第二篇　CT成像技术

CT是计算机体层摄影（Computed Tomography，CT）的简称。

CT发明的时间、地点、人物和奖项如下所述。

时间：1972年4月，亨斯菲尔德（Houndsfield）和安普鲁斯（Ambrose）一起，在英国放射学研究院年会上宣读了关于CT的第一篇论文。同年11月，在芝加哥北美放射年会（RSNA）上也宣读了他们的论文，向全世界宣布CT的诞生。

地点：英国EMI公司实验研究中心。

人物：CT的发明人是亨斯菲尔德教授（Godfrey.N.Hounsfield，1919年8月28日生于英国诺丁汉，2004年8月12日逝世）（图2-1-1）。

奖项：亨斯菲尔德于1972年获得了与工程学诺贝尔奖齐名的McRobert奖。1979年亨斯菲尔德和在塔夫茨大学从事CT图像重建研究工作的考迈克（Cormack）教授一起，获得了诺贝尔医学生理学奖。

1.CT主要用于医学影像学对疾病的诊断，另外，还用于工业、农业等方面。

2.在影像学的检查中，CT的检查几乎可包括人体的任何一个部位或器官。

3.CT检查由于密度分辨力高，可分辨人体组织内微小的差别，使影像诊断的范围大大扩展。

4.注射对比剂后，CT能分清血管的解剖结构，观察血管与病灶之间的关系，以及病灶部位的血供和血流动力学的变化。

5.CT也可作穿刺活检检查，其准确性优于常规X线透视或超声的定位穿刺。

6.CT还可帮助制订放射治疗计划和放疗效果评价。

7.CT还可作各种定量计算工作。如心脏冠状动脉钙化和椎体骨矿密度的测量。

8.CT的三维成像图像质量高，可协助临床的诊断和指导颌面部整形外科手术。

与普通X线的层面影像比较，CT得到的横断面图像层厚准确，无层面以外结构的干扰。

CT图像清晰，密度分辨力高。一般，CT的密度分辨力要比普通X线片摄影高约20倍。

CT密度分辨力较高的原因是：

●　CT的X射线束透过物体到达检测器经过严格的准直，散射线少；

●　CT机采用了高灵敏度的、高效率的接收介质；

●　CT利用计算机软件对灰阶的控制，可根据诊断需要，随意调节适合人眼视觉的观察范围。

CT能够准确地测量各组织的X射线吸收衰减值，通过各种计算，可作定量分析。

借助于计算机和某些图像处理软件，可作病灶的形状和结构分析。采用螺旋扫描方式，可获得高质量的三维图像和多平面的断面图像。

1.极限空间分辨力仍低于普通X线摄影。目前，中档的CT机其极限分辨力约10LP/cm，而目前高档的CT机其极限分辨力约为30LP/cm或以上。普通X线增感屏摄影的空间分辨力可达10～15LP/mm，无屏单面药膜胶片摄影，其极限分辨力最高可达30LP/mm以上。

2.CT的定位、定性诊断只能相对比较而言，其准确性受各种因素的影响。在定位方面，CT对于体内小于1cm的病灶，常常容易漏诊。在定性方面，也常受病变的部位、大小、性质、病程的长短、患者的体型和配合检查等诸多因素的影响。

3.CT的图像基本上只反映了解剖学方面的情况，较少有脏器功能和生化方面的信息。

20世纪80年代末螺旋CT发明之前，CT的发展通常以代称呼（图2-1-2、图2-1-3），而螺旋CT出现后，CT的改进和发展则不再以代称呼。以下是各代CT和螺旋CT的基本特点概述（表2-1-1）。

第一代CT机为旋转-平移扫描方式，多属头颅专用机。X射线管是油冷固定阳极，扫描X射线束为笔形束，探测器一般是二到三个。扫描时，机架环绕患者作旋转和同步直线平移运动，X射线管每次旋转1°，同时沿旋转反方向作直线运动扫描。下一次扫描，再旋转1°并重复前述扫描动作，直至完成180°以内的180个平行投影值。这种CT机结构的缺点是射线利用率很低，扫描时间长，一个断面需3～5分钟。

