CT技术发展前沿

[摘要]  20世纪70年代医学成像技术进人了飞速发展的时期。各种新技术相继被应用到医学成像系统中，这些不同的成像方式所提供的人体结构或生理参数的图像为提高临床诊断与治疗的有效性发挥了极大的作用。发展起来的CT成像技术，曾给医学影像学带来一场深刻的而医学成像设备已成为现代化医院的一个重要的标志。CT（computed tomography）成像技术包括：数据采集技术、图像重建技术、重建图像后处理技术；其主要特点是利用X射线管绕人体的某一个层面扫描，探测器测得该层面各个点吸收X射线的数据，利用计算机的高速运算和图像重建原理，获得该层面的图像，利用CT值可以测量人体组织密度。经过不断地改进、完善、更新和发展，CT成像技术现已经成为临床诊断疾病的重要手段。随着科学技术进步，CT新技术新应用层出不穷，本文着手于近几年国内外的公开文献，对CT成像技术行展开讨论。

一 CT的发展状况

CT成像技术的发展主要从非螺旋CT向螺旋CT发展，单层CT向多层CT发展，单源螺旋CT向双源螺旋CT发展。此外，CT的发展还包括探测器，球管、扫描方式、采样重建系统、反投影重建算法的不断改进及发展。计算机的性能提升及快速发展也给CT的图像后处理技术带来突飞猛进的发展，为临床诊断带来立体诊断模式，使得CT的临床应用有了进一步的突破，把医学影像学的推向一个更广阔的发展空间。

表一 CT成像技术与普通X射线成像技术比较

1.1 非螺旋CT的各代X-CT的扫描方式及其优缺点

X-CT自问世以来，在二十多年的发展中，X-CT的扫描方式经历了几代更新，如表二所示：

表二 各代X-CT扫描仪比较

螺旋CT扫描主要具有以下优点：（1）螺旋CT连续扫描的能力，使得整个器官或一个部位可以在一次屏气中完成扫描，从而避免漏扫或重扫。（2）由于没有层与层面之间的停顿，使得一次扫描检查的时间明显缩短，有益于危重病人和不配合病人的检查。（3）对于肺脏、肝脏等受呼吸影响的脏器，由于在屏气情况下一次完成扫描，可以避免小病灶的遗漏。（4）病人运动形成的伪影，由于扫描速度的提高而得以减少或避免。（5）可进行任意回顾性重建，没有层面间隔大小和重建次数的。（6）单位时间内扫描速度的提高，使CT增强扫描时对比剂的利用率提高和增强效果改善。（7）由于螺旋CT扫描得到的是容积扫描数据，因此使得多平面和三维重建图像的质量有了明显改善。

1.2.1非螺旋CT与螺旋CT扫描方式的比较

 螺旋CT扫描采用的滑环技术，去除了X线球管与机架之间的电缆连接的束缚，使得球管、探测器系统可以单向连续旋转，每旋转360°的扫描时间可以缩短到1秒或亚秒，明显提高了扫描速度和检查效率。更主要的是在连续扫描的同时，检查床也单向匀速移动，使得整个扫描的轨迹类似螺旋管，它所采集的数据是某一检查器官或部位连续的扫描数据，即容积数据，因此也称这种扫描方式为容积扫描。

与非螺旋CT扫描比较，

螺旋CT扫描也存在一定的不足，主要包括：（1）由于扫描时检查床的运动产生一定的伪影，在Z轴上的空间分辨率有所降低。（2）螺旋CT扫描图像的噪声较传统CT有所增高（内插法的一个缺陷就是使噪声增加）。（3）螺旋CT图像处理的时间较长，并需要计算机大容量的存储能力和运算能力。（4）螺旋CT仍受到最大扫描容积的。

1.3 多排螺旋CT

1.3.1多排螺旋CT与单螺旋CT的比较

多排螺旋CT和单螺旋CT的主要区别是探测器的结构不同。如前所述，单层螺旋CT的层厚由准直器决定，而多层螺旋CT的层厚由探测器的宽度及其组合而决定。在非螺旋CT扫描中，X射线束完全是一个垂直的平面，图像的重建过程可以直接采用投影的数据，不需要做任何的修正；多层螺旋CT（尤其是4排以上者）由于探测器排数的增宽，使得X射线呈锥形束，在扫描过程中，X线球管在X、Y平面上运行，而病人是在Z轴方向上移动，两者的同时运动所采集到的数据实际上是一个螺旋状的扫描数据段，对于横断面图像重建来说，不能直接采用某一个断面的投影数据，必须先采集重建层面邻近数据的内插，然后才能按照非螺旋CT扫描图像重建的方法重建出横断面图像。多排螺旋CT具有以下优点。

（1）提高扫描速度

多层螺旋CT扫描架旋转一周可以扫描多层，旋转速度比单层螺旋CT快1倍，同时螺距为单层螺旋CT的4~8倍，相同的扫描时间内可获得范围更长或范围相同但层面更薄的容积数据，有助于重建出高质量的横断图像和三维图像。另外，扫描时获取的具有高的纵向分辨率的容积数据，有助于减少部分容积效应，从而提高了图像的质量。

