X线计算体层摄影

X线计算体层摄影(CT)，又称图象重建体层摄影(RT)，计算横轴体层摄影 (CTAT)或计算机化轴向体层摄影(CAT)，是X线与电子计算技术相结合的，将物体的体层面进行图象重建的一种新技术。CT是透射成象，与放射性核素引入人体后的发射成象有所不同。早在1917年奥地利数学家Radon已证明三维物体能通过其无数次投影而重建图象。1956年Bracewell在射电天文学的领域中首先应用了图象重建的技术。此后在以电子显微镜研究复杂的生物分子时亦应用过。随之，Oldendorf(1961)、Kuhl (1963)、Cormack (1963,1964)相继推导论述。1972年G. N. Hounsfield在英国EMI公司研制成功了第一台适用于头颅检查的X线计算体层摄影设备。从此CT的应用逐渐普遍，并扩展应用到全身各个部位。
CT的特征 常规的X线技术是将人体的立体结构，或三维结构，投照在平面的（二维的）荧光屏或X线胶片上，因此是各层面结构的全部重叠的影象。X线体层摄影法是尽可能地使得所选层面的结构清晰，但仍然有X线穿透选层上下面的结构投影。CT亦是一种体层摄影，但它的图象特征是：
❶重建的体层面图象，不含有这体层面外结构组织的干扰。
❷密度分辨率高，可分辨出用常规X线技术所不能分辨，或难于分辨的人体组织的细微密度差。
❸灵敏度高，能以数字形式作定量分析，并能充分有效地利用X线信息。
CT的原理 X线计算体层摄影的原理，是将X线经准直器，形成狭窄的X线束，限制在透射人体的体层面（通常是横断面），进行扫描。这样从体层面内所产生的信息，不受两侧物体的干扰影响。接收透射过体层面的衰减X线量是晶体和光电倍增管组成的检测器。X线源与相对的检测器，对体层面作同步逐点的直线扫描。以后，环绕人体体层面回转一定的角度，重复地作同样的直线扫描，示于图1。

图1 X线对人体体层面的扫描
a. X线与检测器作直线同步扫描运动
b.环绕人体体层面，回转一定角度后，重复地直线扫描

X线透射物体后的强度，随物体的吸收系数或组织密度增加而减弱成反比。这是X线成象的基本原理，CT亦不例外。现用一参量检测器，放置在X线管窗口外，测量X线源的射线强度，与透射过人体后的检测器测得的衰减的射线强度相比，可计算出位于X线透射范围内的体层面的物体吸收值。一般常称吸收值为线性衰减系数。CT扫描群点的检测，其线性衰减系数沿物体不同部位而变化，是辐射能量的函数，也可称为密度函数，可以用积分式求得。

图2中X线管和检测器相对于人体体层面，作直线和回转的两种同步运动。假设在直线同步扫描运动过程中，检测器获得80个不同量的信息(或称80个数据)。以后回转一个角度，设为1°，再重复进行直线扫描运动，这样持续进行到180°，最终检测器共测得：80×180=14,400个数据。CT扫描人体的体层面，可分成许多个小立方体（称为象元）组成的矩阵，如图2所示。矩阵设为80×80=6,400。根据上述，体层面已取得14,400个读数，大于矩阵象元数。又每一个象元就有一个可计算的吸收值，经过模数转换器变换成为数字形式，送入电子计算机进行运算处理，就可求得这个体层面的吸收系数的矩阵。这个数字矩阵，可用行录制机以数字列阵； 或再经数模转换器，将矩阵信息转换为图象信息来重建图象，达到显示或存储。

