CT成像技术前沿

1、目 录第一节第一节 前言前言.2第二节第二节 多层螺旋多层螺旋 CT.22.1 螺旋 CT 技术.22.2 螺旋 CT 的三维重建技术.32.2.1 多层面重建技术和曲面重建.32.2.2 多层面容积重建技术.42.2.3 表面遮盖显示.42.2.4 CT仿真内窥镜成像术.42.3 CT 三维重建技术的临床应用.52.3.1 CT血管造影.52.3.2 脏器表面三维重建.52.3.3 CT仿真内窥镜.52.4 多层螺旋 CT 临床应用的优点.52.4.1 提高扫描速度.62.4.2 提高图像的空间分辨率.62.4.3 CT透视的定位更准确.62.4.4 提高X线的利用率.6第三节第三节 PET

2、 CT.73.1 PET - CT 技术简介.73.2 PET 与 CT 相互结合的意义.73.3PET - CT 的应用领域进一步拓展.8第四节第四节 超高速超高速 CT.84.1 超高速 CT(UFCT).84.2 UFCT 工作原理及特点.94.3 临床应用.9第五节第五节 显微显微 CT.95.1 显微 CT 的概念.95.2 显微 CT 的特点.105.3 显微 CT 的技术提高.10第六节第六节 CT 技术的展望技术的展望.11参考文献参考文献.12第一节第一节 前言前言CT 是 20 世纪 70 年代发展起来的成像技术，曾给医学影像学带来一场深刻的革命。其主要特点是横切面、断层成

3、像、数字影像，使 X 线的重叠影像成为层面图像，并可用 CT 值测量人体组织密度。由于 CT 经过不断改进、完善、更新和发展，现已称为临床诊断疾病的重要手段。随着科学技术进步，CT 新技术新应用层出不穷，本文将对 CT 技术的最新动态做简要介绍。第二节第二节 多层螺旋多层螺旋 CT多年来，CT 成像技术的发展一直围绕解决扫描速度、清晰度及扫描范围的和谐发展，最终多层（排）螺旋 CT 机的出现使三者得到了完美的体现。其优点是:（1）扫描速度提高了 26 倍，检查效率提高了 10%。 （2）清晰度大大提高。 （3）比单层螺旋 CT 扫描信息量提高了 24 倍，尤其利于观察微小病灶。（4）节省了 X

4、 线管的损耗，增强扫描可节省造影剂用量，和单层螺旋扫描比X 线剂量减少。正是由于使用了多层面采集和成像技术，有效地解决了扫描速度薄层和大范围的矛盾。未来的 CT 将是容积 CT，随着探测器数量和材料的改进、计算机技术的提高、检出器的复数化排列，容积数据采集将会有更大的进步;数据量大，分辨率高，虚拟现实技术，这些新技术相加并用于临床，将会为 CT 的临床应用开辟更广阔的领域。2.1 螺旋螺旋 CT 技术技术今天，多层螺旋 CT 机已发展到 64 层（排） ，更有利三维立体影像成像、虚拟影像成像和 CT 血管成像，并且更多地被用于临床疾病的筛选，也会进一步发现微小的病灶，特别是临床症状不明显而被忽

5、略的病灶，进而有利于治疗效果的提高。螺旋扫描（spiral CT scan ，Helical CT scan）又称容积扫描（volumetric CT scan） ，是指采用滑环技术，在扫描过程中 X 线球管和探测器连续 360o 旋转，球管连续产生 X 线，数据采集也连续进行；与此同时，病人随检查床沿纵轴方向连续恒速移动通过扫描架，导致 X 线束以螺旋形方式穿过病人。螺旋扫描与常规 CT 不同，检查床移动速度与扫描层厚可有不同的组合，这种组合以 Pitch 值，即螺距来表示，螺距等于球管旋转一周（1 秒）检查床移动的距离与扫描层厚的比值。扫描范围为检查床每秒移动的距离与 X 线球管连续曝光时

