第二节 CT设备的发展

一、CT的发明

计算机体层摄影术的发明是自伦琴1895年发现X线以来，医学X线影像诊断领域最重要的成就。

CT的发展经历了漫长历程，从最早的理论提出到设备的诞生等待了约半个世纪。1917年奥地利数学家J.Radon提出拉东复位理论，即物体投影的无限集合，可以重建该物体的图像，建立了CT的数学基础；1963年，美籍南非人理论物理学家Allan.Cormack尝试将图像重建的数学方法应用于医学，首次提出了用X线扫描进行图像重建，建立了X线摄影的数学模型，还得出了一些有用的公式，为CT的应用奠定了理论基础。

1967年，英国工程师G.N.Hounsfield博士在EMI公司实验研究中心开始了模式识别的研究工作，并于1969年制作了一套简单的扫描装置，即用加强的X线作放射源，对人体的头部进行实验性扫描测量，得到了颅脑的断层分布图像。1971年9月，Hounsfield在伦敦郊外的Atkinson-morley医院安装了第一台原型设备，在神经放射学家Ambrose医生的指导下开始了颅脑的临床实验研究。10月4日是一个值得纪念的日子，第一个接受检查的病人头部横断图像呈现在荧光屏上—CT的临床实验获得成功！

1972年4月，Hounsfield和Ambrose在英国放射学研究院年会上宣读了关于CT的第一篇论文，报告了实验结果，从而宣告了CT的诞生！1973年，CT研究成果在英国放射学杂志上报道，引起人们的极大关注，同年11月，在芝加哥北美放射年会（RSNA）上也宣读了他们的研究论文，一举震动了全世界。1974年，美国George Town医学中心的工程师Ledley进一步设计了全身CT扫描机，使之适用于全身各个解剖部位的影像学检查。1979年Hounsfield与在塔夫茨大学从事CT图像重建研究的Cormack教授一起，获得了诺贝尔医学生理学奖。

从第一台CT的诞生到现在已30多年了，CT设备的发展仍是日新月异，从第一代到第五代，从普通的层面CT到电子束CT和螺旋CT，尤其近十年来无论是硬件还是软件都得到长足的发展，大大提高了CT检查的内涵和外延。层面采集CT的一、二代早已淘汰，三、四代业已基本淘汰，第五代CT仅少量使用，目前所使用机型主要为各种类型螺旋CT，凡近年更新者多为多层螺旋CT。但为内容系统性，除介绍螺旋CT以外，其他各型均稍作介绍。

二、各代CT的主要特点

1．层面采集CT

层面采集CT每次扫描采集一个层面的图像信息，在扫描时检查床静止不动，每完成一次扫描，检查床根据扫描厚度前进一定距离再进行下一次扫描，每次扫描球管分别进行发射射线的数据采集旋转扫描和不发射射线的回位旋转，这是因为受球管后面连着高压电缆的限制，所以尽管从第一代CT到第四代CT也有不断发展，但与后来的螺旋CT不可同日而语。第一、二代CT早在20世纪80年代先后淘汰，第三、四代CT20世纪90年代也已停产。第一代和第二代运转方式均为平移/旋转式，但第一代CT因速度慢，孔径小，仅能扫描头部，第二代CT已可以进行体部检查，但速度太慢，体部检查不理想；第三代CT有了质的飞跃，扫描速度和图像质量均得到很大提高，可以完成全身各部位检查，第四代CT仅在第三代CT基础上对探测器排列和运转方式进行了改变，速度和质量并无明显变化，生产的公司不多，生产时间也不长（图1-2-1）。

（1）第一代（平移/旋转式）。采用笔形X线束和单个对应的探测器设计，每次扫描球管和探测器在需检查区沿人体一侧向人体另一侧平移扫描，然后旋转1°，再重复上述过程，不断平移/旋转直到旋转180°，采集一个层面需数分钟到数十分钟，尽管后来有所提高，但仅用于头部等不活动脏器检查，故又称为头部CT。图像矩阵128×128或256×256。

