第一章　多层螺旋CT成像基础

20世纪80年代CT扫描机问世以来，根据其发展的时序和构造性能，大致可分成五代，而发展到螺旋扫描方式的CT扫描机则一般不再以代称呼，现将各代CT扫描机的主要特点叙述如下：

第一代CT扫描机为旋转-平移扫描方式，多属头颅专用机。X线管是油冷固定阳极，扫描X线束为笔形束，探测器一般是2～3个。扫描时，X线管和探测器环绕患者做旋转和同步直线平移运动，X线管每次旋转1°，同时沿旋转反方向做直线运动扫描。下一次扫描，再旋转1°并重复前述扫描动作，直至完成180°以内的180个平行投影值。这种CT扫描机结构的缺点是射线利用率很低，扫描时间长，一个断面需3～5分钟。

第二代CT扫描机仍为旋转-平移扫描方式，与第一代CT扫描机相比没有本质差别。扫描X线束由笔形改为5°～20°的小扇形束，探测器增加到3～30个，平移扫描后的旋转角度由1°提高到扇形射线束夹角的度数，扫描的时间缩短到20～90秒。与第一代CT扫描机相比，第二代CT扫描机缩小了探测器的孔径，加大了矩阵，提高了采样的精确性，使图像质量有了明显的改善。这种扫描方式的主要缺点是：由于探测器排列成直线，对于扇形的射线束而言，其中心和边缘部分的测量值不相等，需要进行扫描后的校正，以避免伪影的出现而影响图像质量。

第三代CT扫描机改变了扫描方式，为旋转-旋转方式。X线束是30°～45°较宽的扇形束，探测器数目增加到300～800个，扫描时间进一步缩短到2～9秒或更短。这种方式的探测器或探测器阵列排列成彼此无空隙的弧形，数据的采集以X线管为焦点，随着X线管的旋转得到不同方位的投影，这种排列使扇形束的中心和边缘与探测器的距离相等，无需进行距离测量差的校正。这种扫描方式的缺点是：扫描时需要对每一个相邻探测器的灵敏度差异进行校正，否则同步旋转的扫描运动会产生环形伪影。而所谓的旋转-旋转方式是X线管做360°旋转扫描后，X线管和探测器系统仍需反向回到初始扫描位置，再做第二次扫描。近年发展的螺旋CT扫描方式，其基本结构仍归类为第三代CT扫描机，但它采用了滑环技术，取消了往复式的旋转，是单向的连续旋转。

第四代CT扫描机的扫描方式只有X线管的旋转。X线束的扇形角比第三代CT扫描机更大，达50°～90°，因此也减少了X线管的负载，使扫描速度可达1～5秒。这一类的CT扫描机具有更多的探测器，可达600～1 500个，全部分布在360°的圆周上。扫描时，没有探测器运动，只有X线管围绕患者做360°的旋转。与第三代CT扫描机扫描方式不同，在第四代扫描方式中，对于每一个探测器来说所得的投影值，相当于以该探测器为焦点，由X线管旋转扫描一个扇形面而获得，故此种扫描方式也被称为反扇束扫描。由于第三代CT扫描机的探测器在性能不稳定时易产生环形伪影，而采用了第四代的设计，第四代CT扫描机的探测器可获得多个方向的投影数据，故能较好地克服第三代CT中出现的环形伪影，但随着第三代CT扫描机探测器稳定性的提高，并在软件上采用了相应的措施后，第四代CT扫描机探测器数量多且在扫描中不能充分发挥作用，相对于第三代CT扫描机已无明显的优越性。

第五代CT扫描机又称电子束CT，它的结构明显不同于前几代CT扫描机。它由一个电子束X线管、一组864个固定探测器阵列和一个采样、整理、数据显示的计算机系统构成。最大的差别是X线发射部分，它有一个电子枪、偏转线圈和处于真空中的半圆形钨靶。扫描时，电子束沿X线管轴向加速，电磁线圈将电子束聚焦，并利用磁场使电子束瞬时偏转，分别轰击4个钨靶。扫描时间为30毫秒、50毫秒和100毫秒。由于探测器是排成两排216°的环形，一次扫描可得2层图像；还由于一次扫描分别轰击4个靶面，故总计一次扫描可得8层图像。