6、间之积。因此，螺距越大，每次闭气所能扫描的范围就越长，但这是以图像变厚和增大容积效应为代价。一般认为螺距以 1.0 时图像质量最好。为了获取较理想的原始容积数据，理论上，最好选择尽可能小的层厚和检查床的移动速度，尽可能大的球管电压和电流，以及尽可能小的图像重建间隔。但实际操作中往往受到螺旋 CT 机性能的限制，同时病人亦会受到过多的 X 线照射；因此，螺旋扫描时，一般根据扫描部位和扫描范围选择层厚和检查床的移动速度，球管电压和电流则略低于普通扫描。螺旋扫描的优点，一是扫描速度快，可进行连续快速扫描成像，大多数检查能够在病人一次闭气的时间内完成，这样可减少呼吸伪影，避免小病灶因呼吸移动而漏诊，同

7、时缩短危重病人的检查时间，增加单位时间内病人的检查数；更重要的是一次注射对比剂后就可分别完成整个器官不同时期的多期扫描。例如肝脏动脉期、门静脉期和平衡期的扫描，有利于病灶的检出和定性。二是获取容积数据，可重建出高质量的多轴面图像和三维立体图像。2.2 螺旋螺旋 CT 的三维重建技术的三维重建技术 三维重建技术是指应用计算机软件，在特定的工作站上，将螺旋 CT 连续螺旋横断扫描所获得的容积数据进行后处理，重建出直观的立体图像。目前，较为成熟和常用的后处理重建技术有四种：即多层面重建技术（multiplanar reconstructions，MPR） 、多层面容积重建术(multiplanar

8、volume reconstructions，MPVR)、表面遮盖显示（surface shaded display，SSD）和仿真内窥镜成像术（CT virtual endoscopy，CTVE） 。其中多层面重建技术属二维重建技术，其余均属三维重建技术。2.2.1 多层面重建技术和曲面重建 多层面重建技术就是在横断面 CT 图像上按要求任意划线，然后沿该划线将横断面上的二维体积原厚层面重组，即可获得该划线平面的二维重建图像，包括冠状面、矢状面和任意角度斜位面图像。曲面重建（curved planar reconstruction，CPR）是指在容积数据的基础上，沿兴趣器官划一条曲线，计算指

9、定曲面的所有像素的 CT 值，并以二维的图像形式显示出来。曲面重建将扭曲的重叠的血管、支气管等结构伸展拉直显示在同一平面上，较好地显示其全貌，是多层面重建技术的延伸和发展。2.2.2 多层面容积重建技术多层面容积重建技术是指将不同角度或某一平面选取的原始容积资料，采用最大、最小或平均密度投影法进行运算，得到重组成二维的图像的方法。这些二维的图像可以从不同的角度进行观察和显示。2.2.3 表面遮盖显示 表面遮盖显示是通过计算被观察物体的表面所有相关像素的最高和最低 CT值，并保留其影像，而超出限定 CT 值阈值的像素被当作透明处理后而重组成三维图像。此技术用于骨骼系统（颅面骨、骨盆、脊柱等） 、

10、空腔结构（支气管、血管、胆囊等） 、腹腔脏器（肝脏、肾脏等）和肿瘤的显示，其空间立体感强，解剖关系清晰，有利于病灶的定位。但容积资料丢失较多，失去有利于病变定性诊断的 CT 密度征象，细节不够，且受 CT 值阈值选择的影响较大。阈值高易造成管腔狭窄的假象，分支结构显示少或不能显示；阈值低则边缘模糊。2.2.4 CT 仿真内窥镜成像术CT 仿真内窥镜成像术是指利用计算机软件功能，将螺旋 CT 容积扫描获得的图像数据进行后处理，重建出空腔器官内表面的立体图像，类似纤维内窥镜所见。螺旋 CT 连续扫描获得的容积数据重建出立体图像是 CT 作内窥镜成像的基础，在此基础上调整 CT 值阈值及透明度，使不

