1895年11月8日德国科学家伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen)发现了X线,而使用X线的CT设备并不是紧随着X线的发现而出现的。1969年,Intel公司的工程师在Ted Hoff的带领下研发出了集成电路,使计算机的体积缩小,并大幅提升了计算机的运算速度。得益于计算机的发展,英国工程师Godfrey Newbold Hounsfield在EMI公司的中心实验室研发了第一台CT试验机 ^[1];这台试验机扫描非常慢,扫描需要9天;在获得28 000多投影数据后,需要2个半小时才能重建一幅像素为80×80DPI的图像。哈佛大学的物理学家Allan Macleod Cormack在CT的重建算法方面取得突破,在1973年发表了相关研究结果 ^[2]。这两人因为对CT的贡献而共同分享了1979年的诺贝尔生理学或医学奖。

头部CT最早应用于临床,它让医生第一次不用借助开颅手术就能获得颅脑中的解剖学信息。随着CT扫描孔径的增大,可以容纳患者的主躯干;在CT增加了可以移动的扫描床之后,诞生了序列扫描CT。通过球管和探测器在患者横轴位上旋转360°,序列扫描CT可产生全身任一位置的横断面图像。每次扫描之后,扫描床将患者沿Z轴方向移动到新的位置,再进行扫描。由于机架旋转速度很慢,扫描时若患者的身体产生了运动,不同角度的投影数据就不再匹配,所以序列扫描的图像质量很大程度上受到患者运动的影响。此时的序列扫描CT只能用于人体相对静止的部位,而不能扫描运动的部位,比如肺和心脏。在同一时期,已尝试使用氙气和碘作为CT扫描的对比剂 ^[3],尤其是碘对比剂的使用大大拓宽了CT的临床应用范围。

进入20世纪80年代,由于X线球管需要电缆供应大量的电能,技术的限制无法使机架实现连续旋转;此时的CT机架需要向一个方向旋转360°后停止,然后向反方向旋转。这使得机架的旋转速度始终无法突破2秒/圈。此后出现了两种技术来解决这个问题:第一种是使用滑环(slip ring)技术的连续旋转CT,其代表产品有1987年推出的西门子公司SOMATOM PLUS和东芝公司TCT900S ^[4];它们的旋转速度已经能达到1秒/圈。第二种是电子束CT,这种CT没有机械旋转的部件,而是在机架上装配了固定的阳极部件和探测器;电子束通过磁力的调节轰击不同位置的阳极部件,可实现50 ms内完成216°的扫描。电子束CT的设计复杂,应用中欠稳定,图像质量一直难以提升,最终滑环技术成为主流并延续发展。

1990年以滑环技术为基础的螺旋CT问世 ^[5]。1992年的北美放射学年会上,各大主流的CT制造厂商都推出了使用滑环技术的螺旋扫描CT。螺旋扫描技术能够使扫描床以固定的速度沿Z轴方向移动,CT球管围绕患者旋转从而绘画出一条螺旋轨迹,该技术因此而得名。这样,CT图像像素的信息也从二维(pixel)上升到了三维(voxel)。螺旋CT扫描的出现使对肺等运动器官的精准扫描成为可能。

1992年出现了双层螺旋CT;在1998年,出现了旋转速度为0.5秒的4层螺旋CT,这是CT发展史上的重要事件。4层螺旋CT的问世极大地促进了CT血管成像的临床应用。与单层CT相比,4层CT仅需八分之一的时间就可完成同等距离的扫描。多排探测器技术的应用使得扫描的效率得到了提升;由于一次可以获得多层的数据,扫描时间可以显著缩短。随后,多排探测器的排列也发生了革新:探测器元件的尺寸在靠近探测器Z轴中心的位置时较小,而在靠近探测器Z轴两边的位置时较大。这样的准直设计以及相应的电子线路设计使得螺旋扫描的参数设定和层厚设定变得灵活,同时无用的扫描区域也大为减少。多层探测器CT使得3D容积扫描、CT血管成像和CT灌注成像等多种应用成为可能,开启了CT新的临床应用。

此后,不断增加探测器排数和提高机架旋转速度成为CT设备发展的主流趋势,2002年16层CT问世,2004年64排(层)CT问世。此时,CT可以采集常规的各向同性体素,实现了完美的容积数据采集,获得高质量的三维数据。同时,机架的旋转速度也缩短到小于0.5秒/圈。这样,临床CT扫描的最大难题——心脏扫描,也在一定程度上得到了解决。但在64排(层)CT阶段,冠状动脉CT成像的质量很容易受到患者心率和心律变化的影响,需要服用酒石酸美托洛尔(倍他乐克)等药物减慢心率以减少CT图像的运动伪影。

2006年西门子公司推出了双源CT,这是CT发展史上的一次重大突破。不同于之前的单源CT系统,双源CT拥有两套球管-探测器系统,并在一个平面内相互呈约90°排列。为了完成足够的数据采集,单源CT系统的机架需要至少旋转180°,这样单源CT系统的时间分辨率为机架旋转速度的一半,即如果机架转速为0.5秒/圈,则时间分辨率为0.25秒;而双源CT系统由于有2套球管,那么机架只需要旋转90°就能采集到足够的数据,这样双源CT系统可以在不增加机架旋转速度的前提下,提高时间分辨率。第一代双源CT系统的机架转速为0.33秒/圈,则时间分辨率约为83 ms。而目前第二代双源CT的时间分辨率已达到 75 ms。 2014年第三代双源CT问世,该设备配备2个120 kW的X线球管,产生的最大管电流可达1300 mA,使得70 kV的冠状动脉成像成为可能 ^[6]。

