CT技術(shù)發(fā)展前沿

1、題目:CT成像技術(shù)研究綜述摘要20世紀70年代醫(yī)學成像技術(shù)進人了飛速發(fā)展的時期。各種新技術(shù)相繼被應(yīng)用到醫(yī)學成像系統(tǒng) 中，這些不同的成像方式所提供的人體結(jié)構(gòu)或生理參數(shù)的圖像為提高臨床診斷與治療的有效性發(fā)揮了極 大的作用。發(fā)展起來的CT成像技術(shù)，曾給醫(yī)學影像學帶來一場深刻的革命而醫(yī)學成像設(shè)備已成為現(xiàn)代 化醫(yī)院的一個重要的標志。CT（computed tomography）成像技術(shù)包括：數(shù)據(jù)采集技術(shù)、圖像重建技術(shù)、 重建圖像后處理技術(shù)；其主要特點是利用X射線管繞人體的某一個層面掃描，探測器測得該層面各個點 吸收X射線的數(shù)據(jù)，利用計算機的高速運算和圖像重建原理，獲得該層面的圖像，利用CT值可以測量 人

2、體組織密度。經(jīng)過不斷地改進、完善、更新和發(fā)展，CT成像技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成為臨床診斷疾病的重要手 段。隨著科學技術(shù)進步，CT新技術(shù)新應(yīng)用層出不窮，本文著手于近幾年國內(nèi)外的公開文獻，對CT成像 技術(shù)行展開討論。一 CT的發(fā)展狀況CT成像技術(shù)的發(fā)展主要從非螺旋CT向螺旋CT發(fā)展，單層CT向多層CT發(fā)展，單源螺旋CT向 雙源螺旋CT發(fā)展。此外，CT的發(fā)展還包括探測器，球管、掃描方式、采樣重建系統(tǒng)、反投影重建算 法的不斷改進及發(fā)展。計算機的性能提升及快速發(fā)展也給CT的圖像后處理技術(shù)帶來突飛猛進的發(fā)展， 為臨床診斷帶來立體診斷模式，使得CT的臨床應(yīng)用有了進一步的突破，把醫(yī)學影像學的推向一個更廣 闊的發(fā)展空間。表

3、一 CT成像技術(shù)與普通X射線成像技術(shù)比較成像技術(shù)成像方式測試對象觀察目的信息量成像效果普通X線各組織對X線衰減不同衰減系數(shù)組織形態(tài)大三維組織成像在二維平面上CT（適用于腦、腎、膽囊、血栓）各組織對X線衰減差異；計算機圖像重建與處理衰減系數(shù)組織形態(tài)中二維斷面影像；空間分辨力較屏 一片系統(tǒng)差；密度分辨力高。本文將分別對非螺旋CT、螺旋CT、多排螺旋CT進行闡述和比較。1.1非螺旋CT的各代X-CT的掃描方式及其優(yōu)缺點X-CT自問世以來，在二十多年的發(fā)展中，X-CT的掃描方式經(jīng)歷了幾代更新，如表二所示:第一代X-CT表二各代X-CT掃描儀比較第二代X-CT第三代X-CT第四代X-CT特點八、（1）單

4、束筆型（直線型）X （1）窄扇型X射線束，多個X （1）寬扇型X射線束，（1）寬扇型X射線束，射線束，單個X射線檢測器 射線檢測器呈直線（弧線）排布。多個X射線檢測器呈圓 多個X射線檢測器呈圓（或兩個沿Z方向并列）。（2）平移+旋轉(zhuǎn)弧線狀排布。環(huán)狀排布。（2）平移+旋轉(zhuǎn)（2）旋轉(zhuǎn)+旋轉(zhuǎn)（2）靜止+旋轉(zhuǎn)掃 描 過 程（1）X線管和檢測器一同 圍繞人體斷層進行等步長 的直線平移運動。在完成一次平移運動 后，X線管和檢測器一同旋 轉(zhuǎn)1度角，然后沿相反方向 作等步長的平移運動。（3）這些平移一旋轉(zhuǎn)重復 180次就完成一次斷層掃 描。（1）X線管和檢測器一同圍繞 人體斷層進行等步長的直線平 移運動。只是

