二、当代CT技术的进展与挑战

（一）机架旋转速度

CT技术发展的一个最重要的指标是CT设备在单位时间内所能获得的信息量，它和两个因素有关：机架的旋转速度和每周所采集的层面数。最近一二十年，随着多层螺旋CT技术的进展，一方面我们看到CT设备的层数不断增加，而另一方面旋转速度也不断提高。单层CT时代，机架转速约0.8～1s；1998年出现的4层CT设备转速达到0.5～0.8s；而后16层CT设备转速提高到0.38～0.5s；64层CT设备转速进一步提高到0.33～0.42s；目前市售的CT设备可达0.27s，而报道中最快旋转速度达到0.2s。正是由于CT设备的层数和转速共同提高，使单位时间内采集的信息量呈指数级不断增长（图1-3）。

同时也是由于CT设备的采集速度发展，才进一步拓展了它的临床应用，包括目前常见的冠脉CTA，乃至本书介绍的各种联合检查项目。但是，扫描速度的提高也面临很多技术的难点与挑战。

1.重力加速度

机架转速的提高必然导致高速旋转下离心力的加大，这对机器负荷及其安全性都带来了很大的挑战。扫描架在高速旋转所产生的机架离心力将超过40～70g重力加速度，这对机架的安全性提出了巨大的挑战。为解决这一问题，传统的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，但是结构的宽度和厚度的增加也会增加重力加速度。所以，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。新的CT设备在材质上进行了革新，通过采用特殊材料来提高机架强度，并且在铸造中增加额外复杂的设计，进一步提高强度，保证高速旋转下的安全性。

2.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射线球管和检测器）不会在完美地平面上旋转。即使振动的振幅与纸片的厚度相近，也可能会导致图像质量的下降。为解决这一问题，需要对旋转机架进行特殊设计，将最大的两个部件——球管和检测器进行精确的配重，减小主轴承的负荷，确保部件在高速旋转下不会出现偏转和振动。

3.新型滑环设计

滑环（slip ring）是CT发展史上的一个里程碑，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”。但是，该结构由于存在着碳刷/银刷和黄铜环的物理接触，在长期使用的情况下，尤其是高速旋转时，会受到明显的磨损。对滑环技术的再一次革新，采用了无碳刷、非接触式设计，提高可靠性，并延长了系统正常运行的时间。

此外，机架转速的提高还会导致噪声的增加，对患者的舒适性也带来了挑战。为了解决这些问题，对机架进行全新设计，以支持更快的机架速度，在克服重力加速度、振动管理问题、减小噪声和降低设备维护成本方面表现优异。

（二）不同的管球与检测器设计

多层螺旋CT后，通过采集层面数和旋转速度来提高单位时间内采集信息量的同时，技术的发展还体现在对于扫描和检测方式的开发与革新，以提高检测速度和效率。在这方面不同厂商给出了不同的设计方向：其中GE和TOSHIBA公司采用16cm的宽体探测器设计，提高Z轴方向的检查效率，有效提高扫描速度和完成大范围覆盖；而SIEMENS公司采用双球管设计，PHILIPS公司则推出层叠排放的双层检测器设计，两者设计更侧重提高层面内的检测效率，并且不同电压的双管球和双层检测器设计更有利于进行能量成像。

1.宽体检测器设计

宽体检测器设计是最直接提高Z轴方向检测效率的方式，一次旋转可完成更大的扫描范围。它的主要优势是可以进行大范围的容积成像，获得同一时刻的强化特征；此外，还以轴扫方式完成临床大部分器官的成像，去除螺旋伪影的影响。目前，16cm设计可以覆盖大部分脏器（例如心脏、大脑、腹部单器官），带来很多临床收益，例如完成单心动周期内的心脏成像、全心灌注、全脑灌注、腹部单器官灌注、更快速的胸痛三联成像。

但是，宽体检测器系统本身也面临物理成像原理方面的重大挑战。宽体检测器设计需一个更大的锥形X线束角度（图1-4），这约为常规检测器的4倍，这种大锥角的X线会带来一系列挑战。

（1）散射线增加：

随着X线宽度的增加，会有更多的散射光子到达检测器，从而产生更多的噪声。评价散射线的指标是散射率（scatter primary ratio，SPR），它是指散射线与原射线的百分比。散射线比率与Z轴X线束的宽度基本呈线性正相关（图1-5）。除此以外，SPR还与组织厚度呈正相关，这样在肩膀和骨盆等高衰减部位，宽体检测器的散射线问题就更为明显，甚至会在图像中造成明显的伪影。