（2）提高图像的空间分辨率  

    由于多层螺旋CT的扫描速度提高，在相同的扫描时间内可获得范围更长或范围相同但层面更薄的容积数据，有助于重建出高质量的横断图像和三维图像。

（3）CT透视的定位更准确

单层螺旋CT使用CT仅能获得一层的透视图像，在做CT引导下的穿剌活检时仅可以实时显示针尖的位置，而多层螺旋CT可以同时进行多层透视，应用实时重建功能可以同时显示3个层面的3幅透视图像，CT引导穿剌活检时，不仅可准确定位穿刺针尖的位置，还可以显示进针的方向。这说明应用多层螺旋CT可提高CT透视的纵向分辨率，使CT透视引导穿刺的定位更准确。

（4）提高X线的利用率

在X线带宽相同的条件下，多层螺旋CT的X线束在纵向上的厚度是单层螺旋CT的4~8倍，这表明在单层螺旋CT中纵向上扫描层面两侧被浪费的X线在多层螺旋CT被用来采集数据，极大地提高了X线的利用率，同时减少了X线球管的负荷，降低了X线球管的损耗，在几乎不需要等待X线球管冷却的情况下就可进行较长时间的连续螺旋扫描。另外，与单层螺旋CT比较，获得同样质量的影像图像，多层螺旋CT的X线曝光量可以减少约40%。

二 CT成像原理

CT机的基本结构包括：扫描装置(扫描机架和扫描床)、计算机系统（扫描数据处理和图像重建）、图像显示及记录。如图一所示：

人体各种组织（包括正常和异常组织）对Ｘ线的吸收不等。ＣＴ利用这一特性，选定人体某一体层并将其分成N×N个体素。利用高度准直X线束环绕人体某一部位,对选定的的体层进行断层扫描，部分X线光子被组织器官吸收,X线强度因而衰减,未被吸收的X线光子穿透人体后,由探测器接收, 为该方向所有体素X线衰减值的总和。然后X线球管转动一定角度，再沿另一方向发出X线束，则在其对面的探测器可测得沿第2次照射方向所有体素X线衰减值的总和；以同样方法反复多次在不同方向对组织的选定层面进行X线扫描，即可得到若干个X线衰减值总和。将其转变为可见光后,经放大由光电转换器转变为电信号,再经模拟/数字转换器转为数字信号,输入计算机进行运算处理.在上述过程中，每扫描一次，即可得一方程。该方程中X线衰减总量为已知值，而形成该总量的各体素X线衰减值是未知值。经过若干次扫描，即可得一联立方程，经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可解出这一联立方程，从而求出每个体素的X线吸收系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵（digital matrix），数字矩阵经过数字/模拟转换器（D/A）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，使各体素不同的衰减值形成相应各像素的不同灰度，各像素所形成的矩阵图像即为该层面不同密度组织的黑白图像，即像素（pixel）。

三 CT的图像重建技术的发展及临床应用

CT除了从非螺旋CT向螺旋CT发展，单层CT向多层CT发展，单源螺旋CT向双源螺旋CT发展外。CT的发展还包括扫描方式、采样重建系统、反投影重建算法的不断改进及发展，为临床诊断带来立体诊断模式，使得CT的临床应用有了进一步的突破。

3.1 CT的图像重建技术

虽然第一台CT 扫描装置用的是代数迭代重建技术（ART），但FBP（滤波反投影） 算法很快就成为CT重建的金标准。 几年以后， 统计迭代重建成功地引入到发射断层成像,这是由于根据低信噪比 （SNR）的发射数据集利用FBP 重建得到的图像质量极差。1984年提出了一种将ART的差异同时更新的算法—同时迭代重建法。 过去十年间由于计算能力的不断增强， 统计迭代重建已成为CT的研究热点， 其重点是研究噪声消除、 伪影抑制以及双能与能(量)敏(感)成像。

（1）解析重建算法

关键在于选择一个适当的权函数。 不同的权重对图像的噪声分布会有完全不同的影响。 根据特定的临床应用， 理想的图像噪声分布可以是均匀的，也可以是在感兴趣区 （ROI） 内噪声最小， 而在区外允许噪声大一点。 换句话说,理想的精确锥束重建公式。

（2）迭代重建

在某些重要场合， 当数据不完全、 不一致或有噪声时， 迭代重建相对于解析重建有明显的优势。对图像噪声和空间分辨率同一些参数 （位置、 对比度以及测量统计法） 之间的详细定量分析表明，统计迭代重建有潜力提高重建图像的信息量。近年统计迭代重建的进展，有望使图像质量有很大的提高。因此我们预测计算方法与硬件的快速发展将使解析重建向统计重建转移或者至少说导致解析法与迭代法的融合。

