X射线CT成像技术综述

X射线CT成像技术综述

林羲栋

中山大学化学与化学工程学院 应用化学 学号10340035

摘要自1972年第一台临床CT机应用以来，CT技术得到了迅速发展，其扫描范围、速率、成像质量都大大提高，已广泛应用于医学诊断的诸多领域。重点介绍了X射线计算机断层扫描成像技术、螺旋CT医学成像技术和x射线相干散射CT成像技术的研究和进展。 关键词 X射线 CT 螺旋CT CSCT 分对射线的吸收与透过率不同，由计算机采集透过射线并通过三维重构成像。

1引言

x射线发现至今100余年来，其应用沿着两个不同方向在发展：一个是在医学诊断上有限制地使用透射成像方式辅助进行医学的诊断；另一个是x射线的散射，它主要被用于对物质的原子和分子结构的研究。

在人们探讨自然界物体内部信息的过程中，X射线内视技术经历了胶片照相、数字射线影像、计算机断层成像三个重要的发展阶段。X 射线计算机断层成像技术(X-ray CT)作为一种重要的医学诊断手段和新型的无损检测技术，由于其独特的成像优势，在医学领域发挥着越来越大的作用，已成为医学诊断检测的主流技术之一。1967-1970年间第一台临床用CT装置被英国EMI公司的工程师Housfield研制成功，CT 这项技术的问世在放射学界引起了爆炸性的轰动，被认为是继1895年伦琴发现X射线后，工程界对放射学界的又一划时代的贡献。

CT技术的发展按X射线束的形状及扫描方式不同，被公认为经历了以下5次重大的技术变革：①单束平移-旋转方式;②窄扇形束-平移旋转方式;③宽扇形束-旋转方式;④宽扇形束静止-旋转方式;⑤电子束。在医学上，螺旋锥束扫描已是CT设备的主流扫描方式。

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2.1 CT结构

一部完整的CT系统主要包括扫描部分（包括线阵排列的电子辐射探测器、高热容量调线球管、旋转机架），快速计算机硬件和先进的图像重建、显示、记录与图像处理系统及操作控制部分。CT设备主要有以下三部分：①扫描部分由X线管、探测器和扫描架组成；②计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；③图像显示和存储系统，将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光照相机将图像摄下。CT成像流程如图1。

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2 X射线计算机断层扫描成像

CT(computed tomography，简称CT)是一种功能齐全的病情探测仪器，利用计算机技术对被测物体断层扫描图像进行重建获得三维断层图像的扫描方式。该扫描方式是通过单一轴面的射线穿透被测物体，根据被测物体各部

图1 CT装置示意图

2.2 CT原理

CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，

转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digital converter）转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素（voxel），见图2。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数

字矩阵（digital matrix），数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器（digital/analog converter）把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即象素（pixel），并按矩阵排列，即构成CT图像。所以，CT图像是重建图像。每个体素

图2

的X线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。

叶变换重建图像(图3)。目前医用CT广泛使用的是滤波反投影方法(filtered back projection，FBP)。

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2.4 CT断层图像的反投影重建

从探测器数据生成断层图像的过程称做图像反投影重建。在线性方程组求解过程中，系数矩阵的行列式值可能为零，无法用计算逆矩阵的方法求解。即使用奇异值分解等其他方法，由于断面图像数十万像素，方程组的求解也是十分困难的。其实，关于断层图像的重建，1917年奥地利数学家Radon就已从理论上证明了利用投影重建图像的可能性。但由于计算量很大，直到今天才得以实现。Radon变换可以从0-2π每隔1度的一维傅里叶变换组合，或直接进行二维傅里叶变换，然后再做二维逆傅里

2．6重建图像灰度与x射线衰减系数的对应关系

cT重建的图像是衰减系数μ的分布。人体内部大部分软组织的衰减系数与水的衰减系数相近，因此不能用计算得到的μ值直接成像。在实际应用中，通常将μ值转换为一个相对值——cT值。cT值又称Hounsfield数，定义如下：

其中μ与μW分别为组织和水的衰减系数。CT

图3.Radon变换重建图像

值用HU表示。例如水的HU值是零，空气的HU值为一1000，骨骼的HU值为+1000。人体组织的HU值可以跨越从几百到数千的范围。由于常规显示图像灰度范围是(0_255)，所有的x射线图像装置都配有窗宽、窗位调节功能，可以将感兴趣的HU值区间映射到(0_255)全灰度范围，便于观察病灶细节。

CT图像是层面图像，常用的是横断面。为了显示整个器官，需要多个连续的层面图像。通过CT设备上图像的重建程序的使用，还可重建冠状面和矢状面的层面图像，可以多角度查看器官和病变的关系。

2.9优点及危害

由于CT的高分辨力，可使器官和结构清楚显影，能清楚显示出病变。在临床上，神经系统与头颈部CT诊断应用早，对脑瘤、脑外伤、脑血管意外、脑的炎症与寄生虫病、脑先天畸形和脑实质性病变等诊断价值大。在五官科诊断中，对于框内肿瘤、鼻窦、咽喉部肿瘤，特别是内耳发育异常有诊断价值。

