第二节　X射线计算机体层摄影设备

研究表明，由于沿X射线投射方向上的组织结构相互重叠，以及散射等因素的影响，邻近组织结构的密度差异需要至少大于5%，X射线透视/摄影所得到的影像中才能观察到密度的差异。X射线计算机体层摄影设备（computed tomography，CT）的出现，使医生能够清楚地观察组织的三维结构，避免了投影方向上的结构重叠，提高了对密度差异的分辨能力，做出更准确的临床诊断。

一、CT设备的成像原理

吸收定律（朗伯比尔定律）是CT成像的物理学基础：当单色射线经过某一物体时，其能量由于与原子相互作用而受到衰减，衰减的程度与物体的厚度和衰减系数有关。图2-4显示了一束单色X射线经过厚度不同的均质物体后衰减的情况。

如果物质厚度为d，其入射的X射线强度和出射的X射线强度的关系式如下：

式中Id为出射X射线强度，I0为入射的X射线强度，μ是该物体的X射线吸收系数或线性衰减系数，如果已知I0，Id和d值，则能计算出μ值，这是该物质密度的重要参数。

人体不是均质物体，含有密度较高的骨组织，也有密度较低的脂肪、体液和空腔，不同密度的组织结构对X射线的衰减系数不同。简化起见，研究者将人体视为许多小的均质体素组合而成，当X射线穿透人体后，所测得的X射线强度Is为：

CT图像的重建过程就是求解物体内各个均质体素的衰减系数的过程。常见的方法有迭代法、直接反投影法和滤波反投影法，简要介绍如下：

（一）迭代法

用一系列的近似计算以逐渐逼近的方式来获得图像。具体做法为：先假设一个最初的密度分布（如假设所有各点的值为0），根据这个假设得出相应的投影数据，然后与实测到的数据进行比较。如果不符，则根据所使用的迭代程序进行修正，得到新的分布。这就完成了一次迭代过程。之后，以前一次迭代的结果作为初始值，进行下一次迭代。在进行了一定次数的迭代后，如果认为所得结果已足够准确，则图像重建过程就到此结束。

（二）直接反投影法

如在一个低密度的区域中，有一个高密度的物体，此物体被X射线经各个方向扫描后产生许多X射线衰减的投影波形，将这些投影波形反投影到各个X射线方向上的矩阵中，产生出反投影图，将这些反投影图相互叠加，便出现一个带有云晕状伪影的重建图像。

（三）滤波反投影

为了消除云晕状伪影，将测得的投影数据与“核函数”作卷积运算，再用所得的结果作反投影，可以得到消除了伪影的图像，这一过程被称为滤波反投影。图2-5是滤波反投影法的原理图。

X射线穿透人体某一断层，形成一维投影信号如图2-5左图所示，右图是断层图像的二维傅里叶变换示意图，红色线段是上述一维投影信号的傅里叶变换结果。当X射线绕人体旋转，可以得到不同角度的一维投影信号，将这些一维投影信号经傅里叶变换后组合起来，得到该断层完整的二维频域图像，再经傅里叶反变换，就可以重建出CT断层图像。

重建后图像中各体元的数值代表着线性衰减系数μ。X射线计算机体层摄影设备采用水的μ值作为基准，用相对衰减系数表示人体各组织的μ值，记为：Δμ =（μ组织-μ水）/μ水。将Δμ值乘以1 000，就得到临床上常用的CT值，又称为豪斯菲尔值或H值。水的CT值为0H、空气为-1 000H、骨为1 000H，CT值范围从-1 000～3 000H。

二、CT设备的构成

CT设备由四个主要子系统构成：X射线发生系统、数据采集系统、计算机系统和图像显示系统，图2-6是CT设备的典型结构。

（一）X射线发生系统

X射线发生系统由高压发生器、X射线管、束光器、控制台等组成，其作用是提供稳定、满足要求的X射线光束。

随着CT设备的成像速度加快，X射线发生系统必须满足高毫安秒（mAs）输出量、焦点准确以及高热容量的要求。16排以上CT的球管热容量多大于7.5MHU，128排CT的球管等效热容量可以达到30MHU。有些X射线球管着力提高散热率，将所有的旋转轴承放置于金属真空部件之外，直接冷却球管的阳极，被称为球管阳极直接冷却技术。该技术的冷却率达到4.7MHU/min，显著地降低了对球管热容量的要求。

高压发生器由高压变压器、X射线球管灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸、高压插头和插座等高压部件组成。近年来，固态高压发生器逐渐取代了油封的高压发生器，降低了发生器的体积和重量。

