X射线计算机断层扫描

1、X射线计算机断层扫描(CT)Willi A Kalender摘要X射线计算机断层扫描(CT)、1972引入临床实践，是第一种现代片成像方式。图 像重建数学从实测数据和显示和归档数字形式是一个新奇的方式，但是今日已经很常 见。CT呈现稳步提升的趋势，在上世纪80年月，基于技术、性能及临床使用独立的 猜想和专家评估等各方面的猜想，它将完全取代磁共振。CT不仅幸存了下来，但在真 正的文艺复兴由于螺旋扫描是由切片成像片真实体积成像过渡的介绍。辅以年月阵列 探测器技术的引入，使得成像CT今日整个器官或整个身体在5到20的亚毫米的各向 同性区分率。本综述CT将按时间挨次重点技术,图像质量和临床应用。在最终

2、的局部， 它也将简要提及CT如双源CT的新用途，C臂平板探测器CT和显微CT。目前CT可能 表现出了比以往更高的创新率。结果局部和最近的事态进展将受到最大的关注。1、简短的历史介绍早在1960年月，随着计算机技术的进展，CT已经可投入使用了，但是基于它的一 些想法可以追溯到第上半个世纪。1917年被西米亚数学家氨基本重要性的争论论文 证明材料或材料属性的分布在一个对象层，假如可以计算出经过沿任意数量的行的积 分值都能穿过同一层。这一理论的应用被Bracewell (1956)进展到了射电天文学领域， 但是他们产生了很微弱的反响且不用于医疗目的。第一个试验的这种重建成像在医学中的应用是由物理学家

3、M Cormack开展，致力 于提高在格鲁特索尔医院放疗方案，开普敦，南非。1957和1963之间，并没有以前 的争论学问，他进展了一种计算基于传输测量人体辐射汲取分布的方法(Cormackl963)。他假设的影像应用程序必需能够显示即使是最微小的汲取差异，即不同的软组织结构。a由森一成一项专利（1986年）中，第一个参考螺旋CT在专利文献中，提到的算 法，但实际上特定网络版的电子电路，以便能去网络专利权利要求。这些都为创造家 几乎没有任何有用的多的今日，由于硬件的实现也不会到达最新的和新的算法始终在 不断进展之中。从日本在英语螺旋CT结果于1993年报告的第一个（1993年）。平行于这些进展

4、，虽然还没有在其他地方开展的工作的了解，Y布雷斯勒和伊利 诺伊高校关于螺旋扫描原理，其发表时间相对较晚（布雷斯勒和Skrabaczl993年）进 行了理论争论。他们的特点是考虑“理智好玩的”，但很少相关的练习。由美国CT制 造商通用电气医疗系统，谁也争论了这种扫描方式这一评估收服被迫的，但在当时， 这是不能满意一般的临床使用，由于它必需与图像质量（克劳福德和国王有望问题打 算1990年）。推理是，连续的2个基本的要求不能被忽视的图像质量没有负面影响：被扫描的 对象，即病人，可能不会在数据采集过程中，扫描几何必需是完善的平面。后果是众 所周知的，假如这些条件之一违反。假如病人移动或只有内脏器官或

5、器官在扫描过程 中移动，运动的结果。同样是假如患者预期，尽管合作不动的，是在运输的表运动通 过测量计量。冲突与二要求严格的例子,平面扫描几何是一样的。当X射线管的焦点， 由于热效应或机械不精确，不遵循其规定的路径或在同一平面上的焦点和探测器不行驶时产生的文物。对EBCT扫描仪尤其是存在的问题。总的来说，上述状况 不全都的数据生成，自扫描系统并不认为对不同的角位置完全相同的片。这样的不全都 导致患者的图片。然而，螺旋CT精确构建在违反这两个原那么:它不再需要接受平面几何, 它移动病人在扫描过程中,因此构成亵渎经典的条款。这就解释了为什么大多数的专家 显示超过只有稍微保存对新的扫描模式。批判人士最