螺旋CT扫描机改变了以往扫描方式，是连续、单向的旋转，射线束仍为大扇束。单层螺旋CT的螺旋扫描时间是1秒左右，而多层螺旋CT目前扫描的最短时间为0.25秒，1次扫描时间更短。单层螺旋CT的探测器数目与第三代CT扫描机相比没有数量的增加和材料的改变，但是多层螺旋CT的探测器不仅在数量上有较大的增加，而且改用了超高速的稀土陶瓷等新型材料，使射线的利用率大大提高，从原来的50%左右上升到99%。射线束角度与以往的非螺旋CT扫描机相似。扫描层数在单层螺旋机中仍为每次1层，在多层螺旋机中1次扫描最多可达640层，结合层厚、扫描通道的组合运用，已可满足心脏等动态器官的成像需要。单层螺旋CT只是提高了连续扫描的能力，而多层螺旋CT不仅扫描速度快、覆盖范围大，而且几乎能做人体所有器官的扫描检查。

非螺旋CT的探测器之间通常有一个很小的间隙，为了减少扫描测量误差，新的设计将探测器移动四分之一距离，产生滤线栅样作用，结果得到两组不同的采样数据。将两组数据用于图像重建，可得到较好的图像质量。

现在的CT扫描机都采用滑环结构，它可以分别作非螺旋方式扫描和螺旋方式扫描，非螺旋方式扫描时机架上的滑环也是单向连续旋转，根据扫描参数的设置做定时、间断的扫描。

非螺旋CT扫描通常是患者和检查床固定的情况下，机架旋转、X线曝光，同时采集一个层面扫描的原始数据，由计算机作图像重建后传送给显示器显示，在两次扫描的间隔时间内移动床位，准备下一层面的扫描，在扫描时患者屏住呼吸，扫描间隔的停顿时间，患者被允许呼吸，如此周而复始，直至扫描完预定的整个检查部位或器官。一般，这一过程必须经历4个步骤才能完成，即X线管和探测器系统启动加速、X线管曝光采集扫描数据、X线管和探测器系统减速停止和检查床移动到下一个检查层面。而螺旋CT扫描，是在X线管-探测器系统连续旋转的基础上，患者随床一起以一定的速度纵向连续运动，同时X线连续曝光并采集数据，扫描完毕，可根据需要进行不同层厚和层间距的图像重建。从以上简单的归纳，我们看到非螺旋CT逐层扫描的方法有很多不足之处：①由于X线管电缆的制约使一次检查的时间相对较长，因为X线管-探测器系统的旋转为避免电缆的缠绕必须反转，而这一机械逆向运转又减缓了下一次启动的速度；②由于患者的屏气、呼吸、再屏气造成了呼吸幅度的不一致，有可能造成被检查部位中的小病灶的遗漏；③同样由于呼吸的原因，在多平面重组和三维成像的图像中会产生阶梯状伪影；④由于非螺旋CT扫描需要不断地启动停顿，整个检查时间长，在增强扫描检查中，可能难以抓住最佳对比剂显示时机，一个检查部位的增强扫描，增强效果较好的往往可能只有几层。

螺旋CT采用了滑环技术，去除了X线管和机架连接的电缆，X线管-探测器系统可以单向连续旋转，每旋转360°一般为1秒左右，使扫描的过程明显加快。又因为扫描时检查床同时单向移动，X线管焦点围绕患者旋转的运行轨迹形成一个类似螺旋管，它采集的不是一个层面的数据，而是一个器官或部位的扫描数据，因而这种扫描方法又被称为容积扫描（volume CT）。容积扫描一般有以下要求：①基于滑环技术的扫描架连续旋转运动；②检查床单向连续移动；③X线管的负载增加，一次旋转X线管的电流输出常常大于200mA，以适应容积数据采集的需要；④X线管冷却性能必须提高；⑤采用螺旋扫描加权图像重建算法；⑥大容量的内存，适应大容量、快速数据采集的要求。

