第四节   滑环CT和螺旋CT的结构

20世纪80年代初，尽管具有较高性能指标的UFCT研发成功，但人们仍没有停止机械扫描式CT的研究，并提出了螺旋扫描的概念，1989年螺旋CT正式投入临床应用。

一、螺旋扫描过程

常规CT的扫描通常是一层一层进行的，我们称之为逐层扫描或轴向扫描。下面是某常规CT的扫描过程：扫描开始，旋转架从起始位置(-44^o)开始加速旋转，至0^o位置时达到正常转速，从0^o到360^o转速恒定不变，360^o后，旋转架减速，直到404^o停止。旋转架从0^o到360^o恒速旋转过程中，旋转电机通过齿轮系统驱动位置编码器，旋转架每旋转0.6^o产生一个位置脉冲，旋转1周共产生600个位置脉冲。每个脉冲使高压发生器产生1次高压，X线管产生X线，从而采集1组数据。600个位置脉冲采集600组数据，这些数据将作为重建图像时的原始数据。因涉及电缆缠绕问题，旋转架只能作往复转动，每次转动都有一个“启动-恒速-停止”的过程，扫描“延误时间”较长，故缩短扫描时间很困难。

20世纪70年代末，常规CT开始采用滑环技术。下面是应用滑环技术的某常规CT扫描过程：当扫描指令发出后，旋转架单向加速连续旋转，待达到预定转速后，便匀速转动并开始正式扫描。在此期间，扫描架每转动2周为1个扫描周期。1个扫描周期内，1周产生X线，采集当前层面的数据；另1周不产生X线，扫描床推进(后退)一个层面的距离。依次循环，直到扫描完预定的所有层面。这种扫描虽然也是逐层进行的，但扫描延误时间很短，扫描速度主要取决于旋转架的转速和计算机系统的运算速度。

滑环技术的成功应用为机械扫描式CT的发展注入了新的活力，螺旋扫描也由此诞生。螺旋扫描与上述逐层扫描明显不同，它是扫描床匀速直线运动和旋转架匀速连续转动的合成扫描运动，采集的数据是连续的容积式的数据组，如图7-28所示。在扫描过程中，旋转架单向连续旋转，扫描床承载病人匀速地通过扫描野，扫描系统同时连续采集数据。这样，X线束在病人身上勾画出一条(或多条)螺旋线轨迹，螺旋线包罗的范围限定了人体组织的一段容积。螺旋扫描的速度很快，其最大优点是单次屏住呼吸就可完成整个检查部位的扫描，且可以在扫描范围内的任意位置上重建图像，重建平面图像的数据可用内插法从螺旋数据中获得。

图7-28  螺旋扫描方式及层面投影数据

要实现螺旋扫描，其装置必须满足下列要求：①X线管：螺旋扫描是连续采集数据的容积式扫描，扫描速度加快。由于成像质量与X线剂量之间的依存关系，必须选用大管电流、高热容量、高散热率的X线管，其热容量通常大于3MHU，阳极的冷却速率达1MHU/min。②探测器：CT采用的探测器主要有气体探测器和固体探测器，气体探测器的温度稳定性好，但光电转换率低；固体探测器光电转换率高，但温度稳定性差些。MSCT采用多排固体探测器阵列，扫描一周可以获得多层数据，对探测器的性能也提出了更多和更高的要求。③计算机：螺旋扫描采集数据快，数据量大，必须选用计算速度快、内存大、存储容量大的计算机。输出图像应符合统一标准，以与其它机器兼容。④扫描架和扫描床：扫描架的旋转架必须依靠滑环技术能单方向连续匀速旋转；扫描床能做同步匀速直线运动，且有很高稳定性和定位精度。⑤功能软件：螺旋扫描时，扫描床的连续运动导致每一周扫描的起点和终点不在同一平面上(如图7-29所示)，在图像重建之前，为了消除运动伪影和防止层面的错位，需在原始数据的相邻点内用线性内插法进行校正。故必须选用螺旋插值算法的功能软件。