11、需要观察的组织透明度变为100，从而消除其伪影；而需要观察的组织透明度变为 0，从而保留其图像（例如充气管腔 CT 值选择在-200Hu-700Hu，其透明度为 0） 。再调节人工伪彩，即可获得类似纤维内窥镜观察的仿真色彩。利用计算机远景投影软件功能调整视屏距、视角、透视方向及灯光，以管道内腔为中心，不断缩短物屏距（调整 Z 轴） ，产生目标物体不断靠近观察者和逐渐放大的多幅图像。随后以15 帧s 连续重显这些图像，达到电影回放速度，即可产生类似纤维内窥镜进动和转向观察效果的动态重建图像。CTVE 目前多用于气管、支气管、大肠、胃、鼻腔、鼻窦、鼻咽、喉、膀胱和主动脉等。2.3 CT 三维重建技

12、术的临床应用三维重建技术的临床应用 2.3.1 CT 血管造影 CT 血管造影（CT angiography，CTA） 是经周围静脉快速注入水溶性碘对比剂，在靶血管对比剂充盈的高峰期，用螺旋 CT 对其进行快速容积数据采集，由此获得的图像再经各种计算机后处理技术（通常采用 MIP 或 SSD 处理技术） ，重建成三维血管影像。CTA 是一种新的少创伤的血管造影术，可清楚显示较大动脉的主干和分支；清晰地显示动脉与肿瘤的关系，从不同角度观察动脉瘤的形态、大小、位置、蒂部和血栓的情况。2.3.2 脏器表面三维重建 脏器表面三维重建是利用螺旋扫描获得的容积数据，在工作站内采用表面遮盖显示（SSD）技术

13、重组成脏器表面的三维图像1骨骼表面三维重建 2含气器官表面三维重建 3腹腔脏器和肿瘤表面三维重建 2.3.3 CT 仿真内窥镜 CTVE 为非侵入性检查，安全，病人无痛苦，尤其适用于不能承受纤维内窥镜检查的病人。CTVE 与纤维内窥镜比较，具有以下的优点： 从不同角度或从狭窄或阻塞的远端观察病灶，这对于喉部 CTVE 成像尤为重要，因为纤维内窥镜不能观察声门结构的下表面，而 CTVE 则可观察声门结构的下表面；观察到纤维内镜无法到达的管腔，如血管、鼻窦内腔等； 帮助引导纤维内镜活检及治疗； 可改变透明度，透过管腔观察管腔外情况。但 CTVE 亦有其局限性；首先，CTVE 观察到的只是病变的影像

14、，缺乏组织特异性，且不能进行活检；其次，对扁平病灶的检测敏感性较低。另外 CTVE 不能对管腔内膜的颜色变化及细节情况进行观察，对结肠内残留的粪块无法与息肉和肿块区分，肠腔充气不足也造成观察困难。2.4 多层螺旋多层螺旋 CT 临床应用的优点临床应用的优点多层螺旋 CT 的临床应用范围与单层螺旋 CT 相同，除具有单层螺旋 CT 的优点外，尚有以下几方面的优势：2.4.1 提高扫描速度多层螺旋 CT 扫描架旋转一周可以扫描 48 层，旋转速度达到 0.5s转，旋转速度比单层螺旋 CT 快 1 倍，同时螺距为单层螺旋 CT 的 48 倍。这样，进行相同容积扫描所需的时间就比单层螺旋 CT 快 8

15、16 倍。例如，设定扫描范围为320mm ，层厚 10mm，单层螺旋 CT 扫描需 32 秒，而用多层螺旋 CT 扫描则仅需 24 秒。因此，多层螺旋 CT 的扫描速度较单层螺旋 CT 明显提高，扫描速度的提高进一步缩短了病人的检查时间，同时器官的多期扫描时间更准确。由于多层螺旋 CT 的扫描速度提高，在相同的扫描时间内可获得范围更长或范围相同但层面更薄的容积数据，有助于重建出高质量的横断图像和三维图像。另外，扫描时获取的具有高的纵向分辨率的容积数据，有助于减少部分容积效应，从而提高了图像的质量。2.4.2 提高图像的空间分辨率 由于多层螺旋 CT 的扫描速度提高，在相同的扫描时间内可获得范围

