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第一篇 总 论
第1章 CT技术概述
CT是计算机断层摄影技术（computed tomography，CT）的简称，是医学影像领域最早使用数字化成像的设备，1972年世界首台CT由亨斯菲尔德教授（Hounsfield）发明，其图像基本特征可用“数字化”和“容积信息”两个特点概括。
一、CT机基本结构
（一）X线发生装置 1.高压发生器
第一、二代CT采用三相连续式油浸发生器，第三代CT采用三项脉冲式高压发生器，20世纪80年代以后的CT采用高频固态发生器，其性能更加优秀，电压波动小于1%。
2. X线球管
第一、二代CT采用固定阳极管，第三代以后CT采用旋转阳极管，现在螺旋CT采用大功率射线管，阳极靶由金属改为石墨。
3.准直器
准直器共有两组，可以分为X线球管端准直器（主要控制患者的辐射剂量）和探测器端准直器（主要控制扫描准直层厚）。
（二）X线探测器装置
X线探测器装置由X线探测器和数据采集系统两部分组成。
1. X线探测器
探测器的作用是接受X线辐射并将其转换为可供记录的电信号，第一代探测器为碘化钠和光电倍增管耦合的固体探测器，第二代探测器被固态的光两极管闪烁晶体和锗酸铋、钨酸镉等取代，第三代采用高压氙气做成气体探测器。现在的探测器都采用固体探测器，其构成都是以稀土陶瓷为载体加入不同其他材料制成。
2.数据采集系统（data acquisition system，DAS）
主要由模数转换器、信号放大器和数据传送器等组成。
（三）机架运动装置 1.扫描机架
内部安装滑环、X线管、高压发生器、准直器、X线探测器装置等，机架扫描孔径、倾斜角度、旋转速度等指标在应用中较为重要。早期采用皮带机械传动方式，现代采用新型电磁驱动或称作直接驱动技术，支撑旋转单元也由轴承发展到气垫、磁悬浮等方式，提高了旋转速度，降低了机械噪声。
2.扫描床
承重、床面材质对X线穿透力的影响、上下以及纵向移动范围和精度等指标在应用中较为重要。
（四）计算机系统
其作用为接收数据采集系统的数字信号，然后将接收的数据处理重建成可视的图像，主要包括：①输入输出设备；②中央处理器（CPU）；③阵列处理器；④接口装置；⑤反投影处理器；⑥存储设备；⑦通讯设备。
（五）图像显示及存储装置 1.显示器
早期采用阴极射线管（CRT）显示器，现在采用液晶显示器。
2.存储器
包括硬盘、光盘、磁光盘等。
二、CT成像基本步骤
1.患者被送入机架后，X线球管和探测器围绕患者旋转，X线球管发出的高能X线经由球管端的准直器高度准直后，穿过人体需要成像部位。
2. X线被人体衰减后，经探测器端的准直器高度准直，被探测器接收。探测器阵列由两部分组成，一组记录射线源的强度，另一组记录衰减后射线的强度。
3.两组射线被转换成电信号，电信号首先经放大电路放大，之后再由逻辑放大电路根据衰减系数和体厚指数进行计算放大。
4.模拟信号经模数转换器转换成数字信号，再经数据传输器传送给计算机。
5.计算机处理数据，数据处理包括校正和检验，校正是去除探测器收到的位于预定标准偏差以外的数据，检验是将探测器接收到的空气参考信号和衰减信号进行比较，这两个过程是利用计算机重新组合原始数据。
6.通过阵列处理器的各种校正后，计算机进行成像的卷积处理。
7.根据扫描获得的解剖结构数据，计算机采用特殊算法重建图像。
8.重建处理后的图像经数模转换器转换成模拟图像，进而传输到显示器显示，或传输到硬盘暂时存储，或传输到激光相机制成胶片。
三、CT的基本概念和术语
（一）CT值
CT值是由CT发明人亨斯菲尔德创建设定的、专用于CT的计量单位，在实际应用中该值是以水的衰减系数作为参考的相对值。
CT值得计算公式如下：
CT值= K×（μ组织-μ水）/μ水
式中μ 组织是组织的吸收系数，μ 水是水的吸收系数，K是常数。早期K值是500，后为便于计算将K值定为1000，并将水的吸收系数作为参考值，在实际应用中水的CT值为0。