控制台是CT控制系统的一部分，控制曝光的停启，预设和控制kV、mA值、曝光时间，以确保机器的运行安全和及时发现故障。准直器的作用是将X射线管产生的圆锥形光束转变为线形或者扇形光束。CT机的准直器按装配的位置，分为X射线管准直器和探测器准直器，两者的位置需要精密配合，才能保证数据的准确采集。

（二）数据采集系统

数据采集系统由检测器、扫描机架及配套扫描床等主要部件组成。

探测器由数百个排列成向心弧状的单元阵列组成，与X射线管相向放置，有固体探测器和气体探测器两种类型，常用的是固体探测器。

固体探测器常用的闪烁材料有碘化钠NaI、碘化铯CsI和锗酸铋BGO等，这些物质被X射线照射后，具有较高的发光效率及较好的能量分辨率。在自身发光波段内无吸收，透过率较高，发光衰减时间短，有较好的热稳定性和化学稳定性。在主基体内有选择地固溶一定量的稀土和碱土离子后，制成陶瓷闪烁体，其X射线的利用率达到99%，且余辉短，可以满足螺旋扫描对高效率、短时间反复采集信号的要求，图像稳定，环状伪影少。闪烁晶体与光子检测电路组成探测器单元，多排螺旋CT的探测器往往由数万个探测器单元组成，以实现高空间分辨率成像。固体探测器的输出信号强度与环境温度的关系较大，常用加热或冷却的方法保持探测器温度的相对稳定。

扫描机架是重要辅助部件，机架上安装有扫描传动机构、旋转框架、X射线管、准直器、检测器以及控制和指示电路等。扫描时框架在马达的带动下，做旋转运动。现在多采用滑环式结构。

所谓滑环式，是将X射线管和探测器置于内旋转架上，X射线管由装在内框架上的碳刷和外机架的滑环接触供电，探测器接收的信号采用光电耦合方式传给外机架。因为内框架和外框架之间无直接电缆连接，所以内旋转架可以单向连续360°旋转。高压发生器置于机架外，通过机架内滑环向X射线管传送高压电低电流的方式被称为高压滑环式，优点是内框架简单轻巧，但易产生高压噪音，常在密闭腔体灌注加压惰性气体，以减少打火现象。高压发生器安装在内旋转框架上，通过机架内低压滑环向其供电被称为低压滑环式，传输低压大电流，缺点是内框架上配有高压发生器，设计和日常维修复杂。

（三）计算机系统

计算机系统由操作台、医生工作站和外围设备组成。计算机系统的主要作用是将数据采集系统得到的数据，重建为CT图像；生成并显示图像，并控制图像的传输、存储；控制CT机器的运行。

计算机必须能处理大量数据，调度整个CT机各部分功能件的动作，对数据流进行缓冲。软件系统是图像处理、显示、辅助医疗诊断、辅助故障诊断、机器各系统之间的管理的核心，如CT的系统程序，完成图像处理系统的管理调度，并控制CT的成像过程；系统诊断程序检查系统的正确性，诊断系统故障以保证系统的可靠和维修方便。

（四）图像显示系统

图像显示系统包括计算机软件、显示器和计算机硬件设备。典型的应用是窗技术：人体组织CT值的范围为-1 000H到+1 000H，但人眼仅能分辨16个灰阶。为了分辨CT值相近的组织，可以根据诊断需要调节图像的窗宽和窗位。窗宽指CT值显示范围，如窗宽为160H，则CT值分辨率为160H/16 = 10H，即CT值差别超过10H的组织可以被分辨出来。窗位是窗宽的中间值，窗位低的图像亮度高，呈白色；窗位高的图像亮度低，呈黑色。图像显示软件应能方便地调节窗宽和窗位。

图像显示软件的功能还包括：图像放大，使某一兴趣区放大若干倍供观察；图像镜相反转，使观察起来更为方便；窗位检测，选出一段特定的CT值范围，从图像中勾画出来，与周围的不同组织加以区别；图像比较，同时在荧光屏上显示多幅图像；CT值测量，计算某一兴趣区的CT值；三维显示，将CT断层图像以三维形式显示，包括MIPs和MinPs（最大和最小密度投影）、SSD（3D遮盖表面显示）、3D虚拟内镜和MPR（多平面重建）等。这些功能能帮助医生直观地作出临床诊断。

三、CT设备的常见类型

（一）螺旋CT机

螺旋CT机是基于滑动环技术的CT成像设备，使用滑动电刷替代随着旋转支架运动的电缆，改变了不能在360°空间连续扫描的缺点，减少了旋转支架运动的阻力，提高了运动速度。这种CT在扫描时，机架（光管和检测器阵列）做环形旋转运动，同时诊断床作相对的线性运动（匀速前进或后退），其扫描线成螺旋形。由于一次扫描可以得到一段体积上的多层图像，体积扫描速度较快，例如对腹部的扫描只需要30秒，患者在屏住呼吸的时间段内就可以完成扫描。

