第一章 概论

1895年德国物理学家发现了X线，从此医学领域诞生了一门新的学科——放射科，人类从中获益匪浅。但在大半个世纪中，我们尽管不断改进透视、照片、造影等方法，X光机设备也得到不断改进、提高，却始终未有跳出模拟、二维图像的范畴。直到20世纪60年代将电子计算机与X线检查技术相结合，诞生了计算机体层摄影术（computed tomography, CT）, X线检查才进入了一个新时代，其发明者英国物理学家Hounsfield因其在这一领域的重大突破而荣获1979年诺贝尔医学生物学奖。

1974年全身CT诞生，此后CT发展从第一代到第五代、从普通轴位扫描CT到螺旋CT、从单层螺旋CT到多层螺旋CT乃至双源CT等，经历了多个发展阶段。尤其近十多年来，CT设备硬件和软件都得到了极大发展，使得要求较高的血管及心脏三维成像、组织血流灌注、CT透视、容积成像等都成为可能，从而大大拓展了CT在临床的应用领域。

第一节 CT成像基本原理与基本结构

一、CT成像基本原理

CT是近代飞速发展的电子计算机控制技术和X线检查摄影技术相结合的产物，它与传统X线平片和透视利用人体内不同组织密度和厚度对于X线穿透后吸收能力差别，在胶片上或荧光屏上形成不同影像不同，CT采用高度准直的一定厚度的X线对特定层面进行扫描，X线穿过人体不同脏器和组织形成不同的吸收衰减，被与X线管相对位置上非常灵敏的探测器所接收，进行光电转换，这些与X线强度呈线性关系的电信号，经对数放大、多路转换等处理后，由A/D转换器（模/数转换器）转换成可由计算机进行计算的数字信号输入计算机，通过计算机处理得到扫描层面的组织衰减系数的数字矩阵，将矩阵内的数值通过D/A转换器（数/模转换器）转换后，输至监视器用不同灰阶形式显示在监视器上，即成为诊断用图像。

二、CT基本结构

CT扫描成像系统由硬件和软件两大部分组成，其硬件结构又由数据采集系统和图像处理系统两部分组成。采集系统包括扫描架、X线管、高压发生器、准直器、探测器、对数放大器、A/D转换器和接口电路等；图像处理系统由计算机（包括主控计算机和阵列处理机）、磁盘机（包括硬盘机、光盘机）、D/A转换器、图像显示器、多幅相机、接口电路等组成。整个系统由中央控制系统操纵，加上检查床和电源系统等，便构成一台完整的CT机。为对CT设备进一步了解，下面对其主要部件作些简要说明（图1-1-1）。

（1）X线管。X线管是CT中的信号源，是其中的重要部件。除早期头部CT使用固定阳极X线管外，各代全身CT均使用旋转阳极X线管。随着螺旋CT的诞生和不断发展的多层螺旋CT、4DCT、双源CT、平板CT等，对X线管也提出了越来越高的要求。目前使用的球管热容量有2.0MHU、3.5MHU、4.0MHU、5.0MHU、6.3MHU、7.5MHU、8.0MHU等不同大小，球管的功率最大者超过70kW，阳极旋转速度达到9000r/min左右，可以保证连续大范围扫描；有的公司采用液态金属螺旋沟纹轴承系统取代以往阳极金属轴承，克服了金属轴承易损的缺陷，提高了球管的使用寿命；球管焦点也越来越小，由最初的数毫米，到现在1mm左右，大大提高了X线的质量。

（2）高压发生装置。高压发生装置主要包括高压发生器和灯丝变压器。高压发生器用来产生X线管所需要的高压，工作电压一般为120～140kV。X5线管所用高压为恒压直流高压，一般采用桥式整流电路，高压整流元件几乎均为硅整流器，而恒压的要求一般通过电容滤波来实现。为保证高压电压、电流的稳定性，常采用闭环控制方法，即自高压负载取得反馈电压与参比电压进行比较所得误差经放大器放大，通过控制机构进行调整，保证高压的稳定性。

