第一节 CT的发展历程
当代CT使用的投影重建图像的数学理论是由美国物理学家柯马克(A.M.Cormack)提出的，他于1963年和1964年在“应用物理杂志”上发表了题为“用线积分表示一函数的方法及其在放射学上的应用”的系列文章，并将其理论成功地应用于简单的CT模拟装置。
1971年由英国豪斯菲尔(G.N.Hounsfield)研制成功了世界上第一台用于临床的CT。1972年，利用这台CT首次为一名病人诊断出脑部囊肿，并取得了世界上第一例CT图像。1974年由美国乔治城大学(George Town University)医学中心工程师兰德利(Ledley)研制设计出第一台全身CT。
CT的问世在放射学界引起了爆炸性的轰动，被认为是继伦琴发现X射线以来工程界对医学诊断的又一划时代贡献，为此，Hounsfield和Cormack共同获得了1979年的诺贝尔生理和医学奖。此后，CT设备与技术的发展十分迅速，根据扫描方式不同，CT的发展大致可分成五代。
如图7-2所示，第一代采用单束平移(translate)＋旋转(rotate)(T＋R)的扫描方式，由一个X射线管和两到三个探测器组成。
图7-2 前四代CT的扫描方式
第二代为窄扇形束平移+旋转方式，把第一代单一X射线束改为扇形线束，探测器数目也增加到3～30个，每次扫描旋转角由1o提高至5o~20o。
第三代采用旋转＋旋转(R＋R)扫描方式，X线束的扇形夹角增大到30o~45o，可包含整个病人的扫描层面，探测器数目也增加到300~1000个，逐个依次无空隙的排列成弧形。
第四代采用静止(stationary)＋旋转(S＋R)的扫描方式，扫描装置由一个X线管与600~2000个探测器组成，这些探测器在扫描架内排列成静止的检测环，探测器静止，X线管围绕病人作360o的旋转运动。
如图7-3、7-4所示，第五代与前四代有着本质上的区别，扫描装置由一个特殊的大型X线管和静止排列的探测器环组成，扫描方式是在旋转—静止扫描的基础上出现了动态空间扫描和电子束扫描，取消了X线管和探测器之间的同步运动，而是利用电子控制的非机械运动式同步扫描。由于没有机械运动，大大提高了扫描速度，故也称之为UFCT。
图7-3 UFCT结构示意图
图7-4 UFCT靶环与探测器截面
20世纪80年代，在第三代CT基础上发展起来的SCT，是大功率X线管、直流逆变和滑环技术(slip-ring technique)结合应用的成果。它利用滑环技术，X线管和探测器同步单方向连续旋转，扫描床带动病人同时沿Z轴方向作匀速直线运动，大角度的扇形X线束包含整个层面，探测器采集到的是螺纹式的层面数据，如图7-5所示。
图7-5 螺旋CT的扫描轨迹
SCT发展十分迅速，早已由单螺旋CT(single-slice CT，SSCT)发展到MSCT。MSCT现已大量应用于临床，很多新技术也得到广泛应用，如双源CT（dual source CT，DSCT）技术、双能量探测器（dual energy detector）技术、飞焦点（flying focus spot，FFS）技术等。
CT的发展趋势
(一)硬件的发展趋势
1．提高扫描速度 从前面介绍的CT可知，设备参数变化最大的是扫描速度。提高扫描速度可以减少运动伪影，提高图像质量。早期常规CT的X线管通过高压电缆和高压发生器相连，扫描时做圆周往复运动，这种扫描方式很难使扫描速度大幅提高。螺旋扫描，特别是多层螺旋扫描，具有速度快、运动伪影少、减少对比剂用量以及无重叠或漏层、三维重建效果好等特点。为实现高速扫描，对X线管的容量和对探测器的灵敏度要求均有大幅度提高。UFCT则完全抛弃了机械扫描运动，采用电子束偏转方式，使扫描速度有了质的提高。
2．提高图像质量 影响CT图像质量的因素有：①X线源性质和探测器的性能：它们直接影响原始数据的质量。②数据数目和扫描速度：所得的数据越多，重建的图像分辨力越高，但必须保证扫描速度快，否则，扫描过程中被检部位移动将产生伪影。③图像重建所用的算法：它对CT成像速度和质量有影响。通常情况下，简单算法的成像速度快，但图像质量较差，反之亦然。因此，CT的算法选择，各生产厂家有其综合的考虑。④数据表达与显示方法。
随着CT硬件技术和软件技术的改进，设备的图像质量已有了明显提高。目前多数CT的密度分辨力已高于0.35％(3mm)；高达1024×1024的图像重建矩阵提高了空间分辨力，使空间分辨力可高于20LP／cm。此外，激光相机的应用明显改进了硬拷贝质量；用电动高压注射器注射对比剂做增强扫描，提高了增强效果和减少了对比剂用量。尽管如此，提高图像质量仍然是CT发展的永恒主题和长期趋势。
