1、關鍵詞X射線CT螺旋CTCSCTX射線CT成像技術綜述林羲棟中山大學化學與化學工程學院應用化學學號10340035摘要自1972年第一臺臨床CT機應用以來，CT技術得到了迅速發(fā)展，其掃描范 圍、速率、成像質量都大大提高，已廣泛應用于醫(yī)學診斷的諸多領域。重點 介紹了乂射線計算機斷層掃描成像技術、螺旋CT醫(yī)學成像技術和x射線相干散 射CT成像技術的研究和進展。1引言x射線發(fā)現至今100余年來，其應用沿著 兩個不同方向在發(fā)展：一個是在醫(yī)學診斷上有 限制地使用透射成像方式輔助進行醫(yī)學的診 斷；另一個是x射線的散射，它主要被用于對 物質的原子和分子結構的研究。在人們探討自然界物體內部信息的過程 中，X射

2、線內視技術經歷了膠片照相、數字射 線影像、計算機斷層成像三個重要的發(fā)展階段。 X射線計算機斷層成像技術（X-ray CT）作為 一種重要的醫(yī)學診斷手段和新型的無損檢測 技術，由于其獨特的成像優(yōu)勢，在醫(yī)學領域發(fā) 揮著越來越大的作用，已成為醫(yī)學診斷檢測的 主流技術之一。1967-1970年間第一臺臨床用 CT裝置被英國EMI公司的工程師Housfield研 制成功，CT這項技術的問世在放射學界引起 了爆炸性的轟動，被認為是繼1895年倫琴發(fā)現 X射線后，工程界對放射學界的又一劃時代的 貝獻。CT技術的發(fā)展按X射線束的形狀及掃描方 式不同，被公認為經歷了以下5次重大的技術 變革：單束平移-旋轉方式；

3、窄扇形束-平 移旋轉方式;寬扇形束-旋轉方式;寬扇形 束靜止-旋轉方式；電子束。1在醫(yī)學上，螺 旋錐束掃描已是CT設備的主流掃描方式。2 X射線計算機斷層掃描成像CT（computed tomography，簡稱CT）是一 種功能齊全的病情探測儀器，利用計算機技術 對被測物體斷層掃描圖像進行重建獲得三維 斷層圖像的掃描方式。該掃描方式是通過單一 軸面的射線穿透被測物體，根據被測物體各部 分對射線的吸收與透過率不同，由計算機采集 透過射線并通過三維重構成像。CT結構一部完整的CT系統(tǒng)主要包括掃描部分（包括線陣排列的電子輻射探測器、高熱容量 調線球管、旋轉機架），快速計算機硬件和先 進的圖像重建、

4、顯示、記錄與圖像處理系統(tǒng)及 操作控制部分。CT設備主要有以下三部分：掃描部分由X線管、探測器和掃描架組成；計算機系統(tǒng)，將掃描收集到的信息數據進行 貯存運算；圖像顯示和存儲系統(tǒng)，將經計算 機處理、重建的圖像顯示在電視屏上或用多幅 照相機或激光照相機將圖像攝下。CT成像流 程如圖1。2圖1 CT裝置示意圖CT原理CT是用X線束對人體某部一定厚度的層 面進行掃描，由探測器接收透過該層面的X線，轉變?yōu)榭梢姽夂螅晒怆娹D換變?yōu)殡娦盘枺?經模擬/數字轉換器(analog/digital converter )轉為數字，輸入計算機處理。圖 像形成的處理有如對選定層面分成若干個體 積相同的長方體，稱之為體素

5、(voxel)，見圖 2。掃描所得信息經計算而獲得每個體素的X 線衰減系數或吸收系數，再排列成矩陣，即數 字矩陣(digital matrix)，數字矩陣可存貯 于磁盤或光盤中。經數字/模擬轉換器 (digital/analog converter)把數字矩陣中的每個數字轉為由黑到白不等灰度的小方塊， 即象素(pixel)，并按矩陣排列，即構成CT 圖像。所以，CT圖像是重建圖像。每個體素圖2的X線吸收系數可以通過不同的數學方 法算出。2.4 CT斷層圖像的反投影重建從探測器數據生成斷層圖像的過程稱做 圖像反投影重建。在線性方程組求解過程中， 系數矩陣的行列式值可能為零，無法用計算逆 矩陣的方