图7-29  螺旋扫描层面的几何形状

 

二、螺旋扫描装置

(一)滑环技术

滑环技术是指用滑环和碳刷代替电缆。滑环固定在旋转架上，随旋转架一起转动，碳刷置于扫描架的固定部分，滑环在转动时一直与碳刷保持良好接触，实现扫描架的固定部分和旋转部分之间的电源输送和信号传递。图7-30、7-31分别给出了滑环的基本结构和局部图。滑环由很多宽度不一、彼此绝缘的铜制滑道组成。

图7-30  滑环的基本结构

图7-31  某螺旋CT滑环的局部

依据滑道上馈电电压的高低，滑环可分为高压滑环和低压滑环。

1．高压滑环  是指扫描架外高压发生器产生的高压，通过炭刷和供电环传输给旋转架上的X线管。

2．低压滑环  是指高压发生器和高压逆变电路置于旋转架上，与X线管一起旋转，通过炭刷和滑环传输高压逆变电路所需的直流电源。

上述两种滑环各有其优缺点。高压滑环因高压发生器放在扫描架外部，不受体积重量的限制，故功率容易做大，也不增加旋转架的重量，使扫描速度快，也无需担心滑环与炭刷接触处因电流过大而引起的温度升高问题。但因供电环传输的是kV级的高压，易引起高压放电，引发高压噪声，影响数据采集质量。低压滑环克服了这一缺点，供电环传输的是数百伏的低压，故对绝缘要求不高，安全、稳定、可靠。其不足之处在于高压发生器置于旋转架上，增加了旋转架的重量和体积，对扫描速度有一定影响，但因制造工艺要求和成本较低，故多被经济型的螺旋CT采用，它也是滑环技术今后发展的一种趋势。

(二)探测器阵列

螺旋扫描可分为单层面螺旋扫描和多层面螺旋扫描。单层面螺旋扫描是指在Z轴方向仅使用一排探测器阵列，采用扇形X线束，扫描轨迹是一根螺旋线。多层面螺旋扫描是指在Z轴方向上使用多排探测器阵列，其排数可以从几排到几十排，采用锥形X线束，扫描轨迹可以是多根螺旋线。

如图7-32所示。单层面螺旋扫描，X线管产生的X线经准直器后，在Z轴方向(XY平面内)准直为扇形X线束，其宽度决定着扫描层厚，可通过准直器来调整。扇形X线束穿透被检体后，由一组单排探测器阵列进行采集，得到的数据被送入数据通道处理。而多层面螺旋扫描，经过准直器后的锥形X线束在Z轴方向上较宽，其宽度也可以由准直器调节，但调节目的不是为了调整扫描层厚，而是为了限定扫描区的范围，减少被检者在非扫描区所接受的X线剂量。锥形X线束透过被检体后，被在Z轴方向上排列成数排的二维探测器阵列接收，探测器阵列与数据通道之间设有电子开关电路，用以将Z轴方向相邻探测器的输出进行不同组合，分别送入相应数据通道处理。图中有16排探测器，4个数据通道，每一排探测器阵列中，每个探测器在Z轴方向的宽度都为1.25mm。若要获得2.5mm的层厚，可选用中间8排探测器，由电子开关电路使Z轴方向相邻两个探测器的输出并联叠加，等效成4排探测器。这些探测器的输出分别送往四个数据通道处理，这样在一周内就可同时采集4层扫描层厚为2.5mm的层面数据。

图7-32  螺旋扫描的X线束和探测器

如图7-33所示，图左某16排探测器阵列，每排在Z轴方向上宽度相等，都为1.25mm，有4个数据通道，图中画出了2层0.625mm和4层5mm扫描层厚的组合方式，另还有4×1.25mm、4×2.5mm、4×3.75mm、2×10mm的组合方式。对于2层0.625mm的组合方式，选用的是最中间的2排探测器和2个数据通道，X线束在Z轴方向上的宽度为1.25mm，被选用的2排探测器各接收0.625mm宽的X线束，这样一周内就可同时采集2层扫描层厚为0.625mm的层面数据。图右某8排探测器阵列，每排在Z轴方向上宽度不等，从中间向两边，其宽度分别为1mm、1.5mm、2.5mm和5mm，有4个数据通道，图中画出了4层1mm和4层2.5mm扫描层厚的组合方式，另还有2×0.5mm和4×5mm的组合方式。