图2 CT体层面的象元和矩阵

电子计算机运算处理CT重建图象的数学方法有很多种，但可归纳为几类。
(1) 迭代法：又称逐点近似法，所谓迭代，就是选择一系列近似值来测算投影的实际值，逐步地给以修正到最后的测算值符合实际值。常用的是加减校正法，这种方法又称代数重建技术。由于图象的象元非常多，且须在得到所有数据后，才开始进行运算。纵然应用电子计算机进行快速运算，但重建图象的显象时间仍慢。第一代CT曾用这种计算数学方法。
(2) 过滤后的反投影，或称褶积法： 影象的重建可以将物体多次的投影后，进行反投影，来取得与原来物体一个近似的重建图象，这种方法称反投影法，或称总和法。反投影重建图象方法简单，但有产生呈星形假象的缺点。为此，将反投影事先进行过滤或褶积。过滤后的反投影与反投影不同之处，在于将影象事先进行校正。过滤后的投影恰能抵消反投影所产生的假象。过滤法在数学上称褶积法，亦有称重叠积分法。这种方法须合式地选取权衡因数，才能演算获得精度高的重建图象。近日的CT设备大多采用这种数学方法，可在取样的同时进行运算，显著地缩短了重建图象的显象时间。
(3) 傅立叶变换法：与光学成象相比，CT成象是随位置不同而变化的X线透射衰减度，其传递方式是空间的函数。既是函数，那末傅立叶频谱分析法，亦可应用到CT图象重建的计算上去。对CT扫描所取得的波形曲线，可进行函数的频谱分析；反之，其逆定理亦然，从这些已知频波成分的振幅，可求得接近或符合原来的波形曲线，达到重建图象。显然，CT在实际测量中，所测得的波形曲线，其形状多样，但周期性或非周期性分布的任何形状复杂的曲线，都可应用傅立叶变换法演算，进行图象处理。
CT的设备和类型 X线计算体层摄影装置由X线源、检测系统、电子计算机、图象的显示和存储等这些主要单件组成，示于图3。

图3 X线计算体层摄影装置
1. X线管 2. 参量检测器
3. 接收检测器 4. 检测电路
5. 模-数转换器 6. 高压发生器
7. 高压电容器 8. 冷却器
9. 电子计算机存储单元，运算单元，图象处理单元
10. 中央控制台 11. 行录制机
12. 彩色监视器 13. 黑白监视器
14. 磁带录象机

(1) X线源：用于CT的放射线能量需要足够大量的高能光子，才能达到检测部位的精度要求，故只能用X线管为射线源。直线与回转运动相结合的CT，常用油循环冷却固定阳极X线管，线焦点介于0.65×10～2×16mm2；而扫描时间低于10秒的回转运动CT，多数用旋转阳极X线管，焦点约为2×6mm2。固定阳极X线管是连续使用，工作条件是100～140kV、20～30mA。旋转阳极X线管是脉冲使用，当取样时间为2～3ms时，管电流达600mA峰值。CT的读数精度要求为0.5%或低于0.5%，所以X线发生器必须保持X线管的管电压或管电流高度的稳定。当管电压波动1kV时，就会使读数产生1%的误差。
(2) 准直器： CT体层面厚度一般选取13或10mm，或更薄。近期的CT亦有采用组合的体层面，如厚度是10/5mm或12/9/6/3mm。准直器的作用是将X线束限制在体层面的厚度范围内，使透射过体层面约有85%光子射及检测器。使用准直器亦为了挡去散射辐射，使达检测器处的次发辐射<0.2%。
(3)检测器：CT常用碘化钠[NaI(T1)]、氟化钙[CaF2(Eu)]或锗酸铋(BGO)等晶体检测器。碘化钠晶体效率高，但有非线性、有限的动态范围和余辉等的缺点。氟化钙晶体不受暗电流的影响，但效率低。锗酸铋晶体效率高、余辉小。CT亦有用气体无源电离系统的检测器。例如高压(25大气压)氙气(Xe)游离室，但效率较低，同时有在高电场下气体再组合的损失等的缺点。
(4) 机台： X线管、准直器、参量和测量检测器等装在机台上，同步的作直线和回转运动。机台中央是透射病人身体的洞穴，直径介于400～630mm。 有些CT， 机台可以倾斜±20°，为的是便于检查眼窝等部位。
(5) 电子计算机与高速运算图象处理装置： X线源处的参量检测器和透射人体后衰减的X线信息，经和光电倍增管组合的检测器收集信息，再经对数增幅器、积分增幅器形成模数的信息变换。这些信息先经校准，标准规格化和数据修正的事先处理。之后，进行反投影、褶积的高速运算，其过程由小型电子计算机进行处理。
(6) 图象的显示和存储：由电子计算机处理的信息。可直接从行录制机数字印出。这些信息又经数模转换器，在黑白或彩色监视器上显示，重建图象可用塑性磁盘存储，亦可用磁带存储。
(7) 中央控制台： 中央控制台台面上设有键盘可指令操作运行，和调节X线源的管电压管电流值。并设有速印片照相机，亦有设70～105mm单片或卷片照相机等，以摄取重建图象。
在CT监视器上显示重建图象的同时，亦显示标定CT值，并有窗位和窗宽的数字显示。
CT值：CT的特征是能够分辨组织密度的细微差别。在临床应用中，CT常以某物质为基准，其他组织对X线的衰减系数的相对值，来标称CT值。设以水为基准，其CT值算为0，空气和骨位于两端，空气为负值-1000；骨为正值+1000。其他组织的CT值介于-1000（空气）～+1000（骨）之间。软组织的CT值介于0～+100；脂肪的CT值介于-100～0。因而在器官周围的脂肪可以很好的分辨。如数字标值是±1000，每一个数字单位，称亨氏单位(H.U.)，相当于0.1%组织系数的变化。
窗宽、窗位：在监视器上显示重建图象的同时，显示的CT值起了辅助解说作用。监视器具有一定的灰色（或彩色）电平，屏幕上图象的灰度（或称对比度），可以根据诊断需要进行选择调节。为此CT设备具有：
❶窗宽。即窗口宽度控制，用于选择对灰色电平的CT数字范围，如图4所示，窗宽的调节是分级的，如为4级，CT的数字可定为16、32、64、128；亦可级数分得更细更多。换言之，窗宽是标明欲诊断某病灶组织，其灰度（对比度）的最大范围。
❷窗位。窗位是用来选择所选定宽度范围中心的密度值，即用窗口电平控制的方法，来选择处于灰色标度中心的数字。如欲观察肝脏组织(CT值为+30)，可将窗位调节在+30。