（2）第二代（平移/旋转式）。结构和扫描方式基本同第一代，只是X线束为较窄的扇形，与之对应的探测器增加为10余个或20余个，呈单排或双排直线排列，每次平移后可以旋转比第一代CT较大角度，因此扫描完成一幅图像速度可以提高到数十秒甚至十余秒，如果探测器为双排排列，还可以在上述时间内同时重建出两幅图像。图像矩阵也提高到256×256或320×320，已经可以完成部分合作病人的体部检查。

（3）第三代CT（旋转/旋转式）。1976年问世，X线束呈较大扇形面排列，探测器增加到数百至上千，可以包含人体全部检查面，所以无需再进行平移扫描，仅需绕人体旋转采集即可，因此每层面扫描速度提高到1至数秒，图像矩阵采用256×256或512×512，因此无论扫描速度，还是图像质量均得到很大提高。

（4）第四代CT（旋转/固定式）。第四代CT将探测器呈环形排列固定在扫描架内，数目多达近千或数千，与第三代CT不同的是扫描时仅球管绕人体运动，与射线束相对应的部分探测器采集数据，而大部分探测器并不工作，扫描速度和图像质量与第三代CT比较并无明显变化。

2．电子束CT

电子束CT（EBCT），又称超高速CT，一般将其划为第五代CT，其实这种分代不尽合理，第二代强于第一代，第三代强于第二代，但第四代不一定强于第三代，且后来的螺旋CT其实是在第三代结构上发展起来的。就电子束CT而言，其结构与第一至四代CT均不相同，尤其采集系统，没有X线管，也就没有X线管的旋转，同样没有探测器的旋转，故称之为静止/静止式。

EBCT以电子枪代替X线管，在扫描架内设置四至八排靶环，电子枪发射电子，经偏转线圈控制偏转后击发靶环的阳极产生X线，绕人体旋转扫描，射线穿过人体后被探测器所接收，一次扫描可形成4～8幅图像。由于没有X线管和探测器的运动，因此速度是一般CT的数倍乃至数十倍，可以完成心脏、冠状动脉成像为其最大的优势，但其成本较高，扫描噪声大。而后的多层螺旋CT尤其16层、64层以上螺旋CT，基本可以取代其心血管等方面的检查，且其他方面较之更有优势，因此限制了它的进一步发展。

三、螺旋CT

1989年单层螺旋CT在东芝公司诞生，这是CT发展史上一个重要的里程碑。由于螺旋CT的X线管和探测器可以单方向不间断360°旋转，连续产生X线，并进行连续的数据采集，同时，检查床沿纵轴方向匀速移动，由于X线束绕人体圆周扫描与检查床上的人体匀速纵向移动的共同作用形成螺旋扫描方式，故称之为螺旋CT（图1-2-2）。

螺旋CT的基础是滑环技术的应用，当然包括高压发生器的小型化，X线管热容量的提高等。所以在螺旋CT诞生前，介于层面CT与螺旋CT之间曾有滑环CT的过渡，滑环CT高压发生器已小型化，可以装在扫描架内固定部位，通过滑环将高压传至X线管，或进一步小型化的高压发生器直接与X线管一同安装在扫描架旋转部分，只需通过滑环传输低压电源即可，前者为高压滑环CT，后者为低压滑环CT，它们的共同点均没有高压电缆的限制，X线管可以单方向旋转，与螺旋CT不同的是扫描时检查床不是同步连续纵向运动，故而仍为层面CT。但以往普通层面CT只是一个方向旋转采集数据，由于受高压电缆的限制必须反向旋转让电缆回位，此时并不采集数据，故而整体扫描时间难以缩短，而滑环CT由于单向旋转，虽不似螺旋CT能连续采集数据，却已无需做无效反向回位，大大缩短了检查时间。