图7-33  多层面探测器阵列组合方式示意图

多层螺旋扫描也可以不直接用每个数据通道产生的层面数据重建图像，而将相邻两数据通道中的层面数据进行融合后再加以重建，例如对4×1.25mm的层面数据，可以经过二二融合重建出2×2.5mm的图像，也可以四通道一起融合重建出1×5mm的图像，这样做的好处在于通过融合减少部分容积效应，从而减少部分容积效应造成的伪影。

 

三、螺旋扫描参数

扫描参数的选择直接影响图像质量，SCT扫描的大多数参数，如kV、mA、层厚等的选择与普通CT基本一致。所不同的是增加了床移速度(table increment)、成像间隔(image interval)、螺旋因子(pitch factor)等新的参数。

(一)一般参数

螺旋扫描中的相关参数(图7-34)主要有：①数据采集(data acquisition)：单次螺旋扫描中被扫描的整个容积数据；②周数(revolutions)：一次数据采集中X线管的旋转周次；③层厚(slice thickness)：由准直器设定的X线束的厚度(mm)；④螺距(pitch)：X线管旋转一周时扫描床移动的距离(mm)；⑤螺旋因子(pitch factor)：螺距除以层厚，或螺距除以探测器准直宽度；⑥成像范围(image extent)：一次采集中成像的第一层面中点与成像的最后一层面中点之间的距离(mm)；⑦成像间隔(image interval)：连续两幅重建图像的层面中心点间的距离，即螺距除以每周成像数；⑧总成像数：一次采集后所有的重建图像数，其计算式为：总成像数＝数据获取周数×每周成像数＋1；⑨床移动范围(couch extent)：一次采集中，扫描床长轴方向上的移动距离之和。

图7-34  螺旋扫描的相关参数

螺旋扫描的层厚、床移速度、扫描时间是可调的。层厚的选择主要是根据成像部位和扫描目的而定。一次螺旋扫描的范围取决于扫描时间和床移速度，而一次螺旋扫描最长的扫描时间则决定于所选的mA和X线管的热容量。在扫描层厚一定的情况下，螺距越小，床移速度愈慢，切层愈薄，则图像质量愈好，但当扫描范围确定时，若床移速度变慢，则扫描时间变长。螺距越大，床移速度愈快，切层愈厚，扫描时间愈短，但图像质量下降，病灶检出率降低。因此，螺距、层厚、扫描时间三者必须很好地配合。

 (二)螺旋度

螺旋因子类似于机械系统中螺旋的概念，它是一个无单位参数，用它来确定螺距，常选为l、1.25、1.5和2，小于1的螺旋因子也常采用，特别是在多层螺旋CT中多有采用，常用的有0.5、0.75等。

螺旋度(helix)：为螺旋因子乘以100％。螺距等于层厚意味着螺旋度为100％；当螺距等于层厚的1.25倍，即螺旋因子等于1.25时，螺旋度为125％，如图7-35所示。

图7-35  层厚、螺旋因子、成像范围的关系

由于螺旋的反复交替性，因此只要螺距不小于层厚，那么被扫描物体在Z轴方向上采样数据就可用来合成一幅横轴层面图像。有些SCT为了进一步延伸覆盖面，在一次获取体积数据组时采用的螺距因子为2，即200％的螺旋度。

(三)螺旋插值

当病人随扫描床移动通过扫描野时获取的、覆盖360^o角的螺旋数据，用常规方式重建会出现运动伪影，因为扫描中出现了病人的移动。为了消除这些伪影，同时为了重建扫描体积中的任意位置上的图像，必须从螺旋数据中合成平面(即轴向)数据，最终Z轴分辨力要受到层厚、螺距和为了特定位置的重建而采用的生成数据方法的影响。

