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1、 . 第1章 多层螺旋CT的原理与技术近年来，随着CT成像能力的迅速发展，临床应用特别是CT血管成像技术的临床应用不断拓宽。只有掌握CT运行的基本原理，才能更好地理解CT血管成像（CTA）的潜力和限度。第一节 CT的成像原理与结构图1-1 CT的成像原理。一、CT成像的基本原理常规X线平片或透视是利用人体不同密度组织对于X线穿透后吸收能力不同的原理成像的。当X线透过人体后，因不同部位衰减程度不同，而在胶片或荧光屏上形成相应组织或器官的图像。CT仍然是利用X线的穿透性来成像。为了解决常规X线成像中不同脏器的空间重叠问题，CT采用高度准直的X线束围绕身体某厚度的特定层面进行扫描，扫描过程中由灵敏的
2、检测器记录下X线穿透此层面后的衰减信息。由模拟-数字转换器将此模拟信息转换成数字信息，然后输入电子计算机（图1-1）。依照物理学原理，X线穿透人体组织后会产生衰减，衰减的程度与物质的密度和厚度有关。人体组织所构成的物质不同，因此对透射的X线可产生不同程度的衰减，称为“衰减系数”不同。假设X线的初始强度为I0，组织的厚度为d，衰减系数，衰减后的X线强度为I，则I=I0e-d图1-2 CT投影与重建。CT设备成像中，X线束“扫描”一个成像层面意味着从不同角度透射人体，得到可满足重建数据所要求的多个投影信息。每个方向上投射的X线都将穿过层面投射轨迹上的所有体素，到达检测器时，受到的衰减将是各体素衰减
3、作用的总和，以衰减系数表示，则I=I0e-(1+2+3+4)d扫描中，随着不断地改变投影角度，则得到各个投影方向上的大量数据集合，通过计算机实施相应的重建数学运算，最终可得到层面每个像素的X线衰减信息（图1-2）。这些X线衰减数据即组成数字矩阵，为了使图像直观化，此数字矩阵经数字-模拟转换后，以由黑至白的不同灰阶表示层面不同位置组织所造成的X线衰减强度，即将每一像素的X线衰减系数转换为相应的灰度值，可通过图像显示器输出就得到所成像层面的图像，这样此层面的诸解剖结构就可清晰地显示出来。二、CT的基本结构虽然目前CT设备经过30多年的发展，出现多种设备类型，但是CT的主要结构组成从功能组成上依然分
4、为以下四部分：扫描部分、计算机系统、操作控制部分以与图像的存储与显示系统。1扫描部分包括X线发生系统、准值器、检测系统、扫描架以与检查床等。主要结构包括：X线发生系统此部分的基本功能是提供成像所需的稳定X线束，包括X线球管、高压发生器和冷却系统等。CT机的X线球管，一般采用旋转阳极球管。球管焦点较小，约0.62mm大小。球管的热容量均较大，最新的可达500万热力单位，以适应连续大围扫描的需要。为保证CT机球管的正常工作，还需要辅助的高压发生器提供一个稳定的高压以与相应的球管的冷却系统。准值器位于球管的X线出口处，为窄缝样设计，可根据扫描要求调整为不同的宽度，用以对特定厚度的某部位进行成像。检测
5、系统包括位于扫描架的检测器、检测回路和模数转换器等，其主要任务是检测人体对X线的吸收量。检测器分为气体和固体两大类。较早期的设备多使用气体检测器，其采用气体电离的原理，当X线使气体产生电离时测量所产生电流的大小来反映X线强度的大小。常用气体为氙气。固体检测器，当接收X线能量时可将其转换电信号，进行光电换能。包括闪烁晶体检测器等，闪烁晶体有碘化钠、碘化铯、钨酸镉和锗酸铋等，但是早期的检测器在能量转换时损失较大；而目前使用较多的稀土瓷检测器的光电转换效率大为提高。检测器、CT球管以与准值器等都位于扫描架，共同构成了X线-检测系统，扫描过程中X线或间断脉冲式，或连续发射；检测器不断检测X线吸收量，然