容积扫描和非螺旋扫描最大的不同是数据的采集方式，在容积扫描方式中，X线管运行轨迹的半径（焦点至旋转中心）等于运行距离，因而能够得到一个完整的容积采集数据。在螺旋方式扫描时，检查床的平移速度必须恒定也不能太快，否则会使重建后图像产生运动伪影，甚至使患者产生眩晕，一般为10～20mm/s。螺旋扫描因不同于非螺旋扫描方式，所以有下述一些新的概念：①没有明确的层厚概念，因此无法按照非螺旋扫描方法来确定层厚；②根据螺旋扫描的运行轨迹，层面表示也完全不同。非螺旋扫描经过360°旋转，采集到的是一层完全平面的扫描数据，而螺旋扫描则是采集到一个非平面的扫描数据，焦点轨迹的路径不形成一个平面，是一个容积采集区段；③由于扇形扫描束和检查床的移动，有效扫描层厚增宽；④常规标准方法的图像重建要求扫描能产生一致的投影数据，而螺旋扫描由于螺旋运行轨迹，没有明确的层厚使扫描投影数据产生不一致；⑤由于不一致的投影数据，如果采用常规标准方法重建，会使重建后的图像产生条状伪影。

2007年的北美放射学年会，多家厂商宣布推出128层、256层以及320层多层螺旋CT扫描仪，标志着多层螺旋CT发展进程的步伐又迈出了坚实的一步。

128层螺旋CT的设计，采用零兆X线管（straton tube），发生器功率100kW，机架开口的孔径78cm。探测器阵列纵向的排列方式为等宽64排，单个探测器宽度为0.6mm，纵向探测器阵列的总宽度为38.4mm。128层的采集方法仍采用Z-sharp飞焦点技术，即利用64排物理探测器阵列通过曝光时焦点瞬间的变换，获得双倍的采样，机架扫描一周最短时间缩短到0.30秒。在扫描功能上除了64层已有的功能外，还可以进行螺旋动态方式扫描，螺旋动态扫描最大覆盖范围可达27cm。

256层螺旋CT的设计，探测器的物理排数为等宽128排，单个探测器的宽度0.625mm，探测器阵列纵向的宽度为80mm。扫描机架旋转部分采用了空气轴承技术，使旋转一周扫描时间缩短至0.27秒，心脏成像时的时间分辨力可达34毫秒。并且也采用了飞焦点技术，使128排的物理探测器阵列通过 z轴双倍采样，获得了旋转一周256层图像的结果。在心脏冠状动脉成像方式中，256层CT可采用螺旋或非螺旋扫描方式，两种方式的机架旋转时间都是0.27秒，螺旋扫描可使用全部80mm的探测器，但相对而言，非螺旋扫描的图像质量较高和辐射剂量较低。动态扫描最大覆盖范围40cm，动态连续扫描时间20秒。

320层螺旋CT的设计，在2007年北美放射年会上首次推出，其探测器阵列物理排数也为等宽并且达到320排，每排探测器的宽度为0.5mm，因此该款机型探测器阵列纵向的物理总宽度达到160mm，扫描机架旋转一周的最短时间是0.35秒。在冠状动脉扫描成像方式中，采用非螺旋扫描模式，由于160mm足够覆盖整个心脏，故在心率控制良好的情况下，一次旋转就能完成整个心脏图像的采集。心脏成像的图像重建方式根据心率的变化有单扇区（180°）、双扇区（90°）、3 扇区（60°）以及 5 扇区（36°）。 在螺旋扫描方式中，由于大探测器阵列的辐射剂量、对比剂注射流速和高速床移动的原因，320层CT只采用了其中的64排探测器阵列，即32mm的物理覆盖宽度。