6、初称为螺旋CT方法在CT生产图 像。替代建议，如使用移动准直仪结合的优势快速体积扫描和扫描平面几何（托斯等 1991）0在1989年提出的解决方案是数据集的生成代表单片的螺旋重排数据集的数据 量和z插值（Kalenderetal1990b）。它已被证明胜利的收购他扩展到摘要多层系统 （KachelrieB 等 2000）。螺旋型断层扫描需要三年来得到更广泛的接受。在1992年底，全部主要的生产厂 家都宣布了采纳滑动环技术和螺旋扫描功能的扫描仪。自那时以来，一个惊人的技术 进展已被观看到，供应了巨大的增加，X射线功率，计算机力量和进一步的技术改进。 但它不仅是技术参数和扫描速度的增加，它是图像质

7、量的改善：潜在的改进的三维辨 别率和病变检测（地等人1994）和各向同性的亚毫米级的空间区分率（1995款）供应 的选择率在上世纪90年月初的证明。0.5年月的1998年月的四年月的断层扫描系统和旋转的旋转忖间，成为临床实际 状况。同时也意味着削减容积扫描时间的8倍相比,典型的1年月系统的单排探测器， 它是在上世纪90年月CT进展的高潮。几双片系统己经在市场较早（表）；1998探测 器阵列技术的介绍了有吊明显超出这个，意味着新的开头进展一系列扫描仪。在已把 握的技术之后,在检测器阵列中添加更多行是没有问题的。虽然概念和排数差异很大， 四厂商在这领域活跃，令人惊异的是，他们都到1998供应四层采

8、集（表2）。这意味 着“片竞赛”，在本世纪初成为一种现象的开头。更大的探测器阵列允许更快的扫描和 更有效的采用现有的X射线由于增加的立体角。上世纪90年月也意味着相位选择性心脏成像的常规开头，即非EBCT扫描机。第 一个图像是在他们的工作上新的螺旋重建方法下威利地产生（polacin等人1992）0的 反响是类似的建议的螺旋扫描。他们遇到了怀疑和被视为不受欢迎的以来，在管理方 面，心脏成像是留给EBCT。直到1995时，作者可以自由打算状况，他总是敬佩和艳 羡戈弗雷先生,他恢复了心脏成像的工作。很多出版物之后（kachelrieRandkalenden997, 1998, kachelriel

9、?等人，2000）,但直到这个方法包括产品的选择由制造商本世纪初。 心脏成像和CT冠状动脉血管造影可被视为具有很高的临床影响CT显著进展（fi图5）(a)(b)Figure 5. Spiral CT also provided the basis for phase-selective imaging of the heart. First effort on single-slice scanners in the 1990s proved the principle (a), advanced solutions with 64-slic dual-source CT provide fo

10、r fast and robust CT coronarj angiography (b).Table 2. CT scanners with mulli-row detector systems. D represents the number of detector rows. M the number of simultaneously scanned slices.ManufacturerScanner typeNumber of rows DNumber of slices MYearEMIMark I221972SiemensS1RETOM 2000221974SiemensSOM

11、ATOM SD221977(matronC-100221983ElscintTwin221994GELightSpeed1641998MarconiMx8000841998SiemensSOMATOM Volume Zoom841998ToshibaAquilion3441998GELightSpeed 1616162001PhilipsIDT 1624162001SiemensSOMATOM Sensation 1624162001ToshibaAquilion40162001GEVCT6464642(MMPhilipsBrilliance 6464642004SiemensSOMATOM

12、Sensation 6440642004ToshibaAquilion 6464642()04Toshibaprototype2562562004SiemensSOMATOM Definition2 x 402 x 642005与1990年月末CT已经完全恢复。扫描时间低于1s和低于1分钟完成测试按例 是可用的。和CT已经成为个话题的高科学爱好,基本成像和放射的科学家。形态CT,这已经被认为是过时的年月，经受了“文艺复兴”被广泛成认。2.40 2000年快速锥形束扫描新世纪的第一年显示的直接连续过去十年的进展趋势:“片竞赛加快了速度。更多 的行被添加到相应的探测器阵列和多片同时获得(图6)洞时