16、更长或范围相同但层面更薄的容积数据，有助于重建出高质量的横断图像和三维图像。另外，扫描时获取的具有高的纵向分辨率的容积数据，有助于减少部分容积效应，从而提高了图像的质量。2.4.3 CT 透视的定位更准确 单层螺旋 CT 使用 CT 透视功能仅能获得一层的透视图像，在做 CT 引导下的穿剌活检时仅可以实时显示针尖的位置，而多层螺旋 CT 可以同时进行多层透视，应用实时重建功能可以同时显示 3 个层面的 3 幅透视图像，CT 引导穿剌活检时，不仅可准确定位穿刺针尖的位置，还可以显示进针的方向。这说明应用多层螺旋 CT 可提高 CT 透视的纵向分辨率，使 CT 透视引导穿刺的定位更准确。2.4.4

17、 提高 X 线的利用率在 X 线带宽相同的条件下，多层螺旋 CT 的 X 线束在纵向上的厚度是单层螺旋 CT 的 48 倍，这表明在单层螺旋 CT 中纵向上扫描层面两侧被浪费的 X线在多层螺旋 CT 被用来采集数据，极大地提高了 X 线的利用率，同时减少了X 线球管的负荷，降低了 X 线球管的损耗，在几乎不需要等待 X 线球管冷却的情况下就可进行较长时间的连续螺旋扫描。另外，多层螺旋 CT 扫描应用了新的重建方法，纵向上的许多数据被用于图像的重建，与单层螺旋 CT 比较，获得同样质量的影像图像，多层螺旋 CT 的 X 线曝光量可以减少约 40%。第三节第三节 PET CT 3.1 PET -

18、CT 技术简介技术简介在短短几年内，一项将形态与功能互补结合的先进医学影像技术迅速发展，并获得广泛的认同，这就是PET - CT 技术。其中PET 是正电子发射断层显像(Positron Emission Tomography) 的英文缩写。它作为一种先进的核医学影像手段，对于功能、代谢和受体分布等的显示具有优势，被称为“生化显像”或“分子成像” (molecular imaging)。而CT是一种临床广泛应用而又仍在迅速发展的X线成像技术，在显示解剖结构、形态和密度等方面具有优势。将两种检查设备整合到一起，即形成现在的PET - CT技术。PET- CT技术是近年来迅速发展并获得广泛认同的医

19、学影像诊断技术。它将正电子发射断层显像(PET)技术和计算机断层摄影术(CT)组合到同一设备上，将前者功能代谢显像的优势与后者解剖形态显示的优势结合在一起，从而使对病变的定位和定性诊断都更加准确。3.2 PET 与与 CT 相互结合的意义相互结合的意义PET与CT二者的结合起到优势互补、相互配合、互为对照的作用。PET通过与CT 结合，提高病灶定位的准确性，同时缩短检查时间。CT与PET结合，则提高对病灶的定性诊断能力。在以往的临床实践中，主要通过视觉将解剖图像和功能图像进行比较和融合，后来逐渐发展到通过软件将不同设备的图像进行融合。软件融合比视觉融合更直观、更具说服力，但也往往比较复杂，费时

20、、费力，且不同检查时病人的姿势和状态不同，可能会影响对位的准确性。PET - CT的出现则克服以上不足。两种检查在同一设备上先后完成，同时获得功能、解剖和二者的融合图像。显然，这种同机图像融合简单而精确，在此基础上的病灶定位和定性也将更准确。将先进的分子成像技术与经典的解剖形态显示相互融合对于临床诊断具有重要意义，其产生的效果往往是“1 + 1 2”。精确的病灶定位可以减少PET检查的假阳性和假阴性，提高肿瘤诊断、分期和治疗评估的准确性，提高PET 读片者的信心，并很可能因此而改变患者的治疗决策。PET - CT 的优势还体现在指导放疗计划的制定。目前，放疗多用CT 指导。但CT 显示的病灶中