3．简化操作 目前，大多数CT由键盘或鼠标输入方式改为部分触摸屏幕式，用以实现人机对话。下拉式菜单的操作方式与传统键盘相比方便了许多，提示清楚、操作简单、图标显示一目了然。工作站的配置，加强了功能，可以做多方面的图像后处理，并可与MRI等其它影像设备联机，有利于诊断。
4．提高工作效率 现今CT采用的计算机多为速度较快的微型计算机，字长大多为32位，运算速度大大提高。图像重建时间大多在10s以内，即使是普及型也大多在1s以内。很多机型采用了多台微型计算机并行工作，实现了扫描、重建、处理、存盘、照相同时进行，使检查时间进一步缩短，病人流通量大幅度提高。作档案保存的12"刻录光盘存储量达5.5GB，可存放512×512图像近2万幅，这种光盘数据检索速度极快，保存性能好，保存时间至少在10年以上，所占的存放空间也大大缩小。磁带或软盘逐渐被淘汰。
5．缩小体积 采用高频X线发生器，可将其安装在扫描架上；用微型计算机替代小型计算机，无需单独的计算机房，可将其安装在控制台内；同时还出现了移动式CT。
6．降低剂量 CT检查时，病人接受的X线剂量较高，在不降低CT图像质量的同时，如何使X线剂量尽可能小，是人们始终关注和不懈努力的一个重要的研究课题。
(二)设备功能的发展趋势
1．血管成像 CTA是血管造影技术与CT快速扫描相结合的一种技术，它是以SCT扫描为基础，静脉快速注射对比剂，应用计算机三维重建来显示血管结构的成像技术。CTA能在血管内对比剂高峰期获得大型薄层扫描图像，并采用特殊重建方法，显示血管的解剖细节。它是一种无创伤性的临床评价血管疾病的方法。目前SCT，特别是MSCT的CTA用于颅脑，可较好地评价颅内动脉瘤，估计颅内血管与肿瘤的关系；用于腹部可进行腹腔动脉、肾动脉狭窄的检查；用于冠脉则可较好地诊断冠心病。
2．三维图像重建 采用薄层连续或重叠扫描并借助计算机处理可获得三维立体图像，这比二维图像具有更高的诊断价值，对复杂解剖部位如头颅、脊柱、骨盆及膝关节等的病灶提供精确定位，有利于手术和放疗计划的进行。MSCT的三维图像重建更加方便快捷，且大幅度提高了Z轴分辨力。
3．CT引导下的介入治疗 由于CT成像快、图像清晰，可即时清楚地显示病灶与周围组织结构的关系，因此可在CT引导下进行介入诊断与治疗。例如在CT引导下的胸部穿刺活检，对确定病灶性质具有重要意义。
4．仿真内窥镜 CT仿真内镜成像是利用计算机软件功能将SCT容积扫描获得的图像数据进行后处理，重建空腔内表面的立体图像，再用电影功能依次回放，从而获得仿真内镜效果。SCT内镜成像能获得喉、气管、支气管、结肠、鼻腔甚至主动脉腔内膜的仿真内镜图像，能显示腔内病灶的形态，还能从梗阻远端观察情况，因此CT仿真内镜提供了一种无创伤性的诊断方法，可作为纤维内镜的补充诊断手段。
5．放疗计划 CT的另一个重要用途是放射治疗。通过CT可对肿瘤原发位置准确定位，探索局部转移和淋巴瘤，确认肿瘤对放疗的敏感性，监视放疗的效果等。操作人员可用图形输入装置在CT图像上圈定轮廓，或以CT值为基础设定密度，以标准方法做射线束定位，用计算机计算深部治疗剂量，或单独计算等剂量曲线，还可实施横断面外的计算，使等剂量曲线呈现在冠状面和矢状面上，从而实现等剂量曲线的三维显示。
用于治疗的CT图像对空间分辨力和密度分辨力的要求比用于诊断的高。这是因为诊断往往只需确定肿瘤的有无，而治疗却要十分精确地知道肿瘤的位置、密度及其实际尺寸。肿瘤的密度通常与周围组织非常接近，这就要求CT的密度分辨力高，以便清晰地显示肿瘤边缘。CT、X线机、MRI设备的成像比较如表7-1所示。
表7-1 CT、X线机、MRI设备的成像比较
项目 | X线机 | CT | MRI |
成像 方法 | 直接成像，可简单分为透视和摄影两种成像方式。 | 利用计算机重建技术计算体层中各体元的衰减系数，重建出体层解剖图像。 | 利用计算机重建技术计算体层中各体元的质子自旋变化信号，重建出解剖图像及一定程度上的生理生化信息。 |
辐射 特点 | 锥形束检查；X线质软，吸收多穿透少；辐射剂量较大。 | 扇形束检查；X线质硬，吸收少穿透多；辐射剂量较大。 | 利用射频脉冲激励，无辐射损伤。 |
成像 效果 | 重叠图像，对厚的组织及密度高的组织图像欠清晰。 | 体层图像，图像清晰，解剖位置确定，空间分辨力较高。 | 图像清晰，解剖位置确定，对比度分辨力高，且可任意方向体层成像。 |