13、收购16片在2001 ;64 切 片扫描代表艺术的状态供应同样的四个主要制造商(表二)。图像质量已经到达一个特 别高的水平，可以保证即使在短暂的测试时间，几个例子编译在图7中出于演示的目的, 全部通过扫描不到15杪。不过它通常被假定开发只会持续到128年,256探测器行等等，摩尔定律猜想adou 珠光宝气的计算力量每18个月计算机技术也适用于CT对单位时间切片扫描的数量。 有明确的限制燃而，很多问题和缺点是预期假如锥角进一步增加(Kalender2005 b)。问 题必需如下:为什么更多的片吗？不过它通常被假定开发只会持续到128年,256探测器行等等，摩尔定律猜想的计 算力量每18个月翻一番

14、计算机技术也适用于CT对单位时间切片扫描的数量。有明确 的限制，然而，很多问题和缺点是预期假如锥角进一步增加(Kalender 2005 b)。问题必需 如下:为什么更多的片吗？现代多层CT扫描仪允许执行所需的大局部测试特别高的牢靠性。一个例外可能 是心脏CTo例如，冠状动脉CT血管造影术可以轻松地执行和无创性与64 -切片CT扫 描的时候不到10年月令人印象深刻的结果。然而，文献说明诊断胜利率约90%至80o 更高的时间区分率抑更短的有效扫瞄时间被认为是必要的在2000年月早期，和心脏 CT是一个新的进展的驱动力。Figure 7. Modem multi-slice spiral CT c

15、overs virtually all body regions with sub-millimetre isotropic spatial resolution and scan times of 5 to 15 s.高时间区分率始终是通过更高的转速。有严峻的障碍，然而，对持续增长的速度。不 仅是离心力的增加已到达近30g,近330年典型的扫描仪和旋转。以上全部问题供应 必要的x射线作为图像质量濡要保持在所需的水平。x射线功率必需增加成反比降低 旋转时间到达一个常数。这是不行能的现在和可能不会在可预见的将来x射线功率200 千瓦以上的可以供应应支持旋转倍低于200毫秒。一个有吸引力的替代方法

16、是多源系统E经争论了在1970年月。第一次扫描类型 与两个x光单元和两个探测器在2005年成为可用(Flohretal2006)和安装在医学物理学 争论所的埃朗根(figure8(A)0旋转时间330 ms供应有效的扫描330/4或局部扫描83 mso 多段重建(KachelrieBKalender 1998 KachelrieRet al 2000 b)这可以进一步削减到 50 ms和更少。各自的模拟显示，采集系统在给定的数量翻倍龙门是一个更有效的方法 削减有效的扫描时间在心脏成像比削减旋转时间的2倍(Kalender 2005 b)。技术测试 的结果和第一临床评估确认预期(阿肯巴克都等20

17、06)。心脏与CT成像现在好像也达 到一个成熟和稳定的水平与新双源CT(DSCT)技术(图8(b)0那还剩下什么给CT实现在将来?作者盼望进一步进展和改进的CT,但打算性的进 展可能临床CT的主流之外。多样化的使用CT、新媒体和示踪剂相比，高利息的新组合 成像模式。更广泛的CT成像探测器阵列被认为是特殊的应用程序。各自的努力已经 开头在1990年月(Fahrig等1997)。目前最重要的是努力供应c臂的CT成像单位介 入术中成像;它提高了临床工作流和将供应无线电图形，流感或oscopic和CT图像放大 装置。各自的图像重建方法是可用的(Pan等2004)。看来标准的幅床CT和c臂介入 CT,独

18、立开发，可能收敛在几个方面。(b)Figui-v 8. Dual-source CT assembles two complete x-ray and data acquisition systems on one gantry. The example shown, the SOMATOM Definition (Siemens Medical Solutions, Forchheim, Germany) which was introduced in 2005. employs two 80 kW systems at 330 ms rotation times (a) and provi

19、des effective scan limes of 83 ms for cardiac imaging (b).CT从未提到与分子成像的概念。然而,它已经建立了结合正电子和单光子放射断 层扫描(PET和SPECT),特殊是在临床前争论与ct机和小动物成像。DSCT可用的新技术供应了双能CT的有用方法。结合新示踪剂的进展也供应了 CT成像的新视野。CT依旧存在，而且是在一个比以往更具创新性的2000年月o确认 图1、2和3和几个文本段落在历史问题上，略微改编,得到了(Kalender2005 a)和友好 的出版商的许可。读过这篇文章之后，我对整个CT的进展历程有了一个大体的了解。从第一台临床