在320层CT基础上，随后又研发成功640层容积CT，单次扫描获得640层图像，单圈扫描实现单一脏器或器官全覆盖，实现全脑、全肝或全心脏灌注成像。同时研制成功的256层/128排探测器，可以达到0.27秒的单圈扫描时间。

它使用的探测器是宝石探测器，光电转化率更高，余晖效应时间更短；另外它用的是动态变焦X线管，可以进行双能成像、功能性成像。另外，0.5ms双能切换变压器可以使它的能量变焦，如从80kV经过0.5秒一下跳到140kV。它的密度分辨力非常高，另外它的数据采集系统包括重建方法都发生了新的变化，可减少伪影、降低噪声、增加了图像的清晰度，可以达到高保真、高清晰度成像。

宝石CT的基本特点：可使用能谱分析物质组成成分，使CT成像进入分子成像新领域。

机架内装有2个高压发生器、2个直接冷却的零兆金属X线管、2套超快速陶瓷探测器组、2套数据采集系统（DAS）采集CT图像。2套X线的发生装置和2套探测器系统呈一定角度安装在同一平面，可以进行同步扫描。在旋转时间相同时，双源CT可以突破单源CT极限，大大提高时间分辨力，有利于对高心率、心律不规整甚至心律不齐患者进行心脏成像。同时，2个射线源能够输出不同能量的X线。利用双能曝光技术明显改善CT的组织分辨力。2套X线管既可发射同样电压的射线也可以发射不同电压的射线，从而实现数据的整合或分离。不同的两组数据对同一器官组织的分辨能力是不一样的，通过两组不同能量的数据从而可以分离普通CT所不能分离或显示的组织结构，即能量成像。如果是两组数据以同样的电压和电流值扫描则可以将两组数据进行整合，快速获得同一部位的组织结构形态，突破普通CT的速度极限。

近10年来CT技术飞速发展，CT不论从检查方法还是诊断模式都发生了巨大的改变。具体表现有以下几个方面：

在非螺旋CT时最快是旋转一周扫描时间为1秒左右。单层螺旋CT旋转一周扫描时间虽未缩短，但由于扫描方式的改变，缩短了扫描周期，使单位时间内的患者检查数量提高。4层螺旋CT扫描时间进一步缩短，旋转一周扫描时间缩短至0.5秒，其单位扫描时间的图像获得率又有所提高。16层CT旋转一周扫描时间缩短至0.42秒。而目前的CT旋转一周扫描时间可以缩短至0.25秒。扫描速度的提高改变了某些部位、器官的检查方法，如肝脏增强CT扫描，现在的多层螺旋CT扫描，一次检查可以做肝脏的三期甚至四期的扫描，使影像检查对某些疾病的诊断准确性又提高了一步。

旋转一周的扫描时间缩短使CT能做一些运动器官的检查，如心脏检查。一次旋转图像获得率增加，更使CT的检查范围扩大，如大面积创伤患者，可以在短时间内获得从胸腔至盆腔大范围扫描。

64层以上甚至640层CT由于扫描层厚更薄，一次旋转获得的层数大大增加。因而一个部位或器官的检查往往可获数百甚至上千层图像。因为图像数量急剧增加，产生了一种新的诊断模式——CT图像后处理诊断模式。

（1）分辨力的提高：目前4层螺旋CT扫描的横向分辨力已达到0.5mm，纵向分辨力达到了1.0mm；16层螺旋CT的横向分辨力也是0.5mm，纵向分辨力达到了0.6mm，基本达到了各向同性；而新近推出的螺旋CT的横向和纵向分辨力分别达到了0.3mm和0.4mm。