21、，肿瘤组织往往与炎症、坏死和疤痕组织并存。PET 则很容易将不同性质的病变区分开来，从而帮助绘制更精确的放射治疗靶区，以及给予更恰当的放射治疗剂量。对于心脏检查，高速多排CT 可以看到血管的狭窄和钙化情况，而PET 可以显示心肌的血流灌注和代谢情况，将不同信息相互融合和比较，则有利于临床更全面地了解心脏的情况，从而选择最佳的治疗方案。PET - CT 真正用于临床还只有3年多，主要用于肿瘤，在心脏和各种脑部疾病中的应用还有待拓展，许多通过相互融合才能显示出来的价值也有待去发现和证实。3.3PET - CT 的应用领域进一步拓展的应用领域进一步拓展正是功能与形态影像相互融合的需求促生了PET -

22、 CT ，并推动其迅速发展。而PET - CT 的发展，也会使疾病基于形态与功能相互融合的诊断技术更加完美，并逐步拓展应用的范围。目前PET -CT的主要应用领域还是肿瘤的诊断和分期，也已开始指导肿瘤的放疗计划，以及进行治疗评估。随着多排高速CT 的引入，PET - CT 在心脏疾病方面也将有很大的发展，可以将血管的狭窄、钙化与供血区域的血流、代谢改变结合起来进行分析和诊断。总之，结合PET和CT 的优势，对于许多疾病的诊断都可以重新考虑，相信在很多方面都会找到应用的结合点。在美、欧等西方国家，随着越来越多的PET 检查项目被列入可报销范围，PET - CT的应用范围和普及程度都会相应增加。第

23、四节第四节 超高速超高速 CT4.1 超高速超高速 CT(UFCT)超高速CT 机(Ultra Fast CT，U FCT)，是超高速电子束计算机断层扫描机， 是当今世界上最先进的CT 设备，它的扫描速度极快(50 m s/层) ， 较常规CT 快数十倍， 使电影CT 成为现实。因此， 在心血管疾病及空腔脏器疾病的诊断研究上具有独到的优点， 是心血管病、空腔脏器疾病影像学检查的一次革命， 是目前唯一能对心脏作全面、早期诊断的最新、最先进的医疗设备， 有第5 代CT 之称， 受到国际医学界的瞩目。4.2 UFCT 工作原理及特点工作原理及特点超高速CT 也称电子束CT， 它取消了X 线管曝光时同

24、时进行机械旋转的取样方式， 而用电子的方法产生旋转的X 线源， 这样就极大地提高了扫描速度， 其原理如附图所示。U FCT 运用了高真空、超高压、电磁聚焦偏转、二次电子发射、光纤、特殊靶金属等现代高新科学技术， 利用130 kV 的高压使电子枪产生电子束并加速， 利用聚焦装置使电子束聚成一个特定(1 mm 1. 2mm ) 的焦点， 再由强力电磁偏转线圈使电子束按规定的角度作同步偏转， 射向4个固定的钨环靶以产生X 线。电子束顺圆弧靶道作连续轰击， 产生的X 线便形成了环体对扫描对象进行扫描， 而一般CT 和螺旋CT 是利用X 线管绕扫描对象作机械运动进行扫描。X 线穿透扫描对象后， 被静止的

25、高灵敏探测器列阵接收， 接收的数据经预处理后由光缆送至计算机， 并重建图像。成像过程没有机械运动， 其慢速、快速成像分别为9 层/s 和34 层/s，是一般CT 的40倍、螺旋CT 的20倍。对不合作患者(小儿、老龄人及烦躁患者等) 检查时， 不会因运动而产生伪影， 从而保证得到清晰的图像。4.3 临床应用临床应用UFCT 的特殊诊断功能是由于它的扫描速度快， 能对心脏和空腔脏器作实时扫描而没有运动伪影。因此， 它对心血管疾病和空腔脏器疾病的影像学检查独具优势; 对心脏功能、冠状动脉以及血管的研究有特殊的作用。当然，U FCT 和其它检查方法比较， 诸如心血管造影(DSA )、心动超声、B 超