6、法求解。即使用奇異值分解等其他方 法，由于斷面圖像數十萬像素，方程組的求解 也是十分困難的。其實，關于斷層圖像的重建， 1917年奧地利數學家Radon就已從理論上證明 了利用投影重建圖像的可能性。但由于計算量 很大，直到今天才得以實現。Radon變換可以 從0-2n每隔1度的一維傅里葉變換組合，或直 接進行二維傅里葉變換，然后再做二維逆傅里 葉變換重建圖像(圖3)。目前醫(yī)用CT廣泛使用 的是濾波反投影方法(filtered back projection，FBP)。32. 6重建圖像灰度與x射線衰減系數的對應 關系cT重建的圖像是衰減系數p的分布。人體 內部大部分軟組織的衰減系數與水的衰減系

7、 數相近，因此不能用計算得到的p值直接成像。 在實際應用中，通常將p值轉換為一個相對值 cT值。cT值又稱Hounsfield數，定義如下：ICT 值二 Ax 1000 ,4其中p與p可分別為組織和水的衰減系數。CT圖3.Radon變換重建圖像值用HU表示。例如水的HU值是零，空氣的HU 值為一 1000，骨骼的HU值為+1000。人體組織 的HU值可以跨越從幾百到數千的范圍。由于常 規(guī)顯示圖像灰度范圍是(0_255)，所有的x射線 圖像裝置都配有窗寬、窗位調節(jié)功能，可以將 感興趣的HU值區(qū)間映射到(0_255)全灰度范圍， 便于觀察病灶細節(jié)。2. 7 CT斷層圖像的特點CT圖像是以不同的灰度

8、來表示，反映器 官和組織對X線的吸收程度。因此，與X線圖 像所示的黑白影像一樣，黑影表示低吸收區(qū)， 即低密度區(qū)，如含氣體多的肺部；白影表示高 吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如骨骼。但是CT與X 線圖像相比，CT的密度分辨力高，即有高的 密度分辨力(density resolution )。因此， 人體軟組織的密度差別雖小，吸收系數雖多接 近于水，也能形成對比而成像。這是CT的突 出優(yōu)點。所以，CT可以更好地顯示由軟組織 構成的器官，如腦、脊髓、縱隔、肺、肝、膽、 胰以及盆部器官等，并在良好的解剖圖像背景 上顯示出病變的影像。CT圖像1CT圖像是層面圖像，常用的是橫斷面。 為了顯示整個器官，需要多個連續(xù)的

9、層面圖像。 通過CT設備上圖像的重建程序的使用，還可 重建冠狀面和矢狀面的層面圖像，可以多角度 查看器官和病變的關系。2.9優(yōu)點及危害由于CT的高分辨力，可使器官和結構清 楚顯影，能清楚顯示出病變。在臨床上，神經 系統(tǒng)與頭頸部CT診斷應用早，對腦瘤、腦外 傷、腦血管意外、腦的炎癥與寄生蟲病、腦先 天畸形和腦實質性病變等診斷價值大。在五官 科診斷中，對于框內腫瘤、鼻竇、咽喉部腫瘤， 特別是內耳發(fā)育異常有診斷價值。CT檢查對中樞神經系統(tǒng)疾病的診斷價值 較高，應用普遍。對顱內腫瘤、CT圖像2外傷性血腫與腦損傷、腦梗塞與腦出血等病診 斷效果好，診斷較為可靠。螺旋CT掃描，可 以獲得比較精細和清晰的血管

10、重建圖像，即 CTA，而且可以做到三維實時顯示，有希望取 代常規(guī)的腦血管造影。心及大血管的CT檢查，尤其是后者，具 有重要意義。冠狀動脈和心瓣膜的鈣化、大血 管壁的鈣化及動脈瘤改變等，CT檢查可以很 好顯示。腹部及盆部疾病的CT檢查，應用日益廣 泛，主要用于肝、膽、胰、脾，腹膜腔及腹膜 后間隙以及泌尿和生殖系統(tǒng)的疾病診斷。尤其 是占位性病變、炎癥性和外傷性病變等。胃腸 病變向腔外侵犯以及鄰近和遠處轉移等，CT 檢查也有很大價值。但是CT掃描帶來的危害也必須引起重視。 CT主要的危害來自于射線源，高能射線源能 對人體組織及環(huán)境造成不可逆轉的破壞，即使 是醫(yī)用的X射線CT，多次的累積使用，X射線