合成平面数据最容易的逼近法是采用一种“滑动”滤波器于螺旋数据上形成投影数据，它仅选择需要的数据和界定数据对某一指定位置平面上反应的程度，实际上也是一种卷积运算。为了得到合成的平面数据，需对螺旋数据的Z轴加权处理，这种方法称作螺旋内插法(interpolation)，具有这种加权的功能部件通常称作螺旋内插器。

通常采用三种不同的螺旋内插器：标准型、清晰型、超清晰型。螺旋内插是给螺旋数据分段加权。作为一种建立数据的方法，这些数据就如在感兴趣的位置上进行轴向扫描测量得到的。对选定位置，投影数据加权后产生横截面的数据，每个横截面被限定在360^o的数据组，由此重建图像。

线性内插法有两种：360^o线性内插法和180^o线性内插法。360^o线性内插法与常规CT比较，其噪声降低了17％~18％，但层面敏感度曲线(slice sensitive profile，SSP)增宽，降低了轴向分辨力(即Z轴分辨力)，而180°内插法的噪声则比常规CT增加了12％~29％，但其Z轴分辨力要高于360^o线性内插法，故一般选用180^o内插法。SCT图像的重建数据虽然要比实际扫描数据少，也就是说在重建过程中要损失一部分数据，降低了图像的分辨力，特别是Z轴分辨力。但图像的连续性增加了，重建图像的质量仍比常规CT的高很多。

图7-36提供的曲线表明三种螺旋内插和360^o线性内插方法的比较，360^o线性内插延伸到二周的数据。标准内插是一种改善的内插方法，使线性内插的范围减少到一周。

图7-36  不同内插方法比较

清晰内插器采用一个高阶、单边凸函数来增加分辨力。方法是对Z轴向离开感兴趣区的数据进行负向加权，由于数据从二周内加权然后变为一周的数据，故清晰内插器具有采用更多的内插数据的效果，也具有改变用于重建的投影数据加权作用的效果。

超清晰内插器是高阶双边凸起的内插器，它对三周内的数据加权。这种超清晰内插器使用了最多的螺旋数据来形成要重建图像的平面数据而不降低Z轴的分辨力。当然采用超清晰内插器要大大增加数据的计算量，增加图像的重建时间。

(四)Z轴分辨力

CT扫描的(X-Y)平面分辨力通常好于Z轴分辨力，因为在扫描平面上的采样率大大超过层面和层面间的采样率。对于某一设定的层厚，损失了纵轴(Z轴)的分辨力，在常规轴向扫描中，床的运动距离等于层厚，Z轴结构信息的采样率不足，为使轴向分辨力等于层厚，那么两次轴向扫描间的距离至少是层厚的一半。

对于一定的层厚，螺距和螺旋内插器的选择是螺旋层面灵敏度的关键，层面灵敏度是度量CT分辨层面内物体的能力。一幅图像的Z轴分辨力是由那幅图像的层面灵敏度曲线确定的。图7-37(1)画出了100％螺旋度由抛描经标准、清晰、超清晰螺旋内插器处理得到的实际数据产生的层面灵敏度曲线。

图7-37  不同内插方法的SSP曲线

在100％螺旋度时，螺旋灵敏度曲线的半高宽度(full width at half maximum，FWHM)和轴向扫描时的FWHM相当接近，可以看到采用清晰和超清晰内插器时半高宽度比轴向扫描时小一点，也就是说轴向分辨力没有变坏。图7-37(2)在150％螺旋度时，采用标准、清晰、超清晰螺旋内插器处理产生的层厚灵敏度曲线，即在150％螺旋度时，螺旋内插器的层厚灵敏度曲线的FWHM和轴向扫描时的FWHM大致相同。

