第1章　CT技术的历史与发展

一、CT技术的历史

1895年11月8日傍晚，伦琴在维尔茨堡大学物理研究所大楼进行阴极射线实验时，无意间发现2米外一个工作台上的荧光屏在闪烁。这一奇怪的现象立刻吸引了他的注意，因为他知道电子束是不可能穿越几厘米的空气，更不可能使2米外的荧光屏发光。伦琴很快意识到这是一种与红外线、可见光以及当时已知的紫外线完全不同的射线，他给这种新发现的射线取了一个充满神秘色彩的名字——X射线。伦琴发现X射线能够穿透一般光线无法透过的物质，并使照相底片感光。随后人们认识到X射线在科学技术和医学界中具有无法估量的潜力，伦琴也因此获得了1901年颁发的第一届诺贝尔物理学奖。X射线很快就被广泛地应用于医学研究，如今基于X射线的科学仪器已成为生物学、医学、计量检测等领域必不可少的工具。

传统的X线平片成像方法是将三维的人体沿X线入射方向投影为二维的图像，体内的组织结构会重叠在一起。这种成像方式虽然有极好的空间分辨力，但是密度分辨力较低。传统X线成像方式的这两个局限性，也促成了X线断层成像（tomography）技术的出现。1917年，澳大利亚数学家Radon证明从无限多个投影数据可以重建出原来的物体，随后经其他科学家的努力，Radon重建理论应用于CT图像重建的一系列问题逐渐得到解决。但在当时，这些图像重建技术还不能得到计算机技术的帮助，精度不是很高。

1967年，英国EMI中心实验室的研究员Godfrey Hounsfield博士（图1-1）成功研制出一台能提高X线利用效率的扫描装置，这就是现代CT的雏形，最初需要9天时间才能完成数据采集，求解28 000个方程需要一台计算机计算2.5小时才能产生一幅图像。进一步改进了数据采集和重建技术后，第一台基于断层成像的临床CT扫描机于1971年9月安装在Atkinson-Morley医院，4.5分钟即可生成图像。1972年4月，Hounsfield博士在英国放射学年会上首次公布这一结果，正式宣告了CT的诞生。这一消息马上引起科技界与医学影像界的极大震动，CT的研制成功被誉为自伦琴发现X线后放射诊断学上的最重要成就。10年后的1979年，Hounsfield和奠定CT重建方法理论基础的美国物理学家Cormack一起获得了诺贝尔医学奖，这也是医学设备发明人第一次获得诺贝尔医学奖。

最初的CT设备只能用于头部扫描。第一台体部CT机是Robert Ledley设计的ACTA（automatic computerized transverse axial）扫描仪，这台扫描仪的检测器上有30个光电倍增管，仅需9次平移/旋转就可以完成一次扫描。在螺旋CT诞生之前，根据层面采集CT发展和结构特点，可以大致分为四代（图1-2，表1-1）：①第一代（平移/旋转方式）：1970年Hounsfield设计的原型机，X线采用线形束，单一检测器，每1°再次扫描，旋转180°，一个层面耗时太久，未用于临床；②第二代（平移/旋转方式）：1972年，X线采用窄扇形束，多个检测器（16～30个），采集一个层面信息要耗时数分钟，可临床实用的最早设计；③第三代（旋转/旋转方式）：1976年，X线采用宽扇形线束，数百（500～800）个检测器，旋转远小于180°，采集一个层面信息仅耗时数秒；④第四代（固定/旋转方式）：1978年，与第三代CT机采用不同的设计思路，采集一个层面信息耗时数秒。其中第三代CT的设计已成为现代CT所采用的方式，此后的螺旋CT和多层螺旋CT也采用这种设计方案。

1989年，科学家们在旋转/旋转式扫描技术基础上，通过采用滑环技术和连续进床的理念，开发出螺旋CT。滑环技术使球管和检测器沿一个方向旋转，在连续进床过程中，扫描轨迹呈螺旋状，因此称螺旋CT（helical/spiral CT）。螺旋CT技术在CT发展史上是一个重要的里程碑，它极大地提高了扫描速度和临床应用范围，也奠定了CT发展的方向。螺旋CT扫描的关键技术是球管旋转的滑环技术。滑环技术出现前，由于连接球管的高压电缆线因易缠绕而不可能一直旋转，CT扫描过程中球管每旋转一周，在等待检查床推进到下一个层面位置时，球管需要回复到原来位置，这样层面采集CT是以扫描一层、停顿数秒的间断方式进行。螺旋CT通过滑环技术，实现了球管连续旋转和检查床连续推进的扫描过程，连续一次检查的全部扫描，扫描时间明显缩短。同时采用的容积采集和重建技术，为以后的后处理技术的发展也打下了基础。

螺旋CT出现之后，检测器排数进入一个快速发展的时代，1998年北美放射学年会上推出的4层螺旋CT宣告多层螺旋CT时代的到来。多层螺旋CT采用锥形X线束，通过在Z轴方向的多排检测器同时采集多个层面的CT图像，这样提高Z轴方向的采集效率，把螺旋CT设备的性能和功能提高到一个新的档次。随后，于2001年出现了16排螺旋CT；2004年出现了64排螺旋CT，64排螺旋CT的问世使冠脉CT检查能成为临床常规。

CT进入到后64排时代之后的发展，虽然不同厂商给出了不同的设计方向，但技术发展主要体现在两个方面：一方面是更快的扫描速度，体现在时间分辨力的不断提升和覆盖范围的增宽；另一方面体现在密度分辨力的提高，主要是以能谱成像为代表的双能量技术，更充分地确定病灶的性质。其中GE和TOSHIBA公司采用16cm的宽体探测器设计，在追求扫描速度和大范围覆盖的同时，采用单管球不同电压切换方式进行能量成像；SIEMENS公司采用双球管设计，不同电压的双管球进行能量成像，而采用大螺距方式来提高扫描速度和达到大范围覆盖；而PHILIPS公司则推出双层检测器设计，通过层叠排放的双层检测器来进行能量成像。

自CT出现距今的40多年中，CT技术发展迅速，从最初的头部专用机到全身CT设备，从层面采集方式到螺旋CT和多层螺旋CT；同时随着多层螺旋CT设备能力的进一步提高，它的临床应用也不断拓展，从最初的横断面为主的结构成像发展到不同显示方式的血管成像、心脏冠脉成像、多参数的灌注成像和能量成像；而对于增强检查，从单一部位或器官的检查，近两年由于设备扫描速度的提高，临床上越来越常见一次注射对比剂进行多个部位或者同一部位不同内容的检查，例如胸痛三联检查、全器官灌注和大范围血管成像，影像信息得到了极大的丰富，为病情全面评价提供更多信息和参考。