有两种方法可以解决散射线问题：通过硬件技术进行散射线的阻挡；通过软件方法进行散射校正。常用的硬件方法包括使用防散射的滤线栅（也称后准直器）。64排CT的X线锥形束夹角α较小（见图1-4），采用“一维后准直器”与相对简单的散射校正算法相结合，可以充分抑制散射线，将散射线比率控制在10%。宽体16cm检测器的锥形X线束夹角β较大（见图1-4），常规的“一维后准直器”只能将散射率（SPR）控制在30%左右。3D蜂巢准直器是在X/Y轴方向上加了一组滤线栅，用来阻挡Z轴方向的散射线，保证X线垂直进入每个检测器单元，散射率明显降低。

（2）足跟效应：

足跟效应（heel effect）是指远离球管阴极端出射的X线，相较于近球管阴极端出射的X线的逃逸距离长，X线硬化更明显，平均能量也更高（图1-6）。足跟效应在64排CT上不显著。但随着16cm宽体检测器的X线锥角增加，足跟效应显著增加，并引起X线频谱发生较大变化，导致整个Z轴覆盖范围的CT值发生显著偏移。

（3）Z轴信号盲区：

在轴位扫描中，由于宽体CT锥形束X线的发散角更大，边缘的某些体素在某些扫描角度中不能被锥形束X线束覆盖，检测器也无法获得相应的投影数据，这种现象就被称为Z轴信号盲区（图1-7）。

此外，由于锥形X线束发散角更大，数据采集中锥形束伪影也更加明显。这些是宽体检测器CT所面临的巨大挑战。

为了解决锥形束伪影等现象，新的16cm检测器采用了等焦点设计，使每一个检测器单元都和入射的X线方向垂直（图1-8），这从硬件设计的角度在最大限度地解决了锥形束现象，并且通过新的重建算法来解决足跟效应所致X线谱衰减不均匀所致的伪影，消除宽体检测器边缘图像中的锥形束伪影。

2.双管球与双层检测器设计

除宽体检测器设计外，SIEMENS公司采用双球管设计，PHILIPS公司则推出层叠排放的双层检测器设计，两者设计更侧重提高层面内的检测效率，并且不同电压的双管球和双层检测器设计更有利于进行能量成像。

双管球CT能够提高层面内的采集速度与效率，只需选择一个小的角度即可完成整个层面的信息采集（图1-9），但是需要注意的是由于设计原因，两个管球的视野大小并不相同，第二套检测器的视野要小一些；此外，双管球设计可以造成散射线增加、投影方向不一致所致的运动方向敏感性不同，这些也给图像带来一系列伪影和挑战。而双层检测器方式（图1-10），通过层叠排列的两次检测器，上层接受低能量X线信息，下层接受高能量的X线信息，它的最大优势是上下两层检测器的不同能量信息具有最佳的空间和时间一致性，能量成像有优势，但是对于采集速度的提高作用不大。当需要更高的扫描速度时，双管球与双层检测器设备多采用大螺距方式进行，这样会有部分数据丢失。

（三）能量成像

CT是通过测量物体对于X线的吸收来进行成像，而这种吸收是通过光电效应和康普顿散射两种物理过程来完成的。由于这种物理过程的存在，人们会观察到一些有趣的现象。首先，物质对X线吸收是随X线的能量而变化，这是因为光电效应和康普顿散射随X线能量变化；而且对于不同的物质，这种随能量变化的程度也不一样的。其次，任何物质都有对应的吸收曲线，它随能量的变化具有特征性。当人们对同一物体用两种不同能量的X线进行成像时，就可能确定一个吸收曲线，从而找出和这个吸收曲线所对应的物质。

而在实际临床工作中，组织成分很少由单纯的物质组成，能量成像中多采用水和碘作为基物质对进行处理分析（图1-11）。而对于一些特定的临床应用，也可以选择其他物质对作为基物质，可以更直观、精确地定量反映未知物的组织成分，实现多物质成分分析。