（2）CT计算机图像处理的速度越来越快：目前16层CT水平面的图像重建可达6幅/s，64层CT可达40幅/s，后64层时代重建速度更快。

（3）层厚及纵向分辨力的改善：由于CT的扫描层厚更薄以及纵向分辨力的改善，使各种后处理方法图像的质量更高，其中多平面重组已可作为水平面图像的补充，甚至可完全替代水平面的图像。

（4）计算机软、硬件技术的发展和普及，对CT图像后处理技术的发展起到了重要的推动作用。

（5）图像质量的改善和成像模式的改变推动了图像后处理技术的发展。

双能量成像方法早期曾用于数字X线摄影（digital radiography），2005年首次将双X线管引入CT检查中，由此开拓了CT双能成像的新领域。

双能量CT成像的基本原理是X线与物质相互作用时的衰减定律。在早期的X线性质研究中我们已知，相同能量的单能谱射线与单一物质相互作用时，其衰减值是不变的，同样在多能谱射线中我们可采用平均辐射能的计算方法来计算某一物质的衰减值，采用两种有差值的不同能谱对同一种物质进行照射后，我们可利用已知的某一物质的衰减值，以及使用不同辐射能衰减值的差值来计算衰减差，最终由计算机图像处理系统完成双能图像的重建。

目前在CT临床应用中的双能成像方法主要有两种：一种是双源CT扫描仪，它采用两个X线辐射源（X线管）产生两种不同的辐射能量对患者进行扫描检查；另一种是采用单个X线辐射源，利用专门设计的高压发生器，瞬间产生高低不同的辐射能，达到双能CT检查的目的。相比较而言，前者对探测器的响应和刷新速度要求不高，但必须同时采用两套X线发生和接收系统，其高压发生器是专门设计、合二为一的，但在扫描机架中同时装备了2套X线管和探测器系统。后者X线管和探测器系统只有1套，它利用特殊设计的高压发生器系统，使曝光的同时产生两种电压的瞬间变化，这种变化的转换速率可达0.35毫秒。由于需在很短的瞬间接收两种不同的能量，其探测器材料上也有改变，采用加入碳分子结构（俗称宝石）物质来替代探测器中的某些材料，其作用首先是大大缩短了探测器的响应时间和余晖时间（响应时间约缩短为1/150，余晖时间约缩短为1/10），其次是提高了CT成像后的图像质量。

在不同的辐射能量时，并不是所有的物质都能显示明显的衰减差值，但至少是目前已知的人体组织和一些其他物质都表现出了良好的衰减差，如骨骼和碘剂。在临床应用中，双能CT成像一般选择使用的千伏值是140kVp和80kVp，其主要原因是因为这两种千伏值在CT成像中的剂量效率最高；同时在双能CT成像时所使用mAs的比值一般要求为1∶4，即140kVp使用1mAs，则80kVp的扫描使用4mAs，以使两次扫描所获得的噪声水平相同并便于能量衰减的计算。

双能CT成像的临床应用范围目前尚无法明确，但从已知的初步临床应用结果来看，已展示了其良好的应用前景，如：从增强图像获得虚拟平扫图像；显示和分辨肌腱、韧带；胆囊结石和肾脏结石的成分分析；去除血管壁上的钙化斑块；减少金属伪影；CT血管造影的直接去骨功能；肺灌注异常的评估等。

人体组织中不同化学成分都具有特有的能谱衰减系数，利用这种特性，可以对组织进行解剖学、病理学的观察。有的能谱CT能够实现101个单能谱成像，为分离组织和消除伪影开拓了广阔空间，现在能实现水、碘、钙物质分离及组织定性及定量分析，能发现常规CT不能发现的早期病灶。

展望未来CT的发展，由于物理机械学方面的一些因素，使得扫描速度不可能无限制拓展。但随着软件技术的进步，功能性成像、各种成分分离技术的提高，以及伪影、噪声干扰的进一步抑制与消除，我们必将会得到更有诊断价值的图像。