解放军文职招聘考试计算机体层成像

第二章　计算机体层成像

    CT是 HounsfieldG．N．1969年设计成功，1972年问世的。CT不同于普通 X线成像，它是用X线束对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得的重建图像，是数字成像而不是模拟成像。它开创了数字成像的先河。CT所显示的断层解剖图像，其密度分辨力（density resolution）明显优于 X线图像，使 X线成像不能显示的解剖结构及其病变得以显影，从而显著扩大了人体的检查范围，提高了病变检出率和诊断的准确率。CT作为首先开发的数字成像大大促进了医学影像学的发展。继CT之后又开发出MRI与ECT等新的数字成像，改变了影像的成像技术。由于这一贡献，Hounsfield G．N．获得了1979的诺贝尔奖金。

第一节CT成像基本原理与设备

一、CT成像基本原理

    CT是用X线束从多个方向对人体检查部位具有一定厚度的层面进行扫描，由探测器而不用胶片接收透过该层面的X线，转变为可见光后，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，输人计算机处理。图像处理时将选定层面分成若干个体积相同的立方体，称之为体素（voxel），见图2－1。扫描所得数据经计算而获得每个体素的X线衰减系数或称吸收系数，再排列成矩阵，即构成数字矩阵，见图2－2。数字矩阵中的每个数字经数字／模拟转换器转为由黑到白不等灰度的小方块，称之为像素（pixel），并按原有矩阵顺序排列，即构成CT图像。所以，CT图像是由一定数目像素组成的灰阶图像，是数字图像，是重建的断层图像。每个体素X线吸收系数可通过不同的数学方法算出，不在此赘述。

二、CT 设 备

    CT装置发展很快，性能不断提高。初始设计成功的CT装置，要一个层面一个层面地扫描，扫描时间长，一个层面的扫描时间在4分钟以上，像素大，空间分辨力（spatial resolution）低，图像质量差，而且只能行头部扫描。经不断改进，扫描时间缩短，图像质量改善，并可行全身扫描。但扫描方式仍是层面扫描。1989年设计成功螺旋CT又发展为多层螺旋CT，才由层面扫描改为连续扫描，CT的性能有很大的提高。此前，在20世纪80年代还设计出电子束CT（electron beam CT，EBCT）。对这三种装置分述于下。