20、CT 在1972年诞生，刚开头由头部到全身，80年月快速单切片扫描，90年月，从切片 到切片成像螺旋容积扫描，2000年快速锥形束扫描。技术从第一个临床CT扫描仪允 许为单个图像采集在300 s；今日的扫描仪的全部功能，旋转时间低于1秒与速度最 快的一个可以承受3. 3砂有效的图像采集时间到1001ns的谐音双电源系统。在特定的 三维空间区分率，图像质量，临床应用的频谱和很多其他因素已经显示出稳定的改善。 通过本文对各大CT技术革新的解读，一些上课熟识的名词现在有了更清楚的熟识，例 如滑环技术，螺旋扫描等等。但是我们究竟学问还太过匮乏，旗以深刻领悟。要真正 理解CT,还有很长的路要走。CT的进

21、展历程，各位宏大科学家一路上攻坚克难，克服 重重障碍，勇于创新，勇于探究的精神也是我们当代21世纪的青年应当学习的。无论 在那个领域，都不行或缺的精神。让我们为这些为CT的进展做出贡献的宏大的科学家 们致敬。然而，他从未有机会将他的理论付诸实践，只是学到了氨的工作太晚了，他感到圆满 的一个事实，他说，早期获得这方面的学问会挽救了他很多工作。而熟识氢，氢科马 克觉察自己已经知道的更早的工作主题由荷兰物理学家H洛伦兹，己经在1905 (Cormackl992)0提出了一个解决数学问题的三维(3D)案例而Cormack的工作后来高度公认的CT进展的一个重要的贡献，有些人值得一提一 样。奥尔登多夫(1

22、961)发表了他的CT真正开创性的工作1961。卡尔和爱德华兹(1963) 介绍了放射的概念计算机断层扫描在1963；虽然重建工作只能放射CT投影，从而先 于传输CTo滤波反投影是fiRST布雷斯韦尔描述(1967)。戈登等人(1970)在1970 和赫尔曼等人(1973),彼得斯重建技术的描述，贝茨和傅立叶(1971)在1971发表 了代数重建技术的描述。在过滤功能CT重建的必要的关键论文是sheep和洛根的工作 (1974)o第一个胜利的实际实现的理论是在1972由英国工程师G N houns完成的，他现在 是公认的计算机断层扫描专家(1973)。像他的前任，houns6nd领域的早期努力

23、工作 没有学问。他的胜利使整个医学界大吃一惊。他实现了自己的突破也在一所知名的高 校也有放射设施的领先制造商，但与英国行RMEMI公司他的创造给了 EML而直到当 时只能生产纪录和电子元器件，垄断在CT市场，历时两年，和术语“EMI扫描器，和屋T 扫描仪”几乎成了同义词。1974西门子成为第一个传统厂商放射设施的市场头部CT 扫描，之后，很多其它公司快速跟进。随后，18家公司供应的设施在70年月末到达 顶峰，随之而来的一个富强。其中大局部，包括电磁干扰，现在已经退出市场了。第一台临床CT诞生于1972年伦敦阿特金森莫利医院。第一个病人试验，CT供应 了令人信服的方法的有效性证明通过检测囊性额叶

24、肿瘤进行。CT马上被热闹欢迎的医 学界，通常被称为从X射线的觉察在放射诊断中最重襄的创造；它以后的进展只有 CONfi证明这些早期的期望。1974年，计算机断层成像技术已成为放射诊断的重要因 素。虽然只有60个电磁干扰扫描仪安装了，1980年，有超过10000个设施在使用， 其中包括一个高数量的头部扫描仪。1979 houns6ELD和科马克，工程师和物理学家， 被授予在其领域的突出贡献，诺贝尔医学奖。在这一点上，进展好像已经到达了顶峰，上世纪80年月看到了小的技术进步。1989 螺旋CT的介绍和回顾R31(a)(b)Figure 1. Godfrey N Hounsfield (a), an

25、 English engineer, developed the first CT scanner and. together with the physicist A M Connack. received the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 1979. Tninsverse slice imaging of the brain at low resolution with 80 x 80 image matrices became the standard CT application in the first half of th