第二代CT机仍为旋转-平移扫描方式。扫描X射线束改为5°～20°的小扇形束，探测器增加到3～30个，平移扫描后的旋转角度由1°提高到扇形射线束夹角的度数，扫描的时间缩短到20～90秒。另外，第二代CT缩小了探测器的孔径、加大了矩阵和提高了采样的精确性等，改善了图像质量。这种扫描方式的主要缺点是：由于探测器排列成直线，对于扇形的射线束而言，其中心和边缘部分的测量值不相等，需要作扫描后的校正，以避免伪影的出现而影响图像的质量。

第三代CT机改变了扫描方式，为旋转-旋转方式。X射线束是30°～45°宽扇形束，探测器数目增加到300～800个，扫描时间缩短到2～9秒或更短。探测器阵列排列成彼此无空隙的弧形，数据的采集以X线管为焦点，随着X线管的旋转得到不同方位的投影，由于排列方式使扇形束的中心和边缘与探测器的距离相等，无需作距离测量差的校正。该扫描方式的缺点是：扫描时需要对每一个相邻探测器的灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转的扫描运动会产生环形伪影。

第四代CT机的扫描方式只有X线管的旋转。X射线束的扇形角达50°～90°，因此也减少了X线管的负载，使扫描速度可达1～5秒。探测器更多达600～1500个，全部分布在360°的圆周上。扫描时，没有探测器运动，只有X线管围绕患者作360°的旋转。与第三代CT机扫描不同，在第四代扫描方式中，对于每一个探测器来说所得的投影值，相当于以该探测器为焦点，由X射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。

第五代CT机又称电子束CT，它的结构明显不同于前几代CT机。它由一个电子束X射线管、一组由864个固定探测器阵列和一个采样、整理、数据显示的计算机系统构成。最大的差别是X射线发射部分，包括一个电子枪、偏转线圈和处于真空中的半圆形钨靶。扫描时，电子束沿X射线管轴向加速，电磁线圈将电子束聚焦，并利用磁场使电子束瞬时偏转，分别轰击四个钨靶。扫描时间为30ms、50ms和100ms。由于探测器是排成两排216°的环形，一次扫描可得两层图像；还由于一次扫描分别轰击四个靶面，故总计一次扫描可得八个层面。

螺旋CT机改变了以往的扫描方式，扫描机架是连续、单向的旋转（图2-1-4）。射线束仍为大扇束。单层螺旋CT的螺旋扫描时间通常是1秒，而多层螺旋扫描的目前最短时间为0.27秒。单层螺旋CT的探测器数目与第三代CT机相比没有数量的增加和材料的改变，但是多层螺旋CT的探测器不仅在数量上有较大的增加，而且改用了超高速的稀土陶瓷，使射线的利用率大大提高，从原来的50%左右上升到99%。射线束角度没有什么大的改变，同以往的非螺旋CT扫描机。扫描层次在单层螺旋机中仍为每次一层，在多层螺旋机中一次旋转可达4层、8层、16层、64层甚至更多，结合层厚、扫描通道的组合运用，已可满足动态器官心脏等成像的需要。单层螺旋CT只是提高了连续扫描的能力，而多层螺旋CT不仅扫描速度快、覆盖范围大，而且几乎能进行人体所有器官的扫描检查。

●　1983年，美国Douglas boyd博士开发出超高速扫描的第五代CT——电子束CT（Electron Beam CT，EBCT）并应用于临床。用电子束的扫描替代了机械运动扫描，使扫描速度提高到毫秒级，使心脏、大血管及冠状动脉疾病的影像检查成为现实。