早期高压发生器为油浸式，体积较大，重量达1吨以上。随着工艺、材料的更新，在保证高于一般发生器绝缘要求的前提下，体积缩小到安装在扫描架的固定部分、乃至现在安装到旋转部分，这就为滑环CT创造了条件，也为MSCT创造了必要条件。目前，MSCT全部采用固态高压发生器，体积缩小到常规发生器的近1/10，减轻了扫描架旋转部分的重量。多层螺旋追求高速扫描，多数已达0.5s/r以上，旋转部分的离心力很大，油浸式高压发生器很容易发生漏油而导致损坏，固态高压发生器彻底杜绝了这一隐患。MSCT最快扫描速度为0. 33s/r，如同照相机的快门一样，能在极短时间内“冻结”运动物体，可用于心脏冠状动脉成像。为X线管提供灯丝电源的灯丝变压器是高压发生装置的又一重要部分，工作电压一般为3～12V，分为准备电压（非扫描时）和工作电压（扫描时），输出电流4～7A。但对于采用负高压的X线管，灯丝处于相对高电位，因此需耐受全部输出高压，必须有很高的绝缘要求。

（3）数据采集系统与探测器。探测器是DAS（数据采集系统）的主要组件之一。由探测器检测到的模拟信号，在计算机控制下，经积分放大后进行A/D转换，成为原始的数字信号。DAS采集数据的时间和控制信号由扫描控制系统产生，并且通过接口电路提供到DAS。

探测器是将射线光子能量转换为可供记录的电信号的装置，即完成光电转换，其所转换的电信号强度与其所接受到的射线辐射能量大小成正比。由于射线穿过人体组织及病理组织所产生的衰减系数变化很小，因此对探测器的转换效率、响应性、准确性、稳定性均有较高的要求。

探测器类型有两种：一种是收集气体电离电荷的气体探测器，另一种是收集荧光的探测器，称闪烁探测器或固体探测器。相对于固体探测器，气体探测器虽然温度特性较稳定，但气体探测器噪声较大、容易发生饱和、散射线准直也存在一定缺陷，射线剂量利用率也明显低于固体探测器，因此目前已淘汰。固体探测器包括闪烁晶体、光导、光电倍增管和前置放大器诸部分。其中闪烁晶体材质改变较多，先后使用碘化钠、碘化铊、碘化钾、氟化钙等荧光晶体，其性能也不断提高，现多使用高速稀土陶瓷，无论是转换效率、稳定性，还是体积等诸方面均大大高于以往晶体。

固体探测器发展的另一方面是探测器越来越小型化，为在一定的空间安装更多探测器创造了条件，为多层螺旋CT设计提供了可能。CT探测器组由最初的数个、十数个发展到数百、数千个，目前64层螺旋CT的探测器大约有20000多个数据通道，在一秒钟内大约进行4000多次读取。MSCT不仅有传统的X、Y轴分辨率，还有Z轴分辨率，X、Y、Z轴分辨率一致，则体素为一立方体，使得任意斜面的图像质量保持一致，即所谓各向同性，因此重建出来的3D图像更臻完美。

（4）准直器。准直器是一种辐射衰减物质，为X线的整形装置，由可以平行运动的两部分组成，根据需要改变两片之间的缝隙，以控制X线在人体长轴平行方向上的宽度从而控制扫描厚度，同时捕捉散射线。准直器可分为上准直器（球管侧，又叫前准直器）和下准直器（探测器侧，又叫后准直器）。准直器的作用是使探测器只接受垂直入射探测器的射线，尽量减少散射线的干扰，减少读数误差并与前准直器配合切换层厚。现代CT由于球管焦点很小，射线束具有很好的方向性，故现在一般取消了下准直器。