CT检查对中枢神经系统疾病的诊断价值较高，应用普遍。对颅内肿瘤、

2．7 CT断层图像的特点

CT图像是以不同的灰度来表示，反映器官和组织对X线的吸收程度。因此，与X线图像所示的黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如含气体多的肺部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是CT与X线图像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力（density resolution）。因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是CT的突出优点。所以，CT可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、纵隔、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。

CT图像1

CT图像2

外伤性血肿与脑损伤、脑梗塞与脑出血等病诊断效果好，诊断较为可靠。螺旋CT扫描，可

以获得比较精细和清晰的血管重建图像，即CTA，而且可以做到三维实时显示，有希望取代常规的脑血管造影。

心及大血管的CT检查，尤其是后者，具有重要意义。冠状动脉和心瓣膜的钙化、大血管壁的钙化及动脉瘤改变等，CT检查可以很好显示。

腹部及盆部疾病的CT检查，应用日益广泛，主要用于肝、胆、胰、脾，腹膜腔及腹膜后间隙以及泌尿和生殖系统的疾病诊断。尤其是占位性病变、炎症性和外伤性病变等。胃肠病变向腔外侵犯以及邻近和远处转移等，CT检查也有很大价值。

但是CT扫描带来的危害也必须引起重视。CT主要的危害来自于射线源，高能射线源能对人体组织及环境造成不可逆转的破坏，即使是医用的X射线CT，多次的累积使用，X射线依然会对患者被照组织产生一定的影响。由于X射线计算机断层成像相当依赖静脉注射的对比剂来显影，所以有潜在的危险，危险虽低，却无法完全避免，这可能会使某些病人的肾脏受伤，有肾功能衰竭或糖尿病等病史的病人危险性可能更高。

3 螺旋CT医学成像技术

螺旋CT突破了传统CT的设计，采用滑环技术，将电源电缆和一些信号线与固定机架内不同金属环相连，运动的x射线管和探测器滑动电刷与金属环导联。球管和探测器不受电缆长度限制，沿人体长轴连续匀速旋转，扫描床同步匀速递进(传统CT扫描床在扫描时静止不动)，扫描轨迹呈螺旋状前进，可快速、不间断地完成容积扫描。

近年来就CT机提高扫描速度，提高检查效率，提高图像质量和尽量简便操作方面作了很大的改进，改进后呈双层螺旋CT的问世。现目前已达到了320层的先进设备。各种后处理软件的成功开发使CT图像可以从单纯二维显示到高质量的三维显示。

3.1 多层螺旋CT与多排螺旋CT

多层螺旋CT(multi—slice CT)是指扫描一圈所得到的图像数，例如，4层CT就是扫描一圈出4层图像。多排螺旋CT(multi—detector CT或multi—rowCT)是指组成CT的探测器排数。二者的共同特点是x射线线管与

探测器阵列沿螺旋线轨迹围绕人体旋转，每旋转一周能同时获得多幅断面图像，大大提高了扫描速度。

多层螺旋CT的宽探测器采用高效固体稀土陶瓷材料制成。每个单元只有0．5，1或1．25mm厚，薄层扫描探测器的光电转换效率高达99％ 。多层螺旋CT能高速地完成较大范围的容积扫描，图像质量好，成像速度快，具有很高的纵向分辨率和很好的时间分辨率。与单层螺旋cT相比，在不增加x射线剂量的情况下，每15s左右就能扫描一个部位；5s内可完成层厚为3mm的整个胸部扫描；一次屏气20s，可以完成整个体部扫描；病人接受的射线剂量明显减少.

新型64排多层螺旋cT旋转一周只要0．37s。实现性能的全面改善，即亚秒扫描，亚毫米层厚，亚秒重建。其最重要的价值在于心脏和血管方面的应用，并可进行冠状造影，接近无创检查。无创冠脉成像要求CT具有较高空间分辨率和时间分辨率，能够根据心动周期不同时段重建冠脉。多排cT技术的发展，特别是亚秒扫描和心电门控技术的改进是CT冠脉成像的基础。

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3.2 多源螺旋CT

它把两套影像系统集于一身，即由一套影像系统先后两次进行的双扇区扫描，变成了由两套影像系统同时扫描。扫描速度快，时间分辨率达到83ms。双源CT可以对心率过快、不规则及屏气有困难的患者进行成像，在几秒钟之内完成心脏研究，还可对急诊患者进行CT检查。放射剂量减半，适于儿科检查。2005年，西门子公司和先灵公司联合研制x射线新技术，首次在SOMATOM efination产品上同时使用两个x射线源和两台探测器，也是世界上第一个双源CT系统。

3.3 正电子发射体层／多层螺旋CT融合全扫描装置

正电子发射体层／多层螺旋CT图像融合全扫描装置(简称PET—CT)就是将CT和PET两种不同成像原理的设备有机、互补地结合在一起，发挥各自的优点，弥补各自的不足，从而获得一种反映人体解剖图像与反映人体分子代谢情况的功能完全融合的图像。PET—CT集高灵敏度、高特异性的先进核医学技术与高清