11、依然會對患者被照組織產生一定的影響。由于 X射線計算機斷層成像相當依賴靜脈注射的對 比劑來顯影，所以有潛在的危險，危險雖低， 卻無法完全避免，這可能會使某些病人的腎臟 受傷，有腎功能衰竭或糖尿病等病史的病人危 險性可能更高。3螺旋CT醫(yī)學成像技術螺旋CT突破了傳統(tǒng)CT的設計，采用滑環(huán)技 術，將電源電纜和一些信號線與固定機架內不 同金屬環(huán)相連，運動的x射線管和探測器滑動 電刷與金屬環(huán)導聯。球管和探測器不受電纜長 度限制，沿人體長軸連續(xù)勻速旋轉，掃描床同 步勻速遞進(傳統(tǒng)CT掃描床在掃描時靜止不 動)，掃描軌跡呈螺旋狀前進，可快速、不間 斷地完成容積掃描。近年來就CT機提高掃描速度，提高檢查效 率

12、，提高圖像質量和盡量簡便操作方面作了很 大的改進，改進后呈雙層螺旋CT的問世。現目 前已達到了 320層的先進設備。各種后處理軟 件的成功開發(fā)使CT圖像可以從單純二維顯示 到高質量的三維顯示。3.1多層螺旋CT與多排螺旋CT多層螺旋CT(multi slice CT)是指掃描 一圈所得到的圖像數，例如，4層CT就是掃描 一圈出4層圖像。多排螺旋CT(multi detector CT 或multi rowCT)是指組成CT 的 探測器排數。二者的共同特點是x射線線管與 探測器陣列沿螺旋線軌跡圍繞人體旋轉，每旋 轉一周能同時獲得多幅斷面圖像，大大提高了 掃描速度。多層螺旋CT的寬探測器采用高效固

13、體稀 土陶瓷材料制成。每個單元只有0. 5，1或 1. 25mm厚，薄層掃描探測器的光電轉換效率 高達99 %。多層螺旋CT能高速地完成較大范 圍的容積掃描，圖像質量好，成像速度快，具 有很高的縱向分辨率和很好的時間分辨率。與 單層螺旋cT相比，在不增加x射線劑量的情況 下，每15s左右就能掃描一個部位；5s內可完 成層厚為3mm的整個胸部掃描；一次屏氣20s， 可以完成整個體部掃描；病人接受的射線劑量 明顯減少.新型64排多層螺旋cT旋轉一周只要0. 37s。 實現性能的全面改善，即亞秒掃描，亞毫米層 厚，亞秒重建。其最重要的價值在于心臟和血 管方面的應用，并可進行冠狀造影，接近無創(chuàng) 檢查。

14、無創(chuàng)冠脈成像要求CT具有較高空間分辨 率和時間分辨率，能夠根據心動周期不同時段 重建冠脈。多排cT技術的發(fā)展，特別是亞秒掃 描和心電門控技術的改進是CT冠脈成像的基 礎。33.2多源螺旋CT它把兩套影像系統(tǒng)集于一身，即由一套影 像系統(tǒng)先后兩次進行的雙扇區(qū)掃描，變成了由 兩套影像系統(tǒng)同時掃描。掃描速度快，時間分 辨率達到83ms。雙源可以對心率過快、不規(guī) 則及屏氣有困難的患者進行成像，在幾秒鐘之 內完成心臟研究，還可對急診患者進行CT檢查。 放射劑量減半，適于兒科檢查。2005年，西門 子公司和先靈公司聯合研制x射線新技術，首 次在SOMATOM efination產品上同時使用兩個 x射線源和