5、平移的步長較第一 代要長。（2）在完成一次平移運動后， X線管和檢測器一同旋轉(zhuǎn)a度角 然后沿相反方向作等步長的平 移運動。（3）這些平移一旋轉(zhuǎn)重復直到 旋轉(zhuǎn)完180度角就完成一次斷層 掃描。X線管和檢測器一同圍 繞人體斷層進行同步 的360度圓周旋轉(zhuǎn)運動 就完成一次斷層掃描。檢測器靜止，X線管圍繞 人體斷層進行360度圓 周旋轉(zhuǎn)運動就完成一次 斷層掃描。優(yōu)缺點八、（1）掃描時間長，4.55.5 分鐘，只能進行頭顱掃描。（2）(3)（4） 感。傳動裝置復雜。X射線利用率低。對檢測器的漂移不敏（1）掃描時間較第一代短，根 劇采用檢測器的多少為12至60 秒鐘，能進行全身掃描。（2）傳動裝置復雜。（

6、3）對檢測器的一致性要求高。（4）當檢測器直線排布時，扇型 束的中心射線束和邊緣射線束 的測量值不相等，需要較正。（1）掃描時間較第二 代縮短了很多，最快可 在3秒鐘內(nèi)完成一次 斷層掃描，能進行全身 掃描。（2）傳動裝置得到簡 化。（3）對檢測器的特性 要求絕對均勻一致。 0.02%的偏差就會導致 圖像偽影。（1）掃描時間進一步縮 短，最快可在1秒鐘內(nèi) 完成一次斷層掃描，能 進行全身掃描。（2）傳動裝置得到進一 步簡化。（3）對檢測器特性的一 致性要求較第三代低，圖像質(zhì)量穩(wěn)定。（4）在單位弧長檢測器 數(shù)量相同的情況下，要 求更多的檢測器。（5）幾何失真加大。固定探測器掃 描 示意 圖1.2螺旋

7、CT螺旋CT掃描主要具有以下優(yōu)點：（1）螺旋CT連續(xù)掃描的能力，使得整個器官或一個部位可以在一 次屏氣中完成掃描，從而避免漏掃或重掃。（2）由于沒有層與層面之間的停頓，使得一次掃描檢查的時 間明顯縮短，有益于危重病人和不配合病人的檢查（3）對于肺臟、肝臟等受呼吸影響的臟器，由于在 屏氣情況下一次完成掃描，可以避免小病灶的遺漏。（4）病人運動形成的偽影，由于掃描速度的提高而 得以減少或避免。（5）可進行任意回顧性重建，沒有層面間隔大小和重建次數(shù)的限制。（6）單位時間內(nèi) 掃描速度的提高，使CT增強掃描時對比劑的利用率提高和增強效果改善。（7）由于螺旋CT掃描得到的 是容積掃描數(shù)據(jù)，因此使得多平面和

8、三維重建圖像的質(zhì)量有了明顯改善。1.2.1非螺旋CT與螺旋CT掃描方式的比較螺旋CT掃描采用的滑環(huán)技術(shù)，去除了 X線球管與機架之間的電纜連接的束縛，使得球管、探測器 系統(tǒng)可以單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)360的掃描時間可以縮短到1秒或亞秒，明顯提高了掃描速度和檢查 效率。更主要的是在連續(xù)掃描的同時，檢查床也單向勻速移動，使得整個掃描的軌跡類似螺旋管，它所 采集的數(shù)據(jù)是某一檢查器官或部位連續(xù)的掃描數(shù)據(jù)，即容積數(shù)據(jù)，因此也稱這種掃描方式為容積掃描。 與非螺旋CT掃描比較，螺旋CT掃描也存在一定的不足，主要包括：（1）由于掃描時檢查床的運動產(chǎn)生一定的偽影，在Z 軸上的空間分辨率有所降低。（2）螺旋CT掃描圖

9、像的噪聲較傳統(tǒng)CT有所增高（內(nèi)插法的一個缺陷就是 使噪聲增加）。（3）螺旋CT圖像處理的時間較長，并需要計算機大容量的存儲能力和運算能力。（4）螺 旋CT仍受到最大掃描容積的限制。1.3多排螺旋CT1.3.1多排螺旋CT與單螺旋CT的比較多排螺旋CT和單螺旋CT的主要區(qū)別是探測器的結(jié)構(gòu)不同。如前所述，單層螺旋CT的層厚由準 直器決定，而多層螺旋CT的層厚由探測器的寬度及其組合而決定。在非螺旋CT掃描中，X射線束完 全是一個垂直的平面，圖像的重建過程可以直接采用投影的數(shù)據(jù)，不需要做任何的修正；多層螺旋CT （尤其是4排以上者）由于探測器排數(shù)的增寬，使得X射線呈錐形束，在掃描過程中，X線球管在X、