（二）CT窗口技术
CT扫描图像的形成是X线透过人体后的衰减，是由许多像素组成的数字矩阵，其数字矩阵中的每一个像素都可由相应的CT值表示，而像素由成像介质显示后又以灰阶形式表示，因而CT图像的每一个像素在扫描中可被看作由不同衰减的CT值组成，而在图像的显示时则显示为由一组灰阶组成。目前，CT数字图像的灰阶大都为12个比特，即CT值范围从-1024Hu至3071Hu，无论是视频监视器还是胶片都无法在一幅图像上同时记录全部灰阶，为满足临床诊断要求，临床应用中采用特殊技术在限定范围内显示诊断所需感兴趣区信息，该技术被称之为数字图像中的窗口技术或窗宽、窗位调节技术。一般情况下，窗宽增大图像对比度降低，而窗宽减小图像对比度增高，宽窗宽（400～2000Hu）通常适用于组织密度差别较大的组织，如肺、骨骼；窄窗宽（50～350Hu）用来区分组织密度较为接近的组织，如颅脑、肝脏。根据窗宽和窗位的设计概念，我们可以计算出设定好窗宽、窗位的CT图像显示的CT值范围，具体方法是将窗位±窗宽之后除以2，用公式表示如下：
C - W/2～C + W/2
式中C代表窗位，W代表窗宽。
（三）体素与像素
体素是体积单位，表示能被CT扫描的最小体积单位，长、宽、高是其三要素。像素又称像元，是构成CT图像的最小单位。它与体素相对应，体素的大小在CT图像上的表现即为像素。
（四）采集矩阵与显示矩阵
矩阵是像素以二维方式排列的阵列，在相同大小的扫描野中，矩阵越大像素也就越多，重建后图像质量越高。
CT图像重建后用于显示的矩阵成为显示矩阵，为保证图像显示质量，显示矩阵往往是等于或大于采集矩阵。
（五）重建与重组
原始扫描数据经计算机采用特定的算法处理，最后得到能用于诊断的横断面CT图像，该处理过程被称为重建或图像重建。
重组是使用横断面图像获得任意方向断层图像的技术手段，并不涉及原始数据处理过程。由于重组是使用已形成的横断面图像，因此重组图像的质量与已形成的横断面图像有密切的关系，尤其是层厚影响尤为明显，扫描的层厚越薄，重组图像质量越好。
（六）准直宽度、层厚与有效层厚
准直宽度是指CT机球管侧和患者侧所采用准直器的宽度，在非螺旋和单层螺旋CT设备中，准直器宽度等于扫描层厚。
有效层厚指实际获得的扫描层厚，由于设备制造的精确性原因，设备制造厂家无法做到1mm甚至0. 5mm等最小标称层厚，其误差范围大约在10%～50%，层厚越小，误差越大。
（七）螺距
单层螺旋CT螺距定义：扫描机架旋转一周检查床运行的距离与射线束宽度（也可以说成扫描层厚）的比值。该比值是指扫描机架旋转一周检查床运动的这段时间内运动和层面曝光的百分比，在单层螺旋CT扫描中，检查床运行方向扫描的覆盖率或图像的纵向分辨力与螺距有关，螺距越小图像纵向分辨力越高。
多层螺旋CT螺距的定义基本与单层螺旋CT螺距相同，即：扫描机架旋转一周的时间内检查床运行的距离与全部射线束宽度的比值。
（八）床速和重建间距（或重建增量）
床速是扫描时检查床移动的速度，扫描时床移动的速度增加而射线束宽度设置不变，则螺距的比值增加、图像质量下降。
重建增量又称为重建间距，是指被重建图像长轴方向的间距，重建增量大小与被重建图像的质量成负相关，即重建增量减小图像的质量改善，重叠重建可减少部分容积效应和改善3D后处理的图像质量。
（九）部分容积效应
CT图像中的每一个像素的CT值代表相对应体素内不同组织成分X线衰减值的平均值，它不能如实反映该体素内组织固有的CT值，在病变体积小于层厚的情况下，高密度组织的低密度病灶所测得的CT值偏高，反之，在低密度组织中的高密度病灶，实际测得的CT值偏低，这种现象称为部分容积效应。
在CT中，部分容积效应主要有两种现象：部分容积均化和部分容积伪影。
（十）周围间隙现象
当两个具有密度差异的组织的分界部分处于同一扫描层面时，即同一层厚内Z轴方向上同时包含这两种组织时，CT图像上显示的这两种组织的交界处的CT值会失真，两种组织分界处的界限会变得模糊不清，这种由于X线衰减差异引起的图像失真和CT值改变称为周围间隙现象。