（一）普通CT
    主要有以下三部分：①扫描部分，由X线管、探测器和扫描架组成，用于对检查部位进行扫描；②计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行存储运算；③图像显示和存储系统，将计算机处理、重建的图像显示在显示器（影屏）上并用照相机将图像摄于照片上，数据也可存储于磁盘或光盘中。CT成像流程及装置如图2－3。扫描方式不同，有旋转式和固定式，见图2－4。X线管采用CT专用X线管，热容量较大。探测器用高转换率的探测器，其数目少则几百个，多则上千个。目的是获得更多的信息量。计算机是CT的“心脏”，左右着CT的性能。计算机用多台微处理机，使CT可同时行多种功能运转，例如同时行图像重建、存储与照相等。普通CT装置将逐步由SCT或MSCT装置所取代。
（二）螺旋CT
    螺旋CT是在旋转式扫描基础上，通过滑环技术与扫描床连续平直移动而实现的。滑环技术使得X线管的供电系统只经电刷和短的电缆而不再用普通CT装置的长电缆。这样就可使X线管连续旋转并进行连续扫描。在扫描期间，床沿纵轴连续平直移动。管球旋转和连续动床同时进行，使X线扫描的轨迹呈螺旋状，故得名螺旋扫描。扫描是连续的，没有扫描间隔时间。不像普通CT那样，一个层面接一个层面地扫描，有扫描间隔时间，结果是SCT使整个扫描时间大大缩短。螺旋CT的突出优点是快速容积扫描，在短时间内，对身体的较长范围进行不间断的数据采集，为提高CT的成像功能，如图像后处理创造了良好的条件。
    螺旋CT在CT发展史中是一个重要的里程碑，也是今后CT发展的方向。近年开发的多层螺旋CT，进一步提高了螺旋CT的性能。多层螺旋CT可以是2层，4层，8层，10层乃至16层。设计上是使用锥形X线束和采用多排宽探测器。例如16层螺旋CT采用24排或 40排的宽探测器。多层螺旋 CT装置（例如 16层）与一般螺旋 CT相比，扫描时间更短，管球旋转360°一般只用0.5s，扫描层厚可更薄，一般可达0.5mm，连续扫描的范围更长，可达1.5m，连续扫描时间更长已超过100s。
    改进螺旋CT装置的研究主要在探测器上，包括用超宽、多排探测器和平板探测器。SCT给操作带来很多方便：检查时间缩短，增加了患者的流通量；容易完成难于合作或难于制动患者或运动器官的扫描；一次快速完成胸、腹部和盆部的检查；有利于运动器官的成像和动态观察；对比增强检查时，易于获得感兴趣器官或结构的期相表现特征。获得连续层面图像，可避免层面扫描中所致小病灶的漏查。在图像显示方式上也带来变化，连续层面数据，经计算机后处理可获得高分辨力的三维立体图像，实行组织容积和切割显示技术、仿真内镜技术和CT血管造影等。还可行CT灌注成像。 在临床应用上，多层螺旋CT可行低辐射剂量扫描，给肺癌与结肠癌的普查创造了有利条件；扫描时间的缩短，使之可用于检查心脏，包括冠状动脉，心室壁及瓣膜的显示，而且通过图像重组处理可以显示冠状动脉的软斑块。MSCT所得的CT血管造影使肢体末梢的细小血管显示更加清楚。CT灌注成像已用于脑、心脏等器官病变毛细血管血流动力学的观察，通过血容量、血流量与平均通过时间等参数的测定，可评价急性脑缺血和急性心肌缺血以及判断肿瘤的良性与恶性等。
    综上所述，SCT，特别是MSCT拓宽了检查与应用范围，改变了图像显示的方式，提高了工作效率，也提高了诊断水平。MSCT的应用也带来一些诸如患者扫描区辐射量增加和图像数量过多，引起解读困难等问题。对此已引起关注，并加以解决。MSCT每次检查将提供数百帧甚至更多的横断层图像，按常规办法进行解读和诊断，是极为费时和困难的。如果观察由计算机重组的图像；例如二维或三维的CT血管造影，则较为省时和容易。当前重组图像已可做到自动与实时。其次利用计算机辅助检测，对具体病例的大量图像先由计算机进行浏览，用CAD行诊断导向，则可简化解读与诊断的程序，省时、可靠。当前CAD在乳腺疾病及肺部疾病的应用上已取得较为成熟的经验。

（三）电子束CT

电子束 CT又称超速 CT（ultrafast CT，UFCT），其结构同普通 CT或螺旋 CT不同，不用X线管。
EBCT是用由电子枪发射电子束轰击四个环靶所产生的X线进行扫描。其结构见图2－7。轰击一个环靶可得一帧图像，即单层扫描，依次轰击4个环靶，并由两个探测器环接收信号，可得8帧图像，即多层扫描。EBCT一个层面的扫描时间可短到50ms，可行CT电影观察。与SCT一样可行容积扫描，不间断地采集扫描范围内的数据。EBCT可行平扫或造影扫描。单层扫描或多层扫描均可行容积扫描、血流检查和电影检查。多层扫描有其特殊的优越性。

EBCT对心脏大血管检查有独到之处。造影CT可显示心脏大血管的内部结构，对诊断先心病与获得性心脏病有重要价值。了解心脏的血流灌注及血流动力学情况，借以评价心脏功能。扫描时间短，有利于对小儿、老年和急症患者的检查。但BCT昂贵，检查费用较高，有X线辐射，心脏造影需注射对比剂，又有MSCT及 MRI的挑战，因而限制了它的广泛应用。