26、e 1970s (b).图1。戈弗雷(一)，一位英国工程师，开发了 fiRSTCT扫描仪，连同物理学家MCormack,获得诺贝尔生理学及医学奖1979。在低区分率的大脑80 x80图像矩阵的横切片成像成为在上世纪70年月的fiRST半标准CT的应用(B)o在X射线，探测器和扫描仪技术的进展导致了一个更新的爱好，在断层和一个真正的复兴的断层，将在下面具体指出。今年的2006,在临床操作装置的数量约为45000,几乎是全身螺旋扫描。呈提升趋势是不连续的，在临床放射学中的位置在临床放射学中的地位好像比以往任何时候都高20技术，性能特点及应用进展第一个临床CT扫描仪允许为单个图像采集在300 s；今

27、日的扫描仪的全部功能, 旋转时间低于1秒与速度最快的一个可以承受3.3砂有效的图像采集时间到100ms的 谐音可以为双电源系统。在很多其他性能稳定的性能已经稳步提高的年月，它好像增 加扫描速度总是得到最优先的，是在进展的驱动力。现代断层成像的基础上，其胜利 的事实是，速度的增加不仅适用于单一的图像采集，而且还为完成数量的图像数据的 采集。在特定的三维空间区分率，图像质量，临床应用的频谱和很多其他因素已经显 示出稳定的改善，多年来，同样的（表1）。潜在的技术进展，可以安排到一个很好的 近似，虽然没有严格的，直到几十年后。2.1上世纪70年月一一从头部到全身成像，CT扫描仪的进展始于试验装置，这在

28、很大程度上相当于在图2示意图（一）。这 种装置被称为CT的第一代”。第一代的商业扫描仪，所谓的“其次代”，不同仅从扫描 系统小。为了加快扫描速度，采用现有的X射线功率更有效地增加了探测器需要从一 个铅笔束一小扇束的功率。两种扫描仪的功能依据翻译-旋转原理，辐射源和探测器 扫描的对象在一个线性平移运动并重复这个过程后冼后为购物中心旋转增量（a）和 （b）o 180猜想在1。步骤160数据采样点，即28800个数据。这是足够的计算与6400 像素图像,即一个80 x80图像矩阵。扫描时间是5分钟同时进行图像重建，把相同的时 间。Hounsfield报道35分钟的测试时间,duaHow探测器获得的6

29、x2图像有13毫米 片厚度。这是一个了不起的成果。在1969年的第一次试验测试对象被Hounsfield扫 描源和需要一个同位素扫描时间9天的形象、Table 1. Performance characteristics3 of CT in a comparison from 1972 to 2005. Significant improvements are given due to technological advjinces for almost all parameters. Contrast resolution reached a stable level since detec

30、tor quantum efficiency was close to 100% early on.1972198019902(XM2005 (DSCT)Rotation time (s)3005-101-2033-0.50.33Data per 360 scan (MB)0.05811-210-1002Q-2OOData per spiral scan (MB)24-48200-4000200-8()00Image matrixh80 x80256 x 256512x512512x512512x512Power (kW)21()4060-KK)2x 8()Slice thickness, m

31、m132-1()1-100.5-10.5-1Spatial resolution (LPcm 1 )38-1210-1512-2512-25Contrast resolution5 mm/5 HU/3 mm/3 HU/3 mm/3 HU/3 mm/3 HU/3 mm/3 HU/50 mGy30 mGy30 mGy30 mGy30 mGy(b)Z*generation translabonArotation(b)Z*generation translabonArotation(a)1- generation: translation/rotabonfan beam (1976)fan beam

32、(1978)(d)4* generation: continuous rotationFigure 2. Four scanner generations were promoted in the 1970s. Head scanners, which scanned the patient by translation and rotation of the measurement system with a pencil beam (a) or a small fan beam (b), and fan beam systems, in which all body sections ca

33、n be scanned with a continuous 360 rotation. The *3rd generation, featuring a rotating detector (c), has clearly outdistanced the *4th generatiojn*. which utilizes stationary detector rings (d).(c) 丁 generation: continuous routiona Typical values for high performance scanners.b Values refer to the c