图4 窗位、窗宽的示意图

由于具有窗位和窗宽的选调，因而差别很大的各种组织的吸收衰减系数的变化范围，都能以同样灰度 （对比度）显示出来。
CT闻世虽短，但发展迅速。1972年创制第一台CT，扫描时间长达5分钟，适用于静态的头部检查，而不宜用于呼吸运动起伏的腹部等。只有当扫描速度缩短到20秒或更少，CT才能作全身检查。1974年Ledley制作了检查全身的CT。迄今，短短的几年，已发展到第四代CT，进入第五代的研制。
第一代CT: 应用一个或两个检测器的直线扫描和回转运动，取得一个或同时两个体层面的重建图象。一次的扫描时间约5分钟，如图5。1次扫描取得1对体层面，如对每个病人需作3～4对体层面，检查时间约需半小时。

图5 第一代CT，一次扫描取得一对体层面的示意图

第二代CT: 应用多个检测器的直线扫描和回转运动。为了缩短时间，把一个经准直成扇形的X射线束分散成多个的单独的射线束。扇形角度5°～10°，对一排检测器3～30个进行直线扫描。之后，机架旋转5°～10°，重复进行直线扫描和回转运动。总的扫描时间约60秒左右，最短的可达15～20秒。
第三代CT: 应用数量多的检测器，成组的扇形旋转运动。这种系统没有直线移动，X线管绕人体体层面作纵轴扫描，检测器组则以X线管靶面为轴心的同步旋转360°。一般使用250～300个检测器。一个体层面的扫描时间约5秒。
第四代CT: 应用固定检测器，仅X线管回转运动。检测器420～720个，分布在圆周上，围成一圈，固定不动，而X线管围绕病人旋转360°。扫描时间最短可达2秒左右。
目前，在探索“多源”系统。这种系统用28个X线管，对面排列28个荧光影象增强视频检测器。完全没有机械运动，可在很短时间内，提供连续的动态描绘的心脏运动。