可见，若要保持Z轴分辨力，选择合适的螺旋内插器是极其重要的，如图7-38所示，纵向分辨力由于采用360^o线性内插器而变差(为了使分辨力不变，采用的内插器宽度是需要宽度的2倍)，360^o线性内插器的FWHM超过层厚，引起Z轴分辨力的降低，而采用清晰内插器，层厚灵敏度曲线没有引起Z轴分辨力明显变差。

图7-38  层厚、螺旋因子、螺旋内插与Z轴分辨力的关系

Z轴分辨力同样受到螺旋因子的影响，只要螺旋内插器产生的层厚灵敏度曲线的FWHM小于或大致等于层厚，那么Z轴分辨力可保持不变。图7-38 (1)表示10mm层厚，螺距因子为1.5，360^o螺旋内插器和清晰内插器的比较，这种情况下，Z轴分辨力仍取决于层厚。图7-38 (2)表示200％螺旋度时的情况，从这里很容易看出层厚不再是Z轴分辨力的决定因素，因为此时FWHM值远大于层厚值。

四、多层螺旋CT

MSCT是相对于SSCT的称谓，多层的含义是X线管旋转1周可以获得多层图像数据，其扇形X线束在Z轴方向可从数厘米增加至数十厘米，故可归属于锥形X线束。因为多层图像数据的获得源自采用了多排探测器阵列的设计，所以在实际工作中，常将MSCT和多排探测器CT（multi-row detector CT，简称多排CT）混为一谈。严格地讲，两者的概念是不同的，MSCT指X线管旋转1周可以获得多层图像数据的CT，而多排CT则指在硬件结构上设计有多排探测器阵列的CT。

美国权威的放射学杂志，对于CT的“排”和“层”进行了一些讨论，有一些不成文的规定，值得参考。若量词前涉及到数字时，则必须用“层”，如4层、16层、64层等；若量词前面不涉及数字，则用“层”或“排”均可，如多层CT、多排CT，此时“排”的概念并不涉及到X线管旋转1周所获得的图像数据层数。

(一)关于螺距因子

1．定义  在SSCT中，螺距因子的定义是螺距与层厚（或探测器准直宽度）之比；MSCT中，螺旋因子的定义则引申为螺距除以成像层数与每排探测器准直宽度之积。即

螺旋因子＝螺距／(成像层数×准直宽度)

在此定义下，MSCT单一层面对应的螺旋因子的概念与SSCT的不一致。例如：4排探测器的准直宽度各为1.25mm，螺旋一周可获得4层图像，每周床移动距离为3.75mm，如果是单层面扫描，则层厚为1.25mm，螺旋因子为3.75／1.25＝3，但对于多层面扫描，螺旋因子则为3.75／(4×1.25)＝0.75。显然，MSCT改变了SSCT中螺旋因子为1时图像质量最佳、随着螺旋因子增加图像质量下降的现象，因为MSCT重建图像时，每一层面的图像数据并不是完全来自同一排探测器。

2．可选择性  螺旋因子有两种模式选择，即高图像质量(high quality，HQ)模式和高速(high speed，HS)模式。HQ模式通过优化采样扫描，提高Z轴空间分辨力，从而提高图像质量；而HS模式通过提高床移速度，缩短扫描时间。通常情况下采用前者，后者主要用于长时间屏气扫描，如腹部盆腔联合扫描、大范围的CT血管成像 (CT angiography，CTA)以及创伤的检查等。

需要指出的是，大部分MSCT用户手册中所提及的螺距，其定义与上述螺旋因子一致，故应理解为上述螺旋因子。

 (二)层面选择

MSCT中，不同的滤过宽度(filtering width，FW)可影响重建层面的厚度，螺旋因子的不同也影响有效层面厚度。螺旋因子越大，有效层面厚度越厚。这些因素均可影响层面敏感度曲线SSP而导致不同的FWHM。MSCT所显示的SSP，位于SSCT扫描时的180^o线性插入和360^o线性插入中点之间。