6、后将所采集的数据经过模拟-数字转换输入计算机系统。2计算机系统计算机系统的主要任务有两方面：一是扫描的控制，包括扫描架和检查床的运动、X线的产生、数据的采集以与各部件之间的信息交换等；二是承担数字处理和图像重建的任务，即将采集的数据经过数学计算得到相应层面的数字矩阵。CT设备的计算机系统少者只有一台计算机，但由于任务量较大，常采用多台计算机并行处理的方式，以提高采集和处理速度。按照所负担的任务分为主计算机和图像处理计算机两部分。图像处理计算机与主计算机相连接，负责处理多组数据，本身不能独立工作。3操作控制部分操作控制部分主要包括操作台，通过操作台输入整个CT操作或控制命令，进行扫描程序，扫描曝
7、光条件的设定与选择，控制X线-检测系统的工作。同时检查前通过此部分要输入有关图像识别的多种数据和资料（包括患者检查号、患者基本资料、体位等），检查后还要控制图像的显示，以与窗宽、窗位的选择等。随着CT设备的不断改进和提高，操作台的性能也日趋完善。目前的操作台已集操控和显示于体，使用方便、功能全。为了提高工作效率，常配备与CT相连的CT诊断和后处理工作站，方便图像的浏览和后处理。4图像的存储与显示系统图像的存储设备包括磁盘、磁带等。扫描的原始数据最初存贮在CT设备的缓冲区，待扫描完成，原始数据经过相应处理后所得的图像数据则存入CT磁盘的图像存储区。磁盘的容量，随机器种类而不同。为了方便大量患者检
8、查数据的存储，CT设备常还需要另外的接口，可以将数据读取到外源的存储器，如高密度磁带或磁盘，这些外源的存储设备可大量记录图像数据。近年来，磁光盘应用也逐渐增加，存储量较大，但检索更方便。图像显示系统，CT机本身多采用显示器，早期为灰度等级较高的黑白显示器，灰阶的显示可达1664级。现由于后处理技术的发展和需要，多采用彩色显示器。检查结果目前仍需用照相机以胶片的形式输出图像给患者，多采用激光照相机与CT设备相连输出胶片，直观方便，但成本较高、不易保存。目前，随着影像设备数字化的进展，国已有不少医院开始为患者，检查后提供光盘形式的图像，此种形式的图像不仅可以有常规的横断面图像，而且可以包括彩色与立
9、体的图像信息。第二节 CT设备的发展自Housfiled于1969年设计发明了第1台CT原型机至今，CT设备先后经过不同的设计和发展，按照采集方式的不同可分为以下类型：一、层面采集CT自从CT原型机至1989年之前，CT设备采用的是层面采集方式，即每次扫描采集一个层面的信息，扫描时检查床是静止不动的，扫描完成后检查床移动一定距离再进行下一个层面的扫描。这种设计的原因是CT扫描架的X线管连接着高压电缆，受电缆的制约每次扫描管球旋转后必须复位，再开始下一次扫描。除少数不发达地区使用外，层面采集方式的CT机已退出主流。二、螺旋CT螺旋CT采集方式发展的基础是滑环技术的开发与应用。该设计是在扫描架置一
10、个环形滑轨即滑环，X线球管可以从滑环上得到电源（早期为高压电源，现已发展为低压电源），这样X线球管就能够摆脱了传统的电缆，在滑轨上连续绕患者旋转和不断发射X线束。检测器仍采用层面采集CT的设计模式，在滑环上与X线管同步连续旋转。图1-3 (a)层面采集扫描方式与(b)螺旋采集扫描方式。螺旋CT与层面采集CT另外一点不同之处是，在X线管在滑环上连续旋转时，检查床不再是静止不动，而是在整个信息采集过程中做匀速的纵向移动。这样，X线束在人体上的扫描轨迹不再是垂直于身体长轴的平面，而是连续的螺旋状，此即为螺旋扫描方式（图1-3）。第1台临床实用的螺旋CT设备在1989年问世，这种新的扫描方式不仅大大提
11、高了扫描速度，而且在设备的硬件（如X线管的热容量）、患者检查的方式、重建理论等方面引发了一次新的突破性发展。螺旋CT的出现具有明显的意义：扫描层面之间不需再做停顿，可连续快速扫描，大大提高了扫描速度，每层采集时间可减少到0.75秒1.5秒；在层面采集CT检查过程中，由于是逐次屏气扫描，体部，如肝胆胰脾的微小病变很容易在不同屏气时被遗漏，螺旋CT连续扫描可防止体部微小病变的遗漏；螺旋CT的扫描和重建方式有利于数据进行三维后处理，为CT后处理技术的发展打下了基础。较早开发的螺旋CT设备是以螺旋状扫描轨迹逐层地采集信息，和以后发展的设备对比，也称为“单层螺旋扫描”CT。三、多层螺旋CT图1-4 (a