图6 各代CT示意图
a.第一代CT b.第二代CT
c.第三代CT d.第四代CT

CT的临床应用 CT自1972年问世以来，非但在机械装置方面在短短的几年中已从第一代发展到第四代，在临床方面其应用范围也已从头部扩展到全身，目前主要还是应用在头部和腹部。经过大量临床资料的分析积累，和同其他X线检查方法以及与超声检查和核素扫描的比较，对CT的评价如下。
(1) CT对人体各种组织的密度分辨力非常强，但对空间即大小的分辨力仍有限度，理论上的限度为1.5mm，实际上<3.0mm的结构不易显示。
(2) CT虽然有其特殊的效能，但并不能用以代替其他X线检查方法。其他各种X线检查方法仍然有其应用的指征，但CT的出现，已使应用各种方法的程序，有所改变。
(3) 由于其他医学影象诊断学如超声检查和核素扫描有同样飞跃的发展，在各种特定的情况下，CT须与两者配合应用。
(4) 全面的评价还需考虑到病人所受的照射剂量，医院建设的投资和病人检查的费用。
兹将CT在人体各部的应用效果扼要叙述如下。
头部 CT最初用于头部，至目前仍以在头部特别是颅脑方面应用最为广泛。
(1) 头部外伤： CT对诊断头部外伤尤其是颅内出血的位置、数目、容量和性质（弥漫或局限），从而协助处理颅内血肿确有特殊的效果，但尚未达到完善的地步。对脑干病灶的显示率不高，假阴性不少，仍要辅用血管造影。
(2) 颅内肿瘤： CT对诊断颅内肿瘤确是一种较为安全无伤而可靠的方法。一般而论，定位较定性尤为正确，对幕上的病变较幕下者为可靠。对所有疑患颅内肿瘤的病人，可先作CT常规或注射造影剂增强密度法检查，多数即可作出诊断。对有些病例需作其他辅助检查，如：
❶对所有脑膜瘤和所有后颅窝肿瘤需作血管造影；
❷为了进一步了解某些肿瘤的血供和同邻近重要血管的关系，术前需作血管造影；
❸对鞍内或鞍上肿瘤，第三或第四脑室肿瘤，需根据情况作气脑或脑室造影。总之，气脑和脑室造影的应用已大为减少，而血管造影则仍有一定的指征。
(3) 颅内感染： CT对诊断颅内脓肿是十分理想的方法，对许多患者可以不必再用其他较有危害性的检查方法即可作出诊断。对脑炎的鉴别诊断以及对脑膜炎并发症的诊断和处理亦有帮助。
(4) 脑积水： 应用CT检查脑积水特别在儿童中有特殊的效果，可将阻塞部位和原因，伴随病变、脑室的大小以及脑皮质的厚薄准确显示。另外应用CT作脑池造影可以研究脑脊髓的流通情况，从而对脑积水和脑萎缩作出鉴别诊断。
另外，应用CT检查眼眶对显示和诊断眶内病变的效果，可与血管造影相仿，对眶内较小的新生物则分辨和显示能力较差。
体部 CT对体部的检查目前主要应用于腹部而又着重于肝脏、胰腺和腹膜后结构。肾脏因其他X线检查方法已较有效，故CT应用较少，胃肠道则不大需用。对骨盆腔病变，因超声检查的效果非常好，且简便，X线检查已很少应用。胸部亦因大多病变应用其他方法诊断有效，故CT应用亦少。
(1) 肝脏： CT对肝内占位性病变的定位和定性均较有效，诊断肝肿瘤、囊肿和实质性病变的正确性与核素扫描效果大致相似(X片-8)。对广泛性肝病的诊断帮助不大，对诊断肝脂肪浸润则十分有效。
(2) 胰腺： 胰腺是一个X线诊断的困难领域，虽然CT或灰阶超声对诊断胰腺病变已有较好的效果，但其准确性尚不完善。对胰腺肿瘤的诊断，CT可有假阴性和假阳性的出现，对早期癌肿和细小的内分泌性肿瘤CT尚难显示。CT对急性胰腺炎患者可显示胰腺的弥漫或局部增大，对慢性胰腺炎中的钙化和假性囊肿显示效果甚佳。
(3)胸部： 在胸部CT对检查下列情况较为有效；
❶因密度分辨力强，可使纵隔中的脂肪组织病变和较细微的钙化清楚显示；
❷显示前纵隔的肿大淋巴结较常规体层摄影更为明确，但对中纵隔和肺门肿大淋巴结的显示则以常规体层摄影为宜；
❸显示肺癌病变的胸部蔓延范围以及肺部转移病灶的多少，CT均较常规体层摄影为佳，CT对显示邻接胸膜的转移病灶尤为有效。CT对检查心脏病变仍在研究阶段。
应用CT作乳房检查，考虑到患者所受的照射剂量，费用以及与干版和钼靶效果的比较，认为并不适宜，至少不能作为常规应用。
另外，CT还可应用于检查脊柱和椎管内病变，由于CT构成横断面影象，对脊柱和椎管内的改变显示更为完整，有利于显示椎管的大小和形态，发现较小的病变和确定病变的位置和范围。