（二）多排螺旋CT机

多排螺旋CT是基于多排探测器的CT成像设备。将多排单列的探测器排列成二维探测器矩阵列，X射线束投射到探测器后，根据成像的需要，通过电子开关选择各种组合方式，可以得到0.5mm，1.0mm，1.25mm或5mm层厚。单层CT通过改变患者前准直器的宽度改变成像层厚，而多层CT则是主要依靠改变探测器的组合方式来确定成像层厚。目前多层CT探测器的设计方式主要有三种：等宽型（对称型）、不等宽型（非对称型）、混合型。等宽型和混合型探测器优点是扫描层厚比较灵活，可以在不更换探测器的情况下，通过增加DAS系统升级CT机。缺点是探测器之间有间隙，造成Z轴方向的死区大，导致射线的利用率低。非等宽型探测器优点是探测器的间隙小，探测器的死区小，X射线的利用率高，而且可以降低生产成本。缺点是扫描层厚选择上不如上述两种探测器灵活，升级为更多层CT时必须更换全部探测器。

（三）双能CT机

CT设备的发展，始终围绕着提高扫描速度，提高图像分辨率，减少放射剂量等关键问题。由于人体脏器在成像过程中发生位移，如心脏跳动，图像会存在运动伪影。对此，需要CT设备有更高的成像速度或者能够适应心脏的跳动。双能CT采用了两套探测器和球管：两个探测器成90°角，分别对应一个球管，因此机架只需要旋转90°就可以获取重建图像的全部数据，大大加快了图像采集速度。其时间分辨率可以达到83ms，可以对心率过快、不规则及屏气有困难的患者进行成像，能够在一次心跳过程中采集心脏图像。利用双能CT还可以进行双能量减影等技术的研究，通过一次扫描分离出只有骨骼或者血管的图像，帮助医生更好地区别组织类型和描述病变特征。

传统CT诊断和定量分析是基于CT值进行的。但由于X线衰减系数与物质组成并无一一对应关系，这就限制了基于CT值的混合能谱图像在物质鉴别和定量分析方面的应用。根据放射物理学原理，利用两组由不同能级X射线生成的CT图像，可以将构成人体组织的物质等效为特定的物质对，如碘物质对、钙物质对。而碘恰好是常用影像对比剂的重要成分，钙对临床诊断也有重要意义。因此，双能CT开始被用于物质鉴别和定量分析。

基于两套探测器和球管的双能CT，由于高能和低能图像并不是在同机位生成的，同时人体组织对高能X射线和低能X射线的衰减不一致，成非线性关系，因此不可避免存在图像配准的问题。此外，两套探测器和球管的物理特性不能完全一致，也会带来物质鉴别和定量分析的误差。有的CT通过高速切换球管的管电压的方法，仅用一套探测器和球管就可以实现双能CT，缺点是高能和低能均不能连续扫描，影响后续分析和处理的精确性。

更新型的双能CT，不同利用改变球管电压的方法，而是采用双层探测器。探测器使用不同的闪烁材料构成双层闪烁体，上层采用钇基石榴石层，用以探测低能级X线，下层采用稀土陶瓷GOS层，用以探测高能级X线。临床应用时，只需要按照传统CT的方式操作CT机，就可以同时获取高能图像和低能图像，并重建出单能图像（MonoE）、无水碘图、钙抑制图像等，为医生提供更多的诊断参考信息。

（四）锥形束CT

锥形束CT成像时，不将X射线管产生的圆锥形光束转变为线形或者扇形光束，而直接使用圆锥形光束进行投照。锥形束CT获取数据的投照原理与扇形扫描体层CT差异较大，而后期计算机重组的算法原理类似。

体层CT使用二维扇形束扫描得到一维投影数据，经反变换重建后得到二维断层数据，将多幅二维断层数据按照空间位置重组后得到三维图像。锥形束CT使用三维锥形束X线扫描代替体层CT的二维扇形束扫描，并使用平板探测器直接采集二维投影数据，重建得到三维图像。锥形束CT只需围绕受试者旋转360°即可获取重建所需的全部原始数据，具有较高的各向同性空间分辨率，人体中金属物伪影造成的影响较低。锥形束CT成像时，外围X线束倾斜地投照在受试物体上，存在明显的几何形变，平板探测器易受到散射线的影响，图像去噪以及图像重建的难度较高，图像空间分辨率较低。

锥形束CT在口腔科应用较多，也用于制订放射治疗计划时的模拟机，针对骨科等专门用途的设备也有采用锥形束CT技术。