CT技术的发展与其在医学上的应用

2014-03-06孔祥云李尹岑

影像技术 2014年3期

孔祥云，李尹岑

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京 100190）

1 前言

自20世纪70年代第一代CT设备问世以来，计算机断层成像（Computed Tomography）技术一直持续迅猛发展，医用CT设备是目前临床上使用最多的检测设备之一，在医学领域的多个方面都具有广泛应用。随着CT技术的发展，为了保护其自身的经济权益，世界各国的公司都在专利CT领域中进行不断地竞争，积极建立自己的专利保护网，使得CT领域的专利申请量与日俱增。为了更好的对CT领域的专利申请进行审查，最基本的要求就是必须充分掌握该领域的现有技术，为此，本文对CT技术的原理、发展过程以及其在医学上的相关应用进行了介绍。

2 CT技术简介

2.1 CT技术原理

计算机断层成像（Computed Tomography），简称CT，是利用被测物体对某种物理量（一般是X射线光强）的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对被测物体进行测量，获取投影数据，然后运用一定的数学方法，通过计算机重建该被测物体特定层面上的二维图像以及根据一系列的该二维图像重建三维投影的技术［1］，其依据的原理是1917年数学家Radon证明的理论——当已知所有入射角一的投影函数一二三时，可以恢复唯一的图像函数一二三。CT的特点是操作简便，对病人来说无痛苦，其密度、分辨率高，可以观察到人体内非常小的病变，直接显示X线平片无法显示的器官和病变，它在发现病变、确定病变的相对空间位置、大小、数目方面非常敏感而可靠。

2.2 CT技术发展简介

1972年英国工程师Godfrey Hounsfield和美国物理学家Allan M.Comack将计算机技术和X线技术结合发明了计算机断层成像技术，被誉为“CT之父”。两年以后推出了第一台商业化计算机断层扫描系统-CT设备。它向医生展示了颅脑的横断面图像，提供了对诊断肿瘤、出血和梗塞很有价值的信息，这就是早期的“头颅CT”［2］。其后，CT技术的发展主线主要是扫描部位的变化、扫描方式的改进和扫描速度的提高、以及探测器排数的变化。具体而言，CT设备的发展大体上可以分为以下几代。

第一代CT设备扫描和收集信息的方式主要是进行旋转和平移。具体原理是：探测器和相对应的X线管两者同时进行水平移动；接着绕着患者旋转一度，进行扫描；直至旋转180°收集到全部的数据。

第二代CT设备将原来的X线束变成了扇形，同时增加到30个探测器。这样做进一步增加了扫描范围，进而能够采集更多的数据。第二代CT设备比第一代CT设备先进，主要体现在每一次能够旋转的角度是23°。这样缩短了扫描的时间，但是仍然没有完全消除在扫描的过程中，扫描患者的运动产生的伪影。

第三代CT设备的特点是增加了探测器的数量，增加到了300到800个；同时这些探测器和相对应的X线管只做旋转运动。这样设计的好处是能够收集到更多的数据，大大减少了伪影的产生，使图像的质量得到明显提升。

第四代CT设备在第三代CT设备的基础上，进一步增加了探测器的数量，多达1000至2400个。第四代CT设备只有X线管绕着患者旋转。

第五代CT特点是扫描时间缩短到50ms，因而解决了心脏扫描的问题。其中主要结构是一个电子枪，所产生的电子束射向一个环形钨靶，环形排列的探测器收集信息［3］。

2.3 CT设备简介

CT设备主要由三大部分组成，即扫描部分、计算机系统以及图像显示和存储系统。其中扫描部分由X射线源、探测器和扫描架构成，计算机系统用于储存和计算扫描部分得到的扫描信息数据，而图像显示和存储系统则是将计算机处理得到的重建图像在显示屏上显示。

3 CT技术在医学中的应用

3.1 CT心脏成像

CT技术在医学检测中应用广泛，但轴向扫描CT无法完成对运动器官的扫描成像，而多层螺旋CT则完善了这一不足。多层CT通过所谓扇形、斑状扫描，通过多列探测器共同采集同一层面的数据，完成重建，使得图像的时间分辨率缩短，可到百余毫秒甚至几十毫秒。最新的64层螺旋CT，每幅图像分辨率时间只需0.25-0.4s，完成全心脏扫描只需5s即可，同时能够看清软、硬斑块及支架，而且其对于心脏冠状动脉成像的准确率接近100%。

3.2 CT血管成像

多层螺旋CT在医学中的血管检测领域具有重要应用。它可完成大范围的血管扫描，能完成从颅内到颈部、从心脏主动脉弓到下肢的大范围的血管图像重建，可用于了解扫描部分血管是否存在血管畸形、狭窄和侧支循环的现象，甚至可以用于判断肿瘤或者炎变等是否存在对血管的侵蚀和推移的不良情况。另外，由于多层螺旋CT的扫描速度快和时间分辨率高，其应用在血管成像中，使得操作简单、安全、快速而且无创伤，成为目前无创伤性血管成像的又一主要技术，而且它还可以部分或基本取代传统的血管造影技术。

CT血管造影三维重建中采用的血管造影智能跟踪技术，是通过向血管中注入造影剂，造影剂随着血液循环到达器官（如脑、肾脏和肝脏），当到达检测器官区域的造影剂与设定的阈值相等时，启动扫描机制，从而得到最佳动脉期图像、最佳静脉期图像和平衡时的图像。通过这种技术手段可完成对动脉瘤、动静脉畸形、脑血管狭窄等多种脑血管患者的血管造影检查，再通过计算机适当处理，得到清晰准确的三维脑血管重建图像，用于病变情况分析诊断。CT血管造影三维重建技术能够全方位显示血管图像，同时具有微创、准确、价格低廉的特点，可用于手术计划定制、术前定位和随访，在脑血管手术中发挥着重要的作用［4］。

3.3 CT中枢神经系统疾病的诊断

CT技术在诊断中枢神经系统的疾病方面，也具有较高的应用价值。对颅内肿瘤、脓肿和肉芽肿、寄生虫病、外伤性血肿与脑损伤、脑梗塞与脑出血以及椎管内肿瘤与椎间盘脱出等一系列病诊断效果好