（十一）单扇区和多扇区重建
单扇区和多扇区重建是冠状动脉CT检查的专用术语。当冠状动脉CT图像的重建采用180°或240°的扫描数据时，称为单扇区重建；当采用不同心动周期、相同相位两个90° 或120°的扫描数据合并并重建为一幅图像时称为双扇区重建；采用不同心动周期、相同相位的4个60°扫描数据合并重建为一幅图像称为多扇区重建。
四、CT技术的发展历史
（一）各时代CT的结构特点 1.第一代CT为旋转-平移方式
X线管是油冷式固定阳极管，X线束为笔形束，探测器一般2～3个。扫描时机架围绕头颅旋转1°同时沿反方向做直线运动扫描；再旋转1°并重复前述扫描动作，直至完成180°扫描。缺点是X线利用率很低，扫描时间长，一个断面需3～5分钟。
2.第二代CT为旋转-平移方式
多属头颅专用机，探测器由1个增加为3～30个，X线束从第一代的笔形束变为5°～20°小扇形束，扫描速度20～90秒，旋转角度由1°提高到射线束夹角的度数，机架和球管运动方式不变。
3.第三代CT为旋转-旋转方式
X线束为30°～40°扇形，探测器增加到300～800个，探测器阵列排列成无缝隙的弧形，扫描时，机架连续旋转270°～360°，一次扫描即可获得整个层面的数据、完成一幅图像的采集，然后反向旋转同样角度回到原始位置，再继续进行下一幅图像的采集，扫描速度2～9秒，使CT从头颅专用机发展为全身检查设备。
4.第四代CT为旋转-静止方式
X线束为50°～90°扇形，探测器增加到600～1500个，探测器围绕人体呈360°环形排列，扫描时没有探测器运动，只有X线管围绕人体做360°旋转，这种扫描方式对每一个探测器来说所得投影值，相当于以该探测器为焦点，由X线管旋转扫描一个扇形面而获得，故此种扫描方式也被称为反扇束扫描。
5.第五代CT为静止-静止方式
第五代CT又被称为“电子束CT”或“电影CT”，其扫描过程中完全没有机械运动，电子束在电磁场的控制下从不同方向轰击围绕患者的靶环并产生X线。扫描速度极快，216°的扫描可以在50～100ms内完成。第五代CT具有双排环形探测器，每次轰击可获得2幅图像，在扫描时电子束分别轰击四个靶面，故一次扫描可完成8幅图像的采集，非常适用于心血管等运动器官的检查。
（二）专用型CT简介 1. CT透视扫描仪
该种CT采用滑环结构，可以高速连续扫描、快速图像重建和显示，主要由于活检穿刺，每秒能获得5～8幅图像。在第一次扫描旋转360°后，计算机重建第一幅图像，以后每连续扫描60°的图像数据替代前一幅图像同一位置60°内的原扫描数据重建一幅图像，周而复始循环，所以在CT透视方式中，只有第一幅图像采用一次360°扫数据，而以后的图像只采用60°的新扫描数据和300°原有扫描数据。
2.移动式CT（mobile CT，MCT）
移动式CT有三种类型。
（1）轮式机架MCT：
CT全部部件利用安装好的滑轮移动，检查床固定好后，机架还可以纵向平移，能适应不能移动患者头部检查的需要。检查采用单相交流电，适用任何墙壁上的电源，断电后可利用自带UPS继续扫描。
（2）滑轨式机架MCT：
CT利用机架底部安装的滑轮在固定的滑轨上滑动，移动距离较短，适用于手术室、加速器室等基本固定空间。
（3）C形臂术中CT：
该设备有异于传统意义上的CT，实际应该命名为移动式三维影像X线诊断系统，是一台重新设计、安装在移动式C臂基础上的、在手术过程中可以实时获得CT影像的设备。
3.微型CT扫描仪（micro-CT）
又称动物CT，主要用于实验室以及骨质疏松症的实验研究。分为活体型和标本型两个类型。
（1）活体型：
样品静止，X线球管和探测器运动，这种结构和临床螺旋CT一致，球管绕样品旋转。扫描速度快，射线剂量小，空间分辨率较低。
（2）标本型：
样品运动，X线球管和探测器固定，样品在球管和探测器之间自旋，并可做上下和前后移动。扫描速度较慢，射线剂量大，空间分辨率高。
（徐永彦 李旭文）