用电缆输送给控制电路，再由控制电路分配给各控制对象，这种控制方式全部由中央控制计算机操作，因而控制计算机工作量大，不灵活。若改用分散控制方式，这时控制计算机只需用串行通讯线与控制微处理器进行联络和给出控制命令，其余的工作均可由微处理器承担，这不仅减轻了中央控制计算机的负担，而且控制调整方便、灵活，可在不影响控制计算机正常工作的条件下，对扫描控制进行调试和参量重新设置。控制计算机作为微处理器的上行机进行集中管理和控制，现在CT普遍采用这种控制方式。
图7-26 螺旋CT的扫描控制
(五)软件
用于CT的软件可分为基本功能软件和专用功能软件两大类。
1．基本功能软件 是指各种CT均需具有的扫描控制、图像处理、显示和记录、故障诊断等功能软件。它是一个以管理程序为核心，能调度几个相互独立软件的系统。
常用的独立软件有预校正、平片扫描、轴位扫描、图像处理、故障诊断、外设传送等，基本功能软件的组成如图7-27所示。
图7-27 基本功能软件的组成
管理程序与各独立软件的联系方式有三种：
(1)人机对话方式：由操作者通过键盘或触摸屏向计算机发出指令，管理程序接到这些指令后，便调用相应的功能软件。
(2)条件联系方式：某个程序在运行过程中，发出一个命令信息，要求管理程序调度相应的软件进行工作。
(3)返回处理方式：某个程序在执行过程中发生错误，则返送信息给管理程序，由其统一处理。
2．专用功能软件 目前，这类软件多种多样，并还在不断开发之中。它的不断改进和更新在一定程度上取代了扫描方式的发展。专用功能软件主要有：
(1)动态扫描(dynamic scan)软件：其工作方式是在选定了扫描的起始位置、终止位置、厚度、层距和其他一切必要的扫描技术参数后，整个扫描过程自动逐层进行。这一功能对病人注射对比剂后，需在限定时间内完成整个检查，是非常重要的。
(2)快速连续扫描(fast continue scan)软件：其功能是对某一感兴趣区域自动做多次快速扫描。它可以与心电图配合，用来研究心脏某一部位随时间变化的情况。
(3)定位扫描(scanogram or scout)软件：其功能是在所希望的角度上固定X线管和探测器，然后在病人检查床自动送入的同时进行曝光，得到所需的定位扫描像。
(4)目标扫描(object scan)软件：其功能是仅对感兴趣区域的层面进行高精度扫描，而对其它区域采取较大厚度、层距或间隔扫描。
(5)平滑过滤(smoothing cupping filtering)软件：其功能是使所有相邻的不同组织界面得到平滑过滤，产生平均CT值，有效地提高相邻区域间的对比。
(6)三维图像重建(three dimensional imaging reconstruction)软件：其功能是在薄层连续重叠扫描或螺旋扫描的基础上重建出三维立体图像。
(7)高分辨力CT(high resolution CT)软件：用于对肺部弥漫性间质病变和结带病变检查。
(8)定量骨密度测定软件：用于对骨矿物质的定量测定。
(9)氙气增强CT扫描软件：其功能是用氙气作增强剂来测量脑血流量。
二、图像显示与存储系统
图像显示和存储系统主要由接口电路、图像显示器、多幅相机或激光相机、硬盘、刻录光盘等组成。
(一)图像显示
由计算机系统输出的数字图像，可以通过D/A转换，将二维数字矩阵(数字图像)中的各像素CT值转换为相应的二维模拟矩阵(模拟图像)中的灰阶，通过黑白显示器或彩色显示器显示出来。小屏幕15英寸显示器多用512×512 (7~12bit)显示矩阵和256（27）~4096（212）级灰度标尺来显示。每个像素用16位显示图像，用8位显示游标、字符和覆盖层。目前，常用的大屏幕高分辨力显示器，多以1280×1024及更高的显示矩阵来显示。
(二)图像存储
图像存储分为软存储和硬存储两种。
1．软存储 是指将数字图像储存于磁盘、光盘、磁光盘、硬盘及PACS网络介质中。其优点是可随时调阅，可方便地进行图像处理和图像转换，减小图像丢失的可能性，缩小图像归档所占的空间。磁盘存储量相对较小，基本被淘汰。光盘以其容量大、存储方便快捷、价格低廉而广泛应用。硬盘兼有存储容量大和存储速度快而稳定的特点，是日前应用最普遍的图像存储器。PACS网络存储容量大且具有可拓展功能，已开始逐步应用于临床，但受医院条件限制发展较慢。随着MSCT的广泛应用，CT图像调阅形式的改变，应用PACS将势在必行。
2．硬存储 是指将数字图像硬拷贝到胶片上。因这些图像将作为诊断的依据，故要求密度分辨力好、空间分辨力高，以便观察组织密度的细微差异，清楚显示组织间的分界线。能满足这些要求的硬存储(胶片记录)装置有多幅相机、激光相机等，激光相机目前应用较多。