12、)单层CT与(b)多层CT扫描方式。1999年，GE、Siemens、Marconi和Toshiba四家医疗设备公司同时推出了新一代的CT设计，此次CT技术的进步也是发生在X线-检测系统（图1-4）。X线束由扇形改为锥形束，即增大Z轴方向上X线的厚度；而检测器也由一列的设计增大在Z轴方向上的排列数目，增加为多列，形成具有一定宽度的检测器阵列。通过把多列检测器检测到的信息进行不同的组合，可以同时得到4个层面的螺旋扫描的信息，称多排检测器螺旋扫描CT，简称“多层螺旋CT”。多层螺旋扫描方式大大提高了信息的采集速度，每4层的采集时间可降低到0.3秒0.5秒。2000年后，在4层螺旋CT基础上，又先后
13、出现了8层、16层乃至64层的多层螺旋CT。这样，CT扫描的效率又得到了更大的提高，单位时间可扫描更大的解剖围。随着扫描速度的提高，多层螺旋CT对硬件的要求也相应提高。要完成如此快速的扫描意味着机架近一吨重的构件在几分之一秒旋转一周，其重力速度可达13G以上。常规机械式传动装置已不适用，扫描构件在滑环上的快速旋转引入了磁浮技术。此外，连续大围扫描对于CT球管的热容量也提出了更高的要求；短时间处理几倍的数据量，对计算机的运算能力也有更高的要求。由于多层螺旋CT技术的出现，CT的时间分辨力有了较大程度的提高，最新的64层螺旋CT时间分辨力可缩短至几十毫秒，能够用于心脏和冠状动脉的成像。多层螺旋CT
14、的出现再次促进了CT技术的发展，其所带来的优势主要表现在：时间分辨力大大提高，使原CT成像有困难的运动器官，如心脏和冠状动脉的成像成为可能；由于设备能力的提高，可进行连续大围扫描，如全身成像，并且可在扫描后针对不同部位进行不同层厚、不同重建与重组方式的显示；对于腹部脏器，单次扫描时间明显缩短，这样可以进行精确的多期像扫描，有利于病变的定性和发现微小病变。四、双源CT与能谱CT双源CT是在64层CT技术之上，采用2个高压发生器、2个球管、2套探测器组和2套数据采集系统来采集CT图像。两个球管在X-Y平面上间隔90，也就是说，机架旋转90即可获得180的数据，使单扇区采集的时间分辨力达83毫秒，基
15、本实现了冠状动脉CT的临床常规应用。双源CT设备还实现了能量CT的临床常规应用。当双源CT的2个球管分别以管电压80kV/100 kV和140kV同时、同层扫描时，可同时获的低能和高能数据，实现双能量CT成像，获得同一组织在不同能量射线下所具有的不同X射线衰减特性，从而可区分不同的组织结构成分特征，鉴别病变性质等。CT能量成像技术的价值还在于可以增加实质器官与对比剂的区别，明显降低背景噪声因素影响，避免线束硬化伪影和容积效应造成的小病灶遗漏和误诊，提高小病灶和多发病灶的检出率。除了双源双能量CT之外，快速千伏切换的单源CT设备也可实现能量CT成像，除了获得基物质图像，还可获得一系列特定能量水平
16、的CT图像，即单能量（keV）图像，用于去除硬化伪影、优化图像质量和对比噪声比、进行物质定量分析以与通过能谱数据的综合分析进行病变定性诊断等。能量CT彻底改变了常规CT几十年来的传统诊断模式，在获得混合能量图像的同时，还可以一次扫描得到单能量图像以与不同物质（水、碘、钙等）的图像。CT能谱成像对于常规CT单一密度参数成像提供了全新的解决手段。第三节 CT的扫描参数一、准值器宽度从X线管发射出的X线束需要进行准值，以减少不必要的辐射剂量，成为成像层面所需要的形态，同时还保护检测器不受到散射。根据不同的设备类型，准值器有多种不同的结构设计。准值器位于CT扫描架的两个位置：接近X线球管（前准值器）和接近检测器（后准值器）。患者前准值器用