26、、核素心肌扫描(ECT )、CT 和MR I 等， 它们的关系还是相辅相成、互为补充的。UFCT 在软件功能方面， 除了2D 图像显示和分析(包括电影模式、时间密度分析、图像减影等)、多平面重建、3D 重建和显示以及CT 血管成像外， 它有类似内窥镜进入血管观察血管内壁， 并以电影模式显示出来， 非常形象、直观。最后还可以彩色打印输出。第五节第五节 显微显微 CT5.1 显微显微 CT 的概念的概念激光共焦扫描显微镜(Laser Scanning Confocal Microscope-LSCM)，又称显微 CT，是 20 世纪 80 年代发展起来的一项具有划时代意义的新技术，90 年代中期才

27、有正式产品问世。LSCM 是集光电技术、精密机械技术、计算机数据处理与图像合成技术、生物技术和材料技术于一身的高科技产品。5.2 显微显微 CT 的特点的特点一段直径不到 10 微米的螺旋藻微组织，经过显微 CT 几分钟的快速扫描，即可在计算机显示器上出现 50 多幅断层图像，并能够自动合成三维立体图，螺旋藻微组织的节状结构及人字型内部空洞纤毫毕现。一份有签名并加盖印章的文件，经过显微 CT 的分层扫描，能够迅速准确地分辨出签字与印章形成的先后时间。显微 CT 能够实现光学共焦技术、激光扫描技术、微弱光信号探测技术、计算机自动控制及图像处理技术的结合，是在国民经济诸多领域，如生物、医学、农业、

28、材料、公安等有广泛应用的大型高精尖仪器。由于 LSCM 具备传统显微镜所不具备的对样品进行无损伤光学切片和三维图像合成等一系列特殊功能，因而被广泛应用于生物医学中的肿瘤、血液、遗传、神经、肾科、呼吸、骨科、眼科、检验检疫、农业选种和育种，以及材料检测、公安刑侦、微观计量等领域，是上述领域强有力的研究工具，对提升科研机构的科研能力起着不可或缺的作用。近五年来在国内外显微 CT 的研究和应用，得到了很大的发展；微观病理显微诊断的空间分辨为微米数量级。目前医学 CT 影像的空间分辨率已达到0.35mm，已能满足宏观病理学诊断的要求。如何医学 CT 的空间分辨率再提高到微米水平，即可清晰显示细胞和组织

29、的微细结构，从而满足现代医学临床病理诊断金标准的要求。目前工业 CT（ICT）的空间分辨率已达到 520 微米，从而为提高医学 CT 的空间分辨率提供技术依据。5.3 显微显微 CT 的技术提高的技术提高应用微焦点 X 线源，以及采用钨酸镉集成电路 CCD 检测技术，进一步缩小检测元器件探头的尺寸和增加检测器探头的数目，可以提高医学 CT 的空间分辨率；应用电子束快速扫描技术，可以提高医学 CT 的时间分辨率，达到动态的水平；应用双能 X 线束扫描技术，可以进一步提高密度分辨率，如果未来医学 CT 的空间分辨率达到微米级（显微 CT） ，时间分辨率达到毫秒级（动态CT） ，密度分辨率能观察到神

30、经细胞有兴奋时，胞内钙离子浓度的瞬态上升1000 倍，即成为显微动态和功能 CT，就可以观测人脑神经元在不同功能状态下的动态兴奋和时空编码过程，对进一步研究人脑的记忆和思维认知过程有重要意义。第六节第六节 CT 技术的展望技术的展望目前CT 图像的质量有了明显改善，分辨率也有很大的提高，但这多是以提高X 射线能量为代价的。我们的目的是既要获得高质量的图像，又要使患者尽量地减少X 线辐射，这应该是下一步CT 改革的重点之一。因此就要提高探测器的灵敏度，在不增加甚至减少辐射剂量的前提下，提高图像质量；改进图像处理方式，在软件方面下工夫；再就是提高扫描速度。图像后处理功能的发展，也将是CT 发展的另一个重点。MIP、SSD、CT 内窥镜和容积演示等图像后处理功能已将常规CT 只能显示二维横断解剖发展到三维观察，在医疗中，这些图像已接近实际人体的大体解剖，更接近手术中的实际所见，为手术方案的制定提供了更为详尽的信息。相信将来这些功能将进一步完善。参