螺旋CT的诞生，由于层面之间不再停顿可以连续扫描，大大提高了扫描速度；由于没有层面CT的反复屏气所致的位置差异，所以不会造成小的病灶被遗漏的问题；增强时可以增加对比剂利用率，一次注射对比剂后可分别完成器官不同时相的多期扫描，例如肝脏动脉期、门静脉期和平衡期的扫描等，有利于病灶的检出与定性；由于获取的是容积数据，可以任意回顾性重建，无层厚、层距束缚，大大提高了图像质量，尤其是丰富的后重建功能。

单层螺旋CT还只是螺旋CT时代的开端，1991年以色列的ELSCINT公司推出了双层螺旋CT，在层厚和图像质量不变的前提下，检查速度增加一倍，开创了多层扫描的先河。1999年，GE、Siemens、Toshiba和Marconi四家公司均推出了多层螺旋CT（MSCT），探测器呈多排排列的探测器阵列，X线不再是单纯扇形，而是锥形，即增加了Z轴方向的X线厚度，开启了多层螺旋CT的时代。相继几乎所有CT厂家均加入这一行列，除了双层、4层、6层、8层外，10层、16层、40层、64层等多层螺旋CT不断推出，2007年又有128层、256层和320层螺旋CT问世，后者探测器覆盖范围已达到16cm，临床方面应用已很完美，即使心脏、冠状动脉的检查也达到较高认可度。

但在心脏应用中、尤其是在冠状动脉的显示方面仍存在一些限制与不足，如对心律不齐，心率超过90次的患者，图像质量会受到一定影响；而对于金属支架置入后的再狭窄评估，64层螺旋CT的空间分辨率显得力不从心；加大机架的旋转速度，随之而来的巨大离心力在技术上仍然受到一定限制；增加Z轴的宽度，则锥形线束的伪影明显加大等等，尽管Toshiba公司在128层螺旋CT上一定程度上通过软件纠正此问题，但进一步的发展又当如何？2007年Siemens公司率先从探测器排数的简单叠加中脱离出来，推出了一款新概念机型——DSCT，即双源CT, DSCT使用两套X线管和两套探测器，两套采集系统呈90°排列，机架旋转90°即可获得180°数据，时间分辨率较单源CT提高了一倍，心脏扫描时单扇区时间分辨率达83ms，完全达到心脏无限制成像所需的100ms单扇区的时间分辨率，而且空间分辨率为亚毫米，扫描时间短于10s，满足了需要高质量冠状动脉CT成像的要求，拓宽了CT在心脏和血管疾病方面的临床应用范围。同时，两套X线管进行两种不同能量的X线同步扫描，检测到特定组织成分在不同能量下的X线衰减系数，再通过处理两组包含不同能量扫描信息的数据，可获得双能量图像，以兹进行组织成分的定性分析，使CT首次具备组织化学成分的鉴别能力，具有很好的临床研究价值及潜在的临床应用价值。

MSCT的另一个发展方向为4DCT，即球管围绕人体旋转一圈，得到人体某一脏器的高分辨率3D图像，连续扫描即可采集到该脏器的动态3D图像，即4D成像。4DCT突破了探测器物理宽度的限制，通过无缝往复式螺旋扫描及0.3s的超高速度，快速完成全脏器大范围的容积数据采集，在兼顾MSCT主要优点的同时，新的临床应用包括：大范围的薄层高速扫描、动态脏器的研究、血流动力学的研究、器官功能成像及关节的运动功能研究等。

在多层螺旋CT的“层”不断增加的同时，以平板探测器代替以往探测器组合的被称之为“容积CT”的新型CT，已没有探测器“排”的概念，而是直接采集扫描部位的容积数据，重建为二维、三维或其他有利于病灶显示的图像，限于设备的成本尚待投入临床应用，但显然已成为发展方向之一。