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CT成像原理及设备
(一)CT的成像原理与方式
CT与常规X线摄影一样，它的成像也是利用了X线的原理。X线穿过人体各组织后会发生衰减，主要是因为能量被吸收(同时也有散射的缘故)。不同的组织会有不同衰减系数，也就是说不同的组织会有不同的X线衰减程度，而所有的应用X线的成像技术和模式都是以此为基础的。目前所应用的投影方式X线成像技术可分为两类，模拟成像和数字成像，CT则是应用数字成像的典型。
1.数字成像所谓数字成像实际上就是将模拟信号数字化，也就是把连续变化的模拟曲线变化给予相应的具体值，形成离散而非连续的数字值。这些数字以行和列的排列形式组成数字矩阵，然后将数字矩阵转化为可视图像的像素矩阵，每个像素根据数字矩阵中相应的数字以不同的亮度(即灰阶)表现出来。
在X线数字成像中，一种是模拟图像数字化;另一种是将获得信息由模拟量直接转换成数字(模数转换)量，然后成像，如CR和DR。CT和这些数字成像又有所不同，并非直接测量而是经过不同方式的计算方法使每个像素数字化，是个间接过程。
与模拟成像相比，数字成像的优势很多，可以进行高保真的存储(磁带及光盘)和传输(电缆、电话及卫星)，并且随时可以高保真的调阅，这是胶片存储所不及的。可以进行图像后处理(改变对比度、灰阶和图像大小，计算距离、面(体)积、测量像素或感兴趣区的密度值以及二维三维甚至四维的图像重建);软组织对比度分辨力(密度分辨力)也明显高于模拟成像，它的不足之处是空间分辨力较模拟图像低得多，目前最多为1024x 1024矩阵。
2.CT扫描模式
(1)断层扫描CT的X线球管发出的X射线与常规x线摄影的不同，在准直器的作用下，X射线呈有一定厚度的笔形或扇形束穿过相同厚度的人体断层，到达对面替代常规X线摄影中胶片感光颗粒和荧光屏作用的检测器(detector)，检测器的作用是将穿过人体不同组织后衰减的X线的强度转换成不同电流强度的电信号通过输送电缆送人计算机。这个X线束用不同的运动方式(直线或旋转)以脉冲形式依次从不同投射角度穿过人体的同一解剖断层，检测器将所得数据依次送人计算机，由计算机计算出这一断层矩阵中每一个像素的密度值(CT值)组成数字矩阵.再以灰阶形式显示在监视器上。一个断层扫描完毕，扫描床移动使另一个断层对准x线束再进行扫描。螺旋扫描出现之前所有的CT机器都是这一种扫描方式，螺旋扫描问世后将这种断层扫描方式称为常规CT扫描以与螺旋扫描相区分。
断层扫描主要有以下三种运算方法：①反投影法(back projection)，亦称综合法(summation method);②迭代法(interactive methods)，包括代数重建法(algebraic reconstruction)、逐线校正法(ray -by -ray correction)、逐点校正法(point- by -point correction);③解析法(analytic methods)，包括二维傅立叶转换法(two-dimensional Fourier analysis)、滤波反投影法(filtered back-projection)和褶积反投影法(convoluted back-projection )。在上述三种重建方法中，由于运算量较小、图像质量较高，解析法的使用最多。
(2)螺旋扫描：滑环技术是上世纪70年代末开始采用的新技术。滑环时代之前，含有X线球管的旋转部分与静止部分之间的馈电和信号传输是靠电缆来完成的，电缆的有限长度限制了球管的旋转运动，使球管的运动只能是双向往返式，无法向一个方向进行连续扫描。所谓滑环装置，就是用类似发电机上碳刷作为旋转部分，带有凹槽的滑环作为固定部分，代替电缆来进行固定部分与旋转部分之间的馈电和信号传输。省却了电缆，使球管可以向一个方向连续旋转。