2009年宝石能谱CT进入临床应用,实现了快速管电压切换为技术基础的双能量CT采集和分析。

2010年16 cm的宽探测器320层CT进入临床应用,能在不移动扫描床的情况下实现单个心跳的心脏数据采集。

大量文献证实,目前高端CT系统可以解决诸如高心率、心律不齐(包括房颤)等各种特殊情况下的心脏扫描问题 ^[7,8]。

为了描述方便,我们以双源双能量CT的问世为界,将双能量CT的研发和应用分为早期阶段和发展成熟阶段。

双能量CT不是一个新的技术概念。在CT问世不久,就有研究者通过高低管电压两次序列扫描对骨质中的钙进行分离和量化,实现了双能量CT测量骨密度 ^[9]。20世纪80年代,有研究者在单源CT上通过不断快速切换管电压的方式获得双能量CT数据,生成能谱图和能谱曲线 ^[10],能谱技术因此而得名。但由于扫描速度很慢,后处理软件很难将高低管电压的数据配准,导致扫描结果容易受到扫描物体运动的影响。所以在很长的一段时间里,双能量CT技术一直局限在实验室的科研测试阶段,在当时未能获得广泛应用。早期阶段双能量CT技术的探索虽然因为固有的技术限制沉寂了很长时间,但探索并未停止。

2006年,西门子公司推出了双源双能量CT技术,将双能量CT技术真正推广应用到临床,代表双能量CT技术进入初步成熟阶段。这种技术通过两套独立的球管和探测器系统,调制管电流,同时获得双能量CT数据。2010年推出的第二代双源CT部分解决了第一代双源CT的视野缺失等问题,另外,在140 kV球管蝶形滤线器的远端增加了锡滤线板,即所谓的选择性能谱纯化技术可以加大高低能量的差异,减少能谱重叠,可以提升对物质的鉴别能力和量化精度。

2007年Johnson等 ^[11]在国际上首次报道了双源双能量CT的临床应用成果,发表在《欧洲放射学》上。2007年12月Scheffel等 ^[12]报道了双源双能量CT检测尿路结石的价值。2008年后国际上双能量CT临床应用的文献逐渐增多,其中不乏来自我国学者的研究成果,如山东省医学影像学研究所孙丛等 ^[13]在《Surgical and Radiologic Anatomy》上发表了膝关节韧带的双能量CT研究结果。2009年7月张龙江等 ^[14]在《Radiology》上发表了双能量CT肺灌注成像动物实验的研究成果。

2006年国内北京协和医院、山东省医学影像学研究所和南京军区南京总医院先后引进了双源CT。2008年国内开始出现了双能量CT临床应用的文献报道,如2008年9月中国医科大学牛忠锋等 ^[15]和山东省医学影像学研究所马睿等 ^[16]分别报道了颅脑血管和体部血管双能量CT的临床应用;2008年11月南京军区南京总医院的张龙江等 ^[17]在《中华放射学杂志》报道了双能量CT肺灌注成像的初步临床研究结果。国内《中华放射学杂志》《放射学实践》等杂志曾组织重点号推广双源双能量CT的临床应用。之后利用第一代和第二代双源CT进行的双能量CT研究无论是国内还是国际范围内均取得了丰硕成果 ^[18-20]。

2009年GE公司推出了宝石能谱CT(Discovery CT750 HD),采用含有石榴石的材料作为探测器的闪烁晶体,利用单一球管实现高低管电压(80 kV和140 kV)快速(<0.5 ms)切换,产生双能量数据,实现数据空间能谱解析,同时提供物质密度图像、单能量图像,实现物质分离。

2010年陆续有基于能谱CT临床应用的文献和综述发表 ^[21,22,23]。2010年上海交通大学医学院附属瑞金医院林晓珠等 ^[23]即在国内报道了能谱CT在3例肿瘤患者的初步研究结果。国内吕培杰等2011年在《Radiology》上报道了能谱CT在肝脏肿瘤的临床应用价值 ^[24]。《中华放射学杂志》《放射学实践》等杂志曾组织了重点号报道了能谱CT的临床应用。之后,国内外学者发表大量能谱CT临床研究的文献 ^[25-28]。

2014年,西门子公司推出了单源序列双能量CT扫描技术(DNA单源能谱CT),该技术通过两次扫描获得物质在不同管电压下的数据。目前这种技术已经用于临床研究,能够进行虚拟单能谱成像、金属伪影去除、脑出血定性、肿瘤性质判定、物质分离量化等;但由于这种双能量CT技术两次扫描的间隔较长,对CT血管成像等应用有较大限制。

目前,双能量CT技术处在不断的发展中。按照现有的应用经验来看,未来双能量技术的发展应该有两大方向:一是在球管输出端纯化能谱,使得双能量扫描时高低能量之间的能谱范围重叠尽量小。二是使用新型的探测器材料,从探测器方面提升对不同能量的X线光子的区分。一些大的医疗器械公司还在致力于开发其他的双能量CT技术,但尚无商用机型问世。

2009年,能量敏感的光子计数CT获得了双能量CT的临床图像,该技术使用全新材料的闪烁晶体(如CdZnTe);这类材料在理论上可以一次区分多种能量的X线光子,从而在一次扫描中获得双能量甚至多能量数据。目前该技术还未商用。

飞利浦公司开发了单源双层探测器技术的双能量CT,这种技术使用含有两层闪烁晶体的探测器,在普通单电压扫描时获得双能量数据。目前该技术已在IQon CT上获得了实现。

西门子公司还开发了单源同步双光束(TwinBeam)技术,这种技术通过特殊的球管设计,从一个球管同时发出两束能量不同的X线,从而同时获得物质的双能量CT数据。目前该技术已在Definition Edge上获得了实现。

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