10、 Y平面上運行，而病人是在Z軸方向上移動，兩者的同時運動所采集到的數(shù)據(jù)實際上是一個螺旋狀的 掃描數(shù)據(jù)段，對于橫斷面圖像重建來說，不能直接采用某一個斷面的投影數(shù)據(jù)，必須先采集重建層面鄰 近數(shù)據(jù)的內(nèi)插，然后才能按照非螺旋CT掃描圖像重建的方法重建出橫斷面圖像。多排螺旋CT具有以 下優(yōu)點。（1）提高掃描速度多層螺旋CT掃描架旋轉(zhuǎn)一周可以掃描多層，旋轉(zhuǎn)速度比單層螺旋CT快1倍，同時螺距為單層螺 旋CT的48倍，相同的掃描時間內(nèi)可獲得范圍更長或范圍相同但層面更薄的容積數(shù)據(jù)，有助于重建出 高質(zhì)量的橫斷圖像和三維圖像。另外，掃描時獲取的具有高的縱向分辨率的容積數(shù)據(jù)，有助于減少部分 容積效應(yīng)，從而提高了圖像的

11、質(zhì)量。（2）提高圖像的空間分辨率由于多層螺旋CT的掃描速度提高，在相同的掃描時間內(nèi)可獲得范圍更長或范圍相同但層面更薄的 容積數(shù)據(jù)，有助于重建出高質(zhì)量的橫斷圖像和三維圖像。（3）CT透視的定位更準確單層螺旋CT使用CT透視功能僅能獲得一層的透視圖像，在做CT引導下的穿剌活檢時僅可以實 時顯示針尖的位置，而多層螺旋CT可以同時進行多層透視，應(yīng)用實時重建功能可以同時顯示3個層面 的3幅透視圖像，CT引導穿剌活檢時，不僅可準確定位穿刺針尖的位置，還可以顯示進針的方向。這 說明應(yīng)用多層螺旋CT可提高CT透視的縱向分辨率，使CT透視引導穿刺的定位更準確。（4）提高X線的利用率在X線帶寬相同的條件下，多層螺

12、旋CT的X線束在縱向上的厚度是單層螺旋CT的48倍，這表 明在單層螺旋CT中縱向上掃描層面兩側(cè)被浪費的X線在多層螺旋CT被用來采集數(shù)據(jù)，極大地提高了 X線的利用率，同時減少了X線球管的負荷，降低了X線球管的損耗，在幾乎不需要等待X線球管冷 卻的情況下就可進行較長時間的連續(xù)螺旋掃描。另外，與單層螺旋CT比較，獲得同樣質(zhì)量的影像圖像， 多層螺旋CT的X線曝光量可以減少約40%。二CT成像原理CT機的基本結(jié)構(gòu)包括：掃描裝置（掃描機架和掃描床）、計算機系統(tǒng)（掃描數(shù)據(jù)處理和圖像重建）、圖像 顯示及記錄。如圖一所示：圖一 CT影像設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理流程人體各種組織（包括正常和異常組織）對X線的吸收不

13、等CT利用這一特性，選定人體某一體 層并將其分成NXN個體素。利用高度準直X線束環(huán)繞人體某一部位，對選定的的體層進行斷層掃描，部 分X線光子被組織器官吸收,X線強度因而衰減，未被吸收的X線光子穿透人體后，由探測器接收，為該 方向所有體素X線衰減值的總和。然后X線球管轉(zhuǎn)動一定角度，再沿另一方向發(fā)出X線束，則在其對面 的探測器可測得沿第2次照射方向所有體素X線衰減值的總和和以同樣方法反復多次在不同方向?qū)M織 的選定層面進行X線掃描，即可得到若干個X線衰減值總和。將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂螅?jīng)放大由光電轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，輸入計算機進行運算處理.在上述過程中，每掃描 一次

14、，即可得一方程。該方程中X線衰減總量為已知值，而形成該總量的各體素X線衰減值是未知值。 經(jīng)過若干次掃描，即可得一聯(lián)立方程，經(jīng)過計算機運算（傅立葉轉(zhuǎn)換、反投影法等）可解出這一聯(lián)立方 程，從而求出每個體素的X線吸收系數(shù)或衰減系數(shù)，將其排列成數(shù)字矩陣（digital matrix），數(shù)字矩 陣經(jīng)過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（D/A）把數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉(zhuǎn)變?yōu)橛珊诘桨撞煌叶鹊男》綁K，使各體素 不同的衰減值形成相應(yīng)各像素的不同灰度各像素所形成的矩陣圖像即為該層面不同密度組織的黑白圖 像，即像素（pixel）。三CT的圖像重建技術(shù)的發(fā)展及臨床應(yīng)用CT除了從非螺旋CT向螺旋CT發(fā)展，單層CT向多層CT發(fā)展，單源螺