15、兩臺探測器，也是世界上第一個雙 源CT系統(tǒng)。3.3正電子發(fā)射體層/多層螺旋CT融合全 掃描裝置正電子發(fā)射體層/多層螺旋CT圖像融合 全掃描裝置(簡稱PET CT)就是將CT和PET兩 種不同成像原理的設備有機、互補地結合在一 起，發(fā)揮各自的優(yōu)點，彌補各自的不足，從而 獲得一種反映人體解剖圖像與反映人體分子 代謝情況的功能完全融合的圖像。PET CT集 高靈敏度、高特異性的先進核醫(yī)學技術與高清 晰度、高組織分辨率的多層螺旋CT于一身。PET CT融合圖像對疾病的早期診斷、病灶定性、 手術和放射計劃治療定位具有重要價值。U 3.4螺旋CT的優(yōu)缺點螺旋CT優(yōu)點：它具有掃描速度快、掃描范 圍大、成像質

16、量高及接受劑量少等特點，改善 了數據處理和影像重建，這直接轉變成提高掃 描儀的效率。螺旋CT的劣勢:是顯著增加數據量，尤其 是選擇均質成像。4 CSCT技術CSCT (coherent scatter computed tomograph)是英文相干散射CT成像的縮寫。圖 4簡要地描述了 CSCT實驗所使用的基本結構： 射線源經過準直后形成單一的筆型射線束直 接照射到樣品上；樣品放置在載物臺上，載物 臺可以做平移和旋轉運動以完成CT方式的掃 描；X射線入射到樣品內部后會發(fā)生相干散射 作用，對于不同的物質成分以及不同的射線能 量，形成的干涉圖案會有所不同，但是圖案的 分布基本上是以入射線為軸的同

17、心圓。把探測 器在成像平面上按圓環(huán)形分布，可以探測到對 不同的物質成分進行CT成像的信號。所得到的 圖像就是樣品在不同的散射角度上的CT圖像。圖4 CSCT成像結構示意圖4.1 CSCT技術及其應用研究CSCT是應用較早的x射線相干散射成像方 法之一，是由Harding等人首次提出的。當時 他們使用了 120kV X射線束和一個鉍61的生長 閃爍晶體及光電倍增管探測衍射圖形，這些閃 爍物覆蓋了大約40 %的有效區(qū)。閃爍晶體的直 徑為1cm，對于典型的物體探測器間距是50cm。 這種幾何結構中，每個探測器劃分出一個大約 1。或者說是整個角度范圍的1/6的角覆蓋范圍。Westmore等人提出了一種

18、改進的實驗方 法。散射物體被放置在x射線束的1mm X1mm的 路徑上的樣本平臺上。源-物體的距離是25cm。 在通過CSI XRII進行小角度散射測量時x射線 主射線束被一個3mm厚鉛板擋住。XRII磷發(fā)出 的光通過一個鏡頭被一個10242電荷耦合器件 (CCD)接收。XRII放置在距離物體30cm的地方， 提供的管體電壓為70kV。大多數散射的衍射圖 形分布在以射線束為中心的5cm半徑的圓內。I. A、Cunningham等人的研究開始是使用 第一代CT的成像結構，使用臨床的普通x射線 源和影像增強探測器為基本成像設備。在最初 實驗中，對水、透明合成樹脂和羥磷灰石進行 相干散射成像研究發(fā)現

19、，不同物質相干散射圖 案有很大的不同，這說明了可以利用x射線相 干散射分辨原子結構不同的物質。隨后，他們 使用對第一代臨床CT設備改造后的CSCT設備 對無機樣品進行了成像實驗。樣品包括一個注 滿水的透明合成樹脂的圓柱桶，桶內放置了聚 乙烯、透明合成樹脂、聚碳酸酯和尼龍材料做 成的四個圓柱棒。使用探測器在成像面上一系 列的角度進行測量，并通過算法重構CT的圖像。 結果表明，在不同的散射角度上，不同物質的 灰度(亮度)是不一樣的，這也說明使用CSCT 對不同的物質成分進行成像分析是可能的。曰 由于上述的研究所使用的樣品都是圓柱 形狀，所以在樣品的邊緣會發(fā)生x射線相干散 射加強的現象。這種結構導致