●　1985年，滑环技术应用于CT设备，使CT的扫描实现了单方向连续旋转扫描。

●　1989年，在滑环技术的基础上螺旋扫描方式问世，缩短了患者检查时间，而且使各种三维后处理图像（如CT血管造影、仿真内镜技术等）更为精确。

●　1992年，Elscint公司研制成功双层螺旋CT（CT Twin），开创了多层螺旋扫描的先河。

●　1998年，Philips、Siemens、GE、Toshiba四家公司同时推出多层（4层）螺旋CT，扫描速度提高到每一次旋转0.5秒。

●　2001年，16层螺旋CT研制成功，扫描1周能同时获得16幅0.75mm层厚的图像。

●　2003年，64层螺旋CT在北美放射学年会上正式发布和投入临床使用。

●　2005年，西门子推出首台双源和双探测器系统的CT扫描仪。

●　2007年，东芝、飞利浦和西门子公司在北美放射年会上分别同时推出320、256和128层多层螺旋CT扫描仪，东芝320后又升级为640层。

●　2008年，GE在北美放射年会上首先推出了能谱CT，利用单能谱射线，使CT能涉及功能成像的领域。

●　2010年，GE和西门子推出了图像迭代重建方法，利用改进后的迭代重建算法，使CT扫描的辐射剂量得到进一步的降低。

由于近10多年来CT技术的飞速发展，使CT不管从检查方法还是诊断模式都发生了巨大的改变。具体表现有以下几个方面：

1.CT的扫描速度在非螺旋CT时最短是周/1s。单层螺旋CT的层/秒时间虽未缩短，但由于扫描方式的改变，缩短了扫描周期，使单位时间内的患者检查数量提高。

2.至4层螺旋CT，扫描时间缩短到周/0.5s，其单位扫描时间的图像获得率又有所提高。16层CT的扫描时间则缩短为周/0.42s。而目前的64层以上CT的扫描时间更是缩短到了周/0.27s。

3.由于层/秒的扫描时间缩短，使CT能做一些运动器官的检查，如4层以上CT的心脏检查。一次旋转图像获得率增加，更使CT的检查范围扩大，如大面积创伤患者，可以在短时间内获得从胸腔至盆腔大范围扫描。

4.另外，扫描速度提高，也改变了某些部位、器官的检查方法，如肝脏增强CT扫描，现在的多层螺旋CT扫描，一次检查可以做肝脏的三个期甚至四期的扫描，使影像检查对某些疾病的诊断准确性又提高了一步。

5.8层、16层或64层甚至256层CT由于扫描层厚更薄，一次旋转获得的层厚总数大大增加。因而一个部位或器官的检查往往可获数百甚至上千层图像。因为图像数量急剧增加，产生了一种新的诊断模式——CT图像后处理诊断模式。

6.高档CT利用灌注和能谱技术，可对人体的某些脏器进行功能成像，使CT跨入了功能成像时代。

1.目前4层螺旋扫描的横向分辨力已达到0.5mm，纵向分辨力达到了1.0mm；16层螺旋CT的横向分辨力也是0.5mm，纵向分辨力达到了0.6mm，基本达到了各向同性；而新近推出的64层以上螺旋CT的横向和纵向分辨力分别达到了0.3mm和0.4mm。

2.CT计算机图像处理的速度越来越快。目前16层CT横断面的图像重建可达6幅/秒，64层以上CT可达60幅/秒，迭代重建的速度也达到了20幅/秒以上。

3.由于CT的扫描层厚更薄以及纵向分辨力的改善，使后处理各种方法图像的质量更高，其中多平面重组已可作为横断面图像的补充，甚至可完全替代横断面的图像。

4.计算机软、硬件技术的发展和普及，对CT图像后处理技术的发展起了推波助澜的作用。

5.以前CT横断面CT图像的阅读和诊断只掌握在小部分影像诊断医师手中，其他临床各科的医师绝大部分无法读懂。扫描层厚更薄、图像质量的改善和成像模式的改变推动了图像后处理技术的发展。