例如：MSCT与SSCT预计层厚同样为5mm时，前者床移速度达22.5mm时FWHM为5.0，低于SSCT的5.4，但扫描覆盖速度为SSCT的3倍。

除最小层厚取决于最小的探测器宽度以外，MSCT的层厚可通过探测器排的组合来获得不同的层厚，例如两排0.625mm的探测器可以组合成1.25mm的层厚，四排0.625mm的探测器可以组合成2.5mm的层厚。当然，层厚变化时，扫描层数也会发生变化。

(三)重建算法

重建算法的主要特点表现在优化采样扫描(optimized sampling scan)和滤过内插法(filter interpolation)两个方面。

1．优化采样扫描  SCT因扫描时床在运动，每周扫描的起点和终点并不在一个平面上，如将扫描数据直接用于重建图像，就会产生运动性伪影和层面错位。所以SSCT对原始数据的相邻点用内插法进行逐点修正，然后进行图像重建。但如果MSCT采用SSCT的重建方法，将产生严重的伪影。因此对单一层面成像，MSCT通过调整数据采集轨迹来获得信息补偿，并通过调整螺旋因子来缩短采样间隔，在Z轴方向上增加采样密度，达到改善图像质量的目的。

2．滤过内插法  指在Z轴方向设置一个确定的滤过宽度，优化采样扫描的数据通过改变滤过波形和宽度来调整层面敏感度曲线外形、有效层厚及图像噪声，取代常规的SSCT的线性内插法来实现Z轴方向的多层图像重建。

(四)应用特点

MSCT能将常规CT的三个相互制约的因素，即分辨力(薄层厚)、覆盖面和速度有机地结合起来，根据临床需要，通过探测器阵列下方的电子开关启动中央小部分或较大部分或全部探测器排，从而可获得探测器排的不同组合，形成不同层厚的扫描，达到高分辨、高速或广覆盖的不同要求。

与SSCT相比，MSCT的突出优点表现在：①扫描速度快，最多可将时间缩短为SSCT的1/6~1/8。②X线管损耗小，照射量减少了15％~40％。③空间分辨力高，特别是Z轴空间分辨力高。④采集信息量大。⑤降低对比剂用量等。MSCT还具有以下两大特征：一是一次扫描可得到重建不同层厚CT图像的数据；二是成像速度快，能包容较大范围进行容积扫描。所以，MSCT具有下列特点：

1．检查范围大  适用于要求一次屏气，完成较大范围的检查。例如：胸及腹部联合检查。以往肺部扫描约需30s，而MSCT仅数秒即可完成。

2．病灶检出率高  更薄层厚的MSCT提高了病灶检出能力。以2.5mm、5.0mm、  7.5mm及10.0mm层厚对10mm以下病灶的检出能力做比较，2.5mm层厚的检出能力较10.0mm的高50％。

3．图像质量好  特别是Z轴空间分辨力和时间分辨力大大提高。并且由于扫描层厚的减薄，层厚具有可变性，如可将两层薄的层厚融合为一层，这将减轻部分容积效应的影响，对于颅脑扫描可以很好地消除后颅窝伪影等。

4．多时相动态增强检查及功能研究  MSCT可真正实现某些脏器(如肝脏)的多时相动态增强检查及功能研究。

5．高质量影像重建和三维成像  MSCT一次扫描，完成原始数据采集后，可进行任意位置及任意层厚的高质量影像重建和三维成像。原始扫描层厚越薄，则三维成像的质量越好。  现在应用于结肠或支气管等的仿真内镜三维成像，对微小病变的诊断能力已接近内镜。

6．CTA效果好  无间断地大量采集数据，可精确追踪对比剂的流动过程。MSCT利用的特殊技术能在对比剂到达病灶后，自动准确地进行扫描，可减少对比剂用量，降低X线剂量且达到CTA的最佳增强效应。

7．特殊检查的开发  MSCT有利于一些特殊检查的开发，如心脏和冠状动脉成像，冠状动脉钙化的评定，脑及肝脏等CT灌注成像(CT perfusion)，以及智能血管分析等。