34、alculated matrix. Monitor displays often use 1024 x 1024 matrices by means of interpolation.代替取样传输的廓，即突起，通过用平移，扇形束和较大的检测器的电弧铅笔光 束被用来同时测量一个完整的投影（Flgu侬2 （c）和（d）的。在这种方法中，可用 的x射线功率再次采用完整探测器弧所对的角度平移运动变得过时，而系统仅执行旋 转运动。在第一个全身扫描仪与扇形束系统来到了市场在1976年供应20%的图像扫 描时间。随着十年CT年底正式成立.每形象相层厚5至10的S5至10毫米的扫描时 间为标准。即使是滑环式扫

35、描仪提出与瓦里安正在建筑一个原型沱没有到达产品状态, 但。共有18个厂商在此期间从事开发。艺术在70年月的状态艾利好，全面审查在本 杂志在给定的时间（1976年布鲁克斯），后来在该杂志的主编（1990年韦伯）一个优 秀的教科书;最近的CT基本的沙子从第一个十年的进展回顾直到今日可在 （Kalendar2005）巾找到。2.2o上世纪80年月快速单切片扫描很明显，图像质量，因此诊断力量的扫描时间在很大程度上取决于扫描时间，由 于自愿和非自愿患者运动。此时，必要的电能通过电缆馈送到扫描仪的X射线管。这 防止了快速和连续旋转，由于系统必需砥在一个方向加速，360。后停止，然后再次加 速进入相反的方向

36、。快速扫描”这种类型供应扫描时间降低到2秒20世纪80年月o供应缩短扫描时间的目的是追求在很多制造性的方法方式上世纪80年月;还学术 争论团体提出并在几个创新的概念开头工作（RobbandRitmanl979,博伊德1981年博 伊德和立顿1983年）。这使得它在临床实践两个设计是这里要提到：常规CT系统为连 续旋转和数据采集和电子束CT （EBCT）,它被设计主要用于心血管应用扫描仪的可能 性。在EBCT anelectron束穿过的围封病人（FI古尔3）四个半圆形的目标之一席卷而 来。由于没有机械运动参加，共供应33至100毫秒的扫描时间并实现了当时一个卓越 的品质心脏图像。虽然EBCT概

37、念的一些方面显得特别有吸引力的进一步上，有很多打 算性缺点。焦点轨迹被限制在通常220。局部圆，即180。加上扇形角，以及不与的同样 约220。探测器圆瓠的面，其必定具有重合的平面中的偏移z方向。由于探测器是静止 的，可使用无防散射准直器。两者的缺点，几何和缺乏散射准直器，也对使用更广泛 的检测器阵列的发言。此外，通常为100现有EBCT系统的x射线功率不超过传统系统 显着的X射线功率。在结果后来变成了以更低的本钱供应更高的图像质量和更高的容 积扫描速度多行探测器的螺旋CT扫描。EBCT持续了不到二十年。electron bending. data acquisition systemvacu

38、um purrpspatient table target rings、首先在使用CT的组织参数量化网络阳离子，特殊是评估组织密度，已经在20世 纪70年月开头，骨密度测量结果的主要目标（Adams等人1982年,Genant和Boydl977）o 各自的努力是在20世纪80年月的网络版。骨密度测量及其在数以百计的安装用的专 用双能CT产物选项的进展是一个例子（Kalender等人1987）。今日仍在使用低剂量单 能CT。双能选项与快扫描的消失和从脉冲到连续的数据采集的固有变化丢弃，由于快 速千伏切换从脉冲到脉冲的技术方法变得不行能。血液溢流和灌注测量是定量的CT的又一个例子。它开头与由大脑中评估负累积测 量分钟间隔脑灌注（古尔等1989, Kalender等人1991）。具有快速连续的CT测量系统 的消失测量通过感受好组织通过期间注入到外周静脉造影剂的大丸剂的过境的方法被 采纳。今日被广泛用作快速实行考试一般为30秒。组织灌注地图，在毫升每分钟克组 织的血脑灌注的例子显示，例行评估患者急性脑梗塞（柯尼希2003）使用。连续旋转的CT系统中，基于“滑环技术”，在1987年被引入所需的X射线管是通 过滑环来代替线缆传输的电能。因此，有可能放弃操作启停式（开头顺时针旋转-停 止-启动逆时针转动停等）和连续数据采集来取代它。与此同时，旋转次数削 减到1秒设定了新的标准。扩展到