螺旋扫描是在滑环技术应用的基础上发展起来的一项新的扫描方式。扫描过程中，X线球管围绕机架连续旋转曝光，曝光的同时检查床同步匀速移动，探测器同时采集数据，由于扫描轨迹呈螺旋线，故称螺旋扫描。螺旋扫描的特点是将传统常规CT的二维采集数据发展为三维采样。这种采样完全不同于常规CT的采样，常规CT中采样时患者(检查床)静止不动，因而是一次二维采样。采样完成后检查床运动一段距离，再进行另一层面的二维采样。两次采样之间存在间隔。螺旋扫描则不同，球管连续旋转曝光的同时，检查床也在匀速运动，直至扫描完预定范围，由于扫描的轨迹呈螺旋状，所以称之为螺旋扫描。螺旋扫描是整个扫描区域连续不问断的三维采样，又称为容积或体积采样，然后自三维数据中再重建出二维断层图像。所以螺旋扫描又称体积或容积扫描(volume scanning)，这种采样为数据的后处理带来了更大的灵活性。由于螺旋扫描的轨迹呈螺旋状，与常规CT的扫描方式不同，扫描一周的起点与终点不在同一点上，这样在图像重建时采用的方法亦不同，它采用的是内插法，又称差补法(interpolation)。
螺旋扫描与常规断层扫描相比，有两大优势。第一是“快”，即扫描速度快。例如常规断层扫描一个扫描周期大约10秒，如果扫描范围为100mm，层厚为lOmm，全部扫描时间需要100秒。如果用螺旋扫描，旋转一周为1秒，螺距为1，层厚和扫描范围不变，仅仅需要10秒，快了10倍。因此螺旋扫描可以大大缩短患者的检查时间，患者免去长时间平卧在检查床上的痛苦和长时间的待诊带来的烦恼。“快”还可以使整个扫描区域内的动态增强扫描成为现实，而常规CT只能在一或几层内完成动态扫描，这就为许多病变的诊断与鉴别诊断带来更多更有意义的信息。“快”还能在允许的扫描时间内覆盖更长的范围，例如可以一次屏息完成肝、胰腺甚至肾脏的扫描。螺旋扫描的第二个优势是“容积数据”，由于孔径的限制，CT扫描只能获得人体的横断层解剖图像，前后左右的关系十分明了。但是上下解剖关系的显示始终是CT的缺陷。“容积数据”可以在工作站上进行图像后处理，重组成高质量的冠状、矢状、斜位甚至曲面图像，弥补了只能横断扫描的缺陷。还可以进行三维图像的重建，使我们能够立体地观察病变。常规CT在胸腹部扫描中常常遇到一个难题，即患者无法做到每次屏息的呼吸幅度完全一致，虽然扫描床的移动非常精确，实际获得的每两层面之间纵轴方向的连续性很差，对于较小的病灶很容易在两次扫描之间漏掉。这是实际应用中非常令人头痛的事。“容积采样”是在一次屏息中获得的连续数据，不会再产生上述问题。
(二)CT设备
1.扫描部分
(1)高压发生器：它的作用是为X球管产生X线提供稳定的直流高压，CT、球管大约需要120～140kV的直流高压。随着各种技术的发展，高压发生器的性能越加稳定，体积亦越来越小。早些时候的常规X-CT、及高压滑环CT的高压发生器位于扫描架(gantry)之外，对其体积的要求不是很高。而具备螺旋扫描功能的低压滑环CT则需配备放置在扫描架之内的小巧的高频高压发生器。
(2)X线球管：作用是发射X线。
(3)准直器：准直器是位于球管前方，通过可调节窗口决定X线宽度的装置，使X线呈有一定厚度的扇形束状，调节窗口的宽度可变换X线束的厚度，决定扫描的层厚。
(4)探测器：它的作用是接收衰减后的X线并将其转化成为电信号。新—代的固体探测器已有开发，如稀土陶瓷探测器转换率高达99.99%，余辉也非常短，适合高速扫描的要求。
(5)扫描架和扫描床：扫描架内装沿轨迹运动的X线球管，球管对面是成排的探测器(或与球管同时运动，或固定在扫描架上)，二者之间是扫描孔，球管(或与探测器一起)围绕扫描孔旋转并发射X线，对位于扫描孔内的被扫描物体进行扫描。常规CT及高压滑环CT、扫描架内不装备高压发生器，而低压滑环CT则要将小巧的高压发生器安装在扫描架内的旋转部分。扫描床上载被扫描物体，可作垂直和平行两相运动，扫描时调整好高度，并将被扫描物体送人扫描孔，到达预定扫描位置。断层扫描时，扫描床固定不动，扫描间隙移动到下一层扫描位置。螺旋扫描时，扫描床匀速前进或后退。扫描床的要求一是移动精度，目前最先进扫描床的移动精度可达0.5mm。另一要求是舒适程度。
2.计算机部分 CT机具有两个计算机系统，一是主计算机系统，一是阵列处理器。计算机部分是CT的“心脏”，承担着如下任务：①扫描程序的控制;②信号的接收和处理;③图像的重建以及图像的后处理。硬件的配置要求尽量快的计算速度和尽量大的容量，以用最快的速度计算出高质量的图像。