20、獲得的CSCT圖像 約有20 %系統(tǒng)誤差。通過在透射射線束的鉛制 擋板處用光敏二極管檢測透射線傳遞的強度， 然后把散射線相對透射投影射線的強度進行 歸一化，就可以修正這種誤差。試驗結果表明 這種方法提高了圖像的分辨率，同時避免了修 正前把樣品中不同的物品顯示為同一物品的 錯誤。這個辦法的一個缺點就是在梯度很大的 兩個樣品同時成像時會發(fā)生錯誤。但是，實際 測量的生物樣本是不會有很大的梯度的。在骨骼中，骨組織主要成分為羥磷灰石晶 體和膠原纖維組織。骨礦密度一般情況下用來 表征骨組織健康情況。目前有很多的測量手段 可以測量骨礦密度，但是現有方法并不能夠提 供骨組織礦化程度信息。CSCT具有這個方面的

21、 潛力。通過對骨骼進行CSCT成像，并且對羥磷 灰石、水、膠原組織和脂肪等骨組織所含的物 質成分單獨進行成像。然后對獲得的CSCT圖像 進行比較研究。經過對曝光波動、散射自衰減 和暫態(tài)效應的補償，骨骼樣品CSCT方法可以清 晰地成像。在不同的空間角度上的圖像代表了 不同的物質成分。圖像的灰度級別提供了各種 成分的空間密度信息。CSCT的優(yōu)缺點在醫(yī)學的臨床應用中，目前的放射線影像 設備主要還是應用x射線的透射衰減效應作為 成像的主要手段。但是由于透射成像對細節(jié)展 示能力不夠，影像只能夠反映某些人體組織的 病變，對許多疾病不能準確判斷。例如，x射 線乳房透視成像術對婦女的乳腺癌的診斷的 假陽性、假

22、陰性比率很高，有大約20%的患者 必須另外做活體組織檢查來確診。而對人體的 軟骨的可視化是目前的x射線醫(yī)學影像設備無 法完成的，同樣對肺氣腫和瘤腺腫的早期診斷 也是很難實現的。x射線相干散射在研究中所 表現出的特性，為上述的問題的解決提供了一 種切實可行的方法，人們正考慮應用x射線的 相干散射技術輔助進行更為精確的醫(yī)療診斷。研究中還存在著很多未解決的問題，這也 是在進行這方面研究時所必須關注的。一個就 是射線源，文獻中的大部分實驗是使用 sRa（同步加速器輻射）進行的，sR在實驗應 用上有各種優(yōu)點：高強度、連續(xù)的寬光譜（從 紅外到x射線）、自然準直、射線源尺度小、高 度極化和脈沖節(jié)拍結構等，但

23、是它不能夠替代 臨床應用的射線源。再一個是實驗中的樣品在 尺度和體積上都與人體相差很多；使用的射線 的劑量也比臨床的要求高出很多；活體組織的 成像與樣品成像之間的差異等。5結束語隨著計算機技術的迅速發(fā)展和人類生活 水平的提高以及對健康的日益關注，醫(yī)學圖像 技術和設備，包括新的CT成像方法和技術的發(fā) 展是必然的。對掃描劑量的控制在CT的研發(fā)和臨床應 用中，必須在注重臨床研究的基礎上強調掃描 劑量的控制。由于射線的生物效應，人體接受X 射線照射積累到一定劑量后，會對人體細胞和 組織產生較大的傷害。歐美等國家非常重視患 者的受線劑量,對放射劑量要求非常嚴格。而 掃描劑量及患者受線劑量也越來越引起而國

24、 內放射界的高度重視，在保證圖像質量的基礎 上實現低劑量掃描,發(fā)展綠色CT已經成為發(fā)展 趨勢。四維CT即在三維基礎上增加時間軸，從而 實現對患者病灶立體、動態(tài)的觀察。四維CT在兼顧多排CT的同時,新的臨床應用包括以下 幾個方面:動態(tài)臟器的研究；血流動力學的研 究;關節(jié)的運動功能；大范圍的薄層高速掃描。 目前的多排螺旋CT投入實用的機型已經發(fā)展 到了 320排，同時各個廠家也在研究更先進的 平板CT。現在CT與PET相結合的產物PET/CT在 臨床上得到普遍運用，特別是在腫瘤勺診斷上 更是具有很高的應用價值。參考文獻徐躍，黃泉榮.醫(yī)學影像設備學.北京:人 民衛(wèi)生出版社，2008:256-259.Willi A K . Computed Tomo