（5）滤波器。滤波器的作用是吸收低能量射线，优化射线的能谱，减少病人的X线剂量，使通过滤过后的X线为能量分布均匀的硬射线束。由于人体断面呈近似椭圆形，中心厚度较大，边缘厚度较小，X线穿过后信号强度差别较大，同时具有一定能量的电子撞进靶原子核附近时，在核电场力的作用下会改变运动速度和方向，部分电子因为能量减小而离开碰撞点，因此转变为光子的能量也不相等，致使形成的X线为不同波长的连续光谱，而CT要求X线为能量均匀的硬射线，故从球管发出的X线必须进行过滤，基于此，人们在CT机球管的窗口侧安装了楔形补偿器（滤波器），滤掉低能射线。以前在同一台设备上安装有成型滤波器（凹陷较深，用于头部扫描）和平板滤波器（凹陷较浅，用于体部扫描）两套滤波设备，使用一套时，另一套退出窗口，现仅用双面凹陷的一种滤波器。

（6）计算机。CT机的计算机系统为主计算机和阵列处理机（AP）两部分，旧式CT两者在硬件上分为各自独立单元，由于计算机的迅猛发展现在已一体化设计。

主控计算机是中央处理系统，通过数据总线进行双向通讯，从而控制CT整个系统工作，其主要功能有：①扫描监控，存贮扫描所输入的数据；②CT值的校正和输入数据的扩展；③数据管理，图像重建控制及后处理；④CT自身故障诊断及分析。

阵列处理机（AP）为专用数据处理装置，与主控计算机相接，专门处理多组数据，其本身不能独立工作。AP在主控计算机的控制下接受由DAS（数据采集系统）或磁盘送来的数据，进行运算后再送给主控计算机，然后由终端显示，它与主控计算机并行工作，在AP工作时，主机可执行自己的工作。

（7）图像处理与储存装置。为CT计算机系统的核心装置。近年来，随着计算机技术的飞跃发展，计算机运算速度大大提高，图像重建时间也越来越短，部分CT还采用了多台微机并行工作，实现了扫描、重建、处理、存盘和照相等同时进行，提高了病人流通量。

储存装置由过去的硬盘、软盘和磁带改为可再写的磁光盘（MOD），其处理速度大大加快。作为档案长期保存的只写一次的光盘（WORM），其储存量大，数据检索快，保存性能好，明显优于软盘与磁带。

（8）多幅相机。多幅相机将CT图像拍摄到CT胶片上，一张胶片往往拍摄数幅到数十幅图像，所以称之为多幅相机。

多幅相机可分为CRT型多幅相机和激光型、热敏型多幅相机。前者由阴极射线管的电子束将视频信号变成在视频监视器屏幕上显示的图像，再用光镜折射，并用透镜把视频监视器上的图像聚焦到CT胶片上，使其曝光。CRT型相机较简单，价格较低，但受影响因素较多，质量受限，而且每幅图像曝光后即不可更改，无法重新排版，目前已基本淘汰。

激光型、热敏型多幅相机通过以太网络接收数字图像数据，将图像像素的灰度值输入其存储器中，激光相机直接控制激光对每一像素单元曝光，在专用激光胶片上成像；热敏相机则是将数字图像像素的灰度值传送到打印头电阻器，一行连一行地直接完成数控热敏打印成像过程。上述两种相机各有其优点，一般认为激光像机图像清晰度更佳，不过不论哪种类型它们的聚焦性、方向性、分辨率等都明显高于CRT型相机，而且可以自由选择图像排列，在确认打印之前可以随时修改，排版完成后输入存储器中，再一次打印。它们都内置有密度检测调节装置，将得到的图像密度检测信息送回图像信息处理单元的计算机，这样就形成了一个闭环的图像质量调控体系，使数字胶片打印机的图像质量始终保持如一，保证了每张胶片的一致性，确保了影像的质量。

激光型相机又可分为湿式和干式两种，前者打印完胶片后，仍然和CRT型相机一样在暗室冲洗，才能成像，因此仍受暗室因素影响，图像质量得不到足够保证，目前已很少选用；干式激光型相机打印完毕后由相机输出即为可阅读胶片，无需暗室，目前新购入激光相机多属此型。