3.图像显示及存储部分
(1)显示器：用于CT图像的显示，目前已采用高分辨力的大屏幕彩色监视器，以适应高分辨力图像，很多新的CT已经采用高质量的液晶显示屏幕，使得监视器变得更薄、更轻便。
(2)存储器：重建图像的暂时存储一直是硬盘存储，有利于随时调阅及图像后处理。现在多用磁光盘或小型磁带作为永久存储。
(三)操作控制部分
1.在控制台上可以进行扫描范围的确定，各种扫描条件(层厚、间隔、kV、MAS及视野)和扫描方式(常规或螺旋)的选择。
2.图像后处理，包括图像的调阅及图像的后处理，如各种二维及三维重建，各种血管成像以及CT值和距离、面积的测定，窗宽窗位的调节等。可以将图像转输到独立工作站去处理，独立工作站具有另一台图像处理计算机，可以独立进行各种图像后处理，不再会影响扫描。
3.照相系统
(四)多层螺旋CT
1.原理与构造特点
(1)纵轴多排探测器：单层螺旋CT的Z轴方向只有一排探测器，多层螺旋CT改变为具有多(2～64)组排探测器阵列，不同厂家的探测器排数和构造不同。
(2)锥形X线束：单层螺旋通过准直器后的x线束为薄扇形，因为对面z轴方向只有一排探{贝4器接收信号，所以，x线束的宽度等于层厚。多层螺旋由于对面z轴方向是具有多个通道的多排探测器，X线束的宽度等于多(2～64)个层厚之和，改变为锥形X线束，最厚可达40mm。提高了X线利用率。
(3)多个数据采集通道：单层螺旋仅有一组通道采集数据，目前的多层螺旋则根据层厚的不同把多排探测器组合成不同的若干组，目前最多可以达到64组输出通道。64组通道在扫描过程中，同时分别对各自连接的探测器接收的X线所产生的电信号进行采集、输出。
(4)球管旋转一周可以获得多幅图像：单层螺旋一个旋转周期只能获得一幅图像，目前的多层螺旋一个采样周期可获得2～64幅图像。
2.多层螺旋CT的优势
(1)降低球管消耗：常规和单层螺旋C'I、球管旋转一周仅能获得一幅图像。多层螺旋CT球管发射同等量的x射线，可以获得2～64层图像，使得x线的利用率提高到单层扫描的2～64倍。
(2)覆盖范围更长：由于探测器侧具有4～64个数据采集通道，使用同样的层厚、同样的扫描时间，使在一次屏息内完成更长范围的扫描成为可能。目前64层螺旋可在20秒左右，以亚毫米的薄层，完成自胸廓上口到耻骨联合整个躯干的扫描。
(3)检查时间更短：多层螺旋则使扫描时间又进一步缩短。在保持原来的层厚，覆盖原来一样的长度，相当于同样螺距的条件下，扫描时间明显缩短。64层CT可以在10秒以内完成亚毫米层厚的肝脏扫描。64排CT可以在5秒内完成0.625毫米层厚的心脏扫描。
(4)扫描层厚更薄：由于具有4～64个数据采集通道，可以在一次屏息扫描中，同样的扫描时间，保持原来覆盖长度的条件下，采用更薄的层厚完成检查，大大提高了Z轴方向的空间分辨力。
(5)图像后处理功能更强：多层CT多采用更薄的层厚进行检查，增加了Z轴方向的空间分辨力，可以达到各向同性扫描。使我们在扫描后的图像后处理工作中获得空间分辨力明显提高的各种重组或重建图像。
(五)电子束CT(electronic beam CT，EBCT)
1.原理与构造特点 又称超高速CT(ultrafast CT，UFCT)。它的结构与常规(第三、四代)CT有很大不同。X线的产生做了重大改革，不是用普通的旋转阳极球管，而是采用先进的电子束技术，从阴极的电子枪发出电子束并加速形成高能电子束.通过磁性偏转线圈使电子束以极快的速度在201。弧形阳极靶面上扫描一遍，产生X线束，再折射到靶面对面的探测器上，以电子束移动代替球管的旋转，扫描速度产生一个飞跃，最快可达到几十毫秒。
2.应用特点 电子束CT的最大优势就是其极快的扫描速度，非常适合进行心脏的扫描，可获得不同心动周期的清晰图像。不仅能对心脏形态学的改变进行诊断，而且可以测定心脏功能。可对冠状动脉壁的钙化进行量的测定以推断其狭窄程度。进行冠状动脉CT血管成像。目前电子束CT在临床上主要用于心脏疾病、急症(躁动)患者及小儿的颅脑和体部扫描。
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