通过不同kV条件下的吸收特征的衰减信息，能量成像可以有不同的临床应用，例如：虚拟平扫，可以去除增强后图像中碘所致的衰减信息，而无须平扫检查；单能量CT图像，更精确地进行组织性质判断，能在特定增量段增大组织间的差别，显示轻微的强化，去除颅底或金属伪影。基物质图像根据不同的临床情况，也有不同的临床应用：水基图像可用于不同囊性病灶的成分分析；碘基图可以更好地反映增强后组织强化的程度；碘/钙基图像可用以区分高密度物质是来自于对比剂还是钙化；尿酸/钙基图像可用以泌尿系结石的成分分析，早期发现痛风结石的异常沉积。对于血管成像，既可以采用不同的能量减影进行血管成像，方便地去除骨质结构，也可以通过能量技术进行斑块和栓塞的成分分析；对于肿瘤成像，能量技术既可以进行肿瘤的成分分析，也可以进行淋巴结和转移灶的鉴别，从而进行更准确的分期判断。

CT能量技术使得CT从单一的结构性密度观察，深入到微观水平的物质成分的定性识别和定量分析，拓宽了CT临床应用的范围，也为疾病的判断提供了有价值的手段。

（四）迭代重建技术

CT图像重建算法主要包括解析法和迭代法。解析法以卷积反投影（filtered back projection，FBP）算法最为常用，该算法的优势重建速度快，成像质量较好，但是，它忽略了噪声的影响，图像容易产生伪影，并且不能处理采样不足的扫描。迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法，又称“逐步近似法”，它的基本原理是：首先对断层图像进行初步估计，在此基础上估算每个投影方向上检测器所获得的数据，即理论投影值，再将理论投影值与检测器实际采集的投影值进行比较，并返回更新和修正原始的估计数据；不断重复此过程，直至下一次迭代结果与实际测量值间小于允许的误差范围（图1-12）。

迭代重建算法适用于不同方式的采样数据，对不完全的数据也可进行图像重建，但是由于计算量大、重建速度慢，它的计算量是卷积反投影法的100～1000倍，从而影响了迭代算法的临床应用。近年来，随着计算机速度的提高，迭代重建的应用逐渐增多，它的主要优势体现在对噪声进行较强的抑制，从而使辐射剂量明显降低，已成为当前CT降低辐射剂量的重要方法（图1-13）。

此外，迭代重建算法本身也有进一步的算法改进与发展，算法模型中考虑更多的影响因素，建立了物理模型和系统光学模型，对体素、X射线光子初始位置和检测器几何因素等因素进行建模，真实地还原了X射线从投射到采集的全过程。

（五）智能辅助与剂量控制

随着设备和计算机及智能技术的发展，扫描过程中检查方案和参数的自动化选择与智能辅助控制也不断发展，例如：自动mA或智能mA技术，可以在个性化人体或器官中得以应用，通过管电流的调节来控制不同人群图像质量的一致性，并实现群体间的剂量优化。此时的图像质量更多的是考虑噪声因素，而图像质量还有一个非常重要的指标——对比度，对比度可以说和kV是密切相关的。kV与辐射剂量约成2.5次方的关系，因此降低kV可以比降低管电流，对于辐射剂量的影响更为明显。智能管电压选择技术可以依据患者体型大小和临床检查任务类别，自动选择最佳的kV水平，并自动对管电流、重建窗宽窗位等因素进行调整。通过智能辅助技术能在保证图像质量的基础上，个性化地降低检查的辐射剂量。智能控制的过程与原理大致如下：

1.根据定位像获得患者扫描部位的解剖结构特征

对于个性化扫描参数的设定和提高特定部位的图像质量，都需要确切了解检查部位的解剖结构特点，包括形状、大小和密度等信息，通过定位像中器官的X线吸收衰减规律获得相应信息是最为可行的技术。这种利用定位像来获取检查部位解剖信息，从而优化扫描参数的方法，可以在常规、能谱和冠脉扫描中发挥重要的作用。

2.基于图像质量需求的剂量决策系统

CT扫描参数设定应该在获取足够满足诊断的图像质量前提下尽可能使用低的射线剂量。更好的图像质量意味着优异图像的同时会增加患者的额外剂量损伤，而过低的图像质量则可能会导致误诊，甚至是检查失败。因此，如何确定合适的图像质量成为问题的关键。使用自动mA或智能mA技术时，因为mA和图像的噪声有关，所以图像质量更多依靠噪声来评估，而图像中噪声水平可以通过噪声指数的设定来实现。kV智能决策时，则会对图像中的噪声和对比度都会产生影响。低kV会改善图像的对比度，尤其是增强检查，低kV扫描会使得碘灌注区的亮度更高。通过智能辅助扫描参数控制，无论是固定mA还是固定噪声指数模式下，都能更好地实现剂量的优化，得到图像质量和剂量间的合理平衡。

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（尹建忠　沈 文）