15、旋CT向雙源螺旋CT發(fā) 展外。CT的發(fā)展還包括掃描方式、采樣重建系統(tǒng)、反投影重建算法的不斷改進及發(fā)展，為臨床診斷帶 來立體診斷模式，使得CT的臨床應(yīng)用有了進一步的突破。3.1 CT的圖像重建技術(shù)雖然第一臺CT掃描裝置用的是代數(shù)迭代重建技術(shù)（ART），但FBP （濾波反投影）算法很快就 成為CT重建的金標準。幾年以后，統(tǒng)計迭代重建成功地引入到發(fā)射斷層成像這是由于根據(jù)低信噪比 （SNR）的發(fā)射數(shù)據(jù)集利用FBP重建得到的圖像質(zhì)量極差。1984年提出了一種將ART的差異同時更 新的算法一同時迭代重建法。過去十年間由于計算能力的不斷增強，統(tǒng)計迭代重建已成為CT的研究 熱點，其重點是研究噪聲消除、偽影抑制

16、以及雙能與能（量）敏（感）成像。（1）解析重建算法關(guān)鍵在于選擇一個適當?shù)臋?quán)函數(shù)。不同的權(quán)重對圖像的噪聲分布會有完全不同的影響。根據(jù)特定 的臨床應(yīng)用，理想的圖像噪聲分布可以是均勻的，也可以是在感興趣區(qū)（ROI）內(nèi)噪聲最小，而在 區(qū)外允許噪聲大一點。換句話說,理想的精確錐束重建公式。（2）迭代重建在某些重要場合，當數(shù)據(jù)不完全、不一致或有噪聲時，迭代重建相對于解析重建有明顯的優(yōu)勢。 對圖像噪聲和空間分辨率同一些參數(shù)（位置、對比度以及測量統(tǒng)計法）之間的詳細定量分析表明， 統(tǒng)計迭代重建有潛力提高重建圖像的信息量。近年統(tǒng)計迭代重建的進展，有望使圖像質(zhì)量有很大的提高。 因此我們預測計算方法與硬件的快速發(fā)展將

17、使解析重建向統(tǒng)計重建轉(zhuǎn)移或者至少說導致解析法與迭代 法的融合。（3）局部CT重建根據(jù)最小數(shù)據(jù)集對感興趣區(qū)進行重建的研究，這可追溯到半掃描扇束重建。該法的好處是數(shù)據(jù)獲取 時間短、輻射劑量小，成像的靈活性大。近期最重要的研究成果當推卡茨維奇2002年的工作。它闡 明了根據(jù)沿PI（兀）-線螺旋掃描軌線采集的縱向截斷數(shù)據(jù)在長物體內(nèi)進行精確區(qū)域重建的可能性。隨 后派生的反投影濾波，以及對任意掃描情況的推廣，極大地豐富了局部CT理論。（4）多平面重建（multi-planner reconstruction， MPR）是指在任意平面對螺旋CT掃描的容積資料 進行多個平面分層重組，形成冠狀、矢狀、斜面及曲面

18、等任意平面的圖像。多平面重建方法適用于全身 各個部位。（5）三維重建（3-dimensional reconstruction）是將螺旋CT掃描的容積數(shù)據(jù)在工作站3D重建軟件 的支持下合成三維圖像，并可進行360。實時旋轉(zhuǎn)，以便從不同的角度觀察病灶。主要應(yīng)用于顱面部及 骨骼系統(tǒng)，以觀察顱底骨質(zhì)、頜面部、脊柱小關(guān)節(jié)、復合關(guān)節(jié)、骨盆等部位的骨折或畸形。CT在臨床中的應(yīng)用（1）CT血管造影（CT angiography，CTA）是指靜脈注射對比劑后，在循環(huán)血液中及靶血管內(nèi)對比劑 濃度達到最高峰的時間內(nèi)，進行螺旋CT容積掃描，經(jīng)過計算機軟件最終重建出靶血管數(shù)字化的立體影 像。（2）CT仿真內(nèi)窺鏡技術(shù)（