（3） 局部CT重建

  根据最小数据集对感兴趣区进行重建的研究，这可追溯到半扫描扇束重建。 该法的好处是数据获取时间短、 辐射剂量小， 成像的灵活性大。近期最重要的研究成果当推卡茨维奇2002年的工作。它阐明了根据沿PI （π）-线螺旋扫描轨线采集的纵向截断数据在长物体内进行精确区域重建的可能性。随后派生的反投影滤波， 以及对任意扫描情况的推广 ， 极大地丰富了局部CT 理论。 

（4）多平面重建（multi-planner reconstruction，MPR）是指在任意平面对螺旋CT扫描的容积资料进行多个平面分层重组，形成冠状、矢状、斜面及曲面等任意平面的图像。多平面重建方法适用于全身各个部位 。

（5）三维重建（3-dimensional reconstruction）是将螺旋CT扫描的容积数据在工作站3D重建软件的支持下合成三维图像，并可进行360°实时旋转，以便从不同的角度观察病灶。主要应用于颅面部及骨骼系统，以观察颅底骨质、颌面部、脊柱小关节、复合关节、骨盆等部位的骨折或畸形。 

3.2 CT在临床中的应用

（1）CT血管造影（CT angiography，CTA）是指静脉注射对比剂后，在循环血液中及靶血管内对比剂浓度达到最高峰的时间内，进行螺旋CT容积扫描，经过计算机软件最终重建出靶血管数字化的立体影像。

（2）CT仿真内窥镜技术（CT virtural endoscopy，CTVE）是螺旋CT容积扫描和计算机仿真技术相结合的产物，它是利用计算机相应的软件功能，将CT容积扫描获得的图像数据进行后处理，重建出空腔器官表观立体的图像，类似纤维内窥镜所见。

（3）最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）是将经线所通过的螺旋CT扫描容积组织或物体中的每个像素的最大强度值进行投影，反映的是组织结构密度的差异，故对比度很高。

（4）最小密度投影（minimum intensity projection，MinIP）是利用螺旋CT容积数据中在视线方向上密度最小的像元值进行投影成像的技术。该技术方法主要应用于气道的显示，如气管支气管、喉部等，有时也用于肝脏增强后肝内扩张胆管的显示。

（5）表面遮盖显示技术（shaded surface display，SSD），按照表面数学模式进行处理，将超过预设的CT阈值的相邻像素连接而重组成图像。该技术主要应用于骨骼系统，如颅面部、骨盆和脊柱等解剖结构复杂的部位，其空间立体感较强，解剖关系清晰，有利于病灶的定位。

3.3 CT在的临床应用价值：

1）中枢神经系统疾病的螺旋CT诊断价值很高，其应用最早，也最普遍，如颅脑肿瘤、脑外伤、脑梗死及脑出血以及椎管内肿瘤和椎间盘突出等的诊断均有很高的价值。

2）对头颈部疾病的CT诊断也很有价值，如眼眶肿瘤、鼻窦疾病、中耳及乳突疾病等。

3）胸部由于具有优良的天然对比，螺旋CT诊断的价值日益显出优越性，尤其是HRCT的应用，   对于早期肺肿瘤、肺小结节病变以及肺间质病变与肺功能的评价均有很大的诊断价值，有成为肺脏疾病常规影像检查的趋势。

4）腹部及盆腔疾病的CT诊断也应用日益广泛，主要应用于肝脏、胆道、胰腺、脾脏、腹腔与腹膜后腔以及泌尿和生殖系统疾病的诊断；但螺旋CT技术在胃肠道等管腔脏器疾病的检查中，尤其是对早期病变的显示和诊断还有一定的限度。

5）骨骼肌肉系统疾病多通过X线检查即可以明确诊断，CT应用相对较少，但对于肿瘤病变的观察和解剖结构复杂部位骨折的显示可以选择应用CT检查。

6）CT检查是属于有一定X射线辐射的技术方法，在临床应用中应掌握防护的原则，如时间防护、距离防护及屏蔽防护等。

四 CT技术的展望

医学成像系统将向着从模拟图像到数字图像、从平面图像到立体图像、从局部图像到整体图像、从宏观图像到微观图像、从静态图像到动态图像、从形态图像到功能图像、从单一图像到综合图像等方向发展。即是要获得多时相（动态）图像、图像、多参数图像、多模式图像，以供临床多种诊断指标（包括病灶检测、定性、脏器功能评估、血流估计等）、治疗（包括三维定位、体积计算、外科手术规划等）的多种参考以及多地域显示观察。  最后， 具有很高定量精度的CT图像一般含有更多的信息量， 特别是能敏CT将极为有用。预期在未来10-20年内可研究出象便携式同步发射装置等更先进的X线源。 同时， 一类新型的源与检测器将会问世，它们能直接或间接地生成具有频率分辨能力的投影数据。 统计重建将用来设计和改善迭代算法， 使检测到的光子能被充分利用， 并在CT图像中加入频率这一维。 估计这种能敏CT将极大地提高对心肺疾病和各种癌症的定征。 顺着这一方向， 基于散射的CT、 X线诱发荧光CT以及其它混合模式CT也将变得非常有用。

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