19、CT virtural endoscopy，CTVE）是螺旋CT容積掃描和計算機仿真技術(shù)相結(jié) 合的產(chǎn)物，它是利用計算機相應(yīng)的軟件功能，將CT容積掃描獲得的圖像數(shù)據(jù)進行后處理，重建出空腔 器官表觀立體的圖像，類似纖維內(nèi)窺鏡所見。（3）最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）是將經(jīng)線所通過的螺旋CT掃描容積組織 或物體中的每個像素的最大強度值進行投影，反映的是組織結(jié)構(gòu)密度的差異，故對比度很高。（4）最小密度投影（minimum intensity projection，MinIP）是利用螺旋CT容積數(shù)據(jù)中在視線方向 上密度最小的像元值進行投影成像的技術(shù)。該技

20、術(shù)方法主要應(yīng)用于氣道的顯示，如氣管支氣管、喉部等， 有時也用于肝臟增強后肝內(nèi)擴張膽管的顯示。（5）表面遮蓋顯示技術(shù)（shaded surface display， SSD），按照表面數(shù)學模式進行處理，將超過預設(shè) 的CT閾值的相鄰像素連接而重組成圖像。該技術(shù)主要應(yīng)用于骨骼系統(tǒng)，如顱面部、骨盆和脊柱等解剖 結(jié)構(gòu)復雜的部位，其空間立體感較強，解剖關(guān)系清晰，有利于病灶的定位。CT在的臨床應(yīng)用價值：1）中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的螺旋CT診斷價值很高，其應(yīng)用最早，也最普遍，如顱腦腫瘤、腦外傷、 腦梗死及腦出血以及椎管內(nèi)腫瘤和椎間盤突出等的診斷均有很高的價值。2）對頭頸部疾病的CT診斷也很有價值，如眼眶腫瘤、鼻竇疾

21、病、中耳及乳突疾病等。3）胸部由于具有優(yōu)良的天然對比，螺旋CT診斷的價值日益顯出優(yōu)越性，尤其是HRCT的應(yīng)用， 對于早期肺腫瘤、肺小結(jié)節(jié)病變以及肺間質(zhì)病變與肺功能的評價均有很大的診斷價值，有成為 肺臟疾病常規(guī)影像檢查的趨勢。4）腹部及盆腔疾病的CT診斷也應(yīng)用日益廣泛，主要應(yīng)用于肝臟、膽道、胰腺、脾臟、腹腔與腹 膜后腔以及泌尿和生殖系統(tǒng)疾病的診斷；但螺旋CT技術(shù)在胃腸道等管腔臟器疾病的檢查中， 尤其是對早期病變的顯示和診斷還有一定的限度。5）骨骼肌肉系統(tǒng)疾病多通過X線檢查即可以明確診斷，CT應(yīng)用相對較少，但對于腫瘤病變的觀 察和解剖結(jié)構(gòu)復雜部位骨折的顯示可以選擇應(yīng)用CT檢查。6）CT檢查是屬于有

22、一定X射線輻射的技術(shù)方法，在臨床應(yīng)用中應(yīng)掌握防護的原則，如時間防護、 距離防護及屏蔽防護等。四CT技術(shù)的展望醫(yī)學成像系統(tǒng)將向著從模擬圖像到數(shù)字圖像、從平面圖像到立體圖像、從局部圖像到整體圖像、從 宏觀圖像到微觀圖像、從靜態(tài)圖像到動態(tài)圖像、從形態(tài)圖像到功能圖像、從單一圖像到綜合圖像等方向 發(fā)展。即是要獲得多時相（動態(tài)）圖像、多維圖像、多參數(shù)圖像、多模式圖像，以供臨床多種診斷指標 （包括病灶檢測、定性、臟器功能評估、血流估計等）、治療（包括三維定位、體積計算、外科手術(shù)規(guī) 劃等）的多種參考以及多地域顯示觀察。最后，具有很高定量精度的CT圖像一般含有更多的信息 量，特別是能敏CT將極為有用。預期在未來

23、10-20年內(nèi)可研究出象便攜式同步發(fā)射裝置等更先進的X 線源。同時，一類新型的源與檢測器將會問世，它們能直接或間接地生成具有頻率分辨能力的投影數(shù) 據(jù)。統(tǒng)計重建將用來設(shè)計和改善迭代算法，使檢測到的光子能被充分利用，并在CT圖像中加入頻 率這一維。估計這種能敏CT將極大地提高對心肺疾病和各種癌癥的定征。順著這一方向，基于散 射的CT、X線誘發(fā)熒光CT以及其它混合模式CT也將變得非常有用。參考文獻1 Koskinen Jussi. LDA technology today and possibilities in the future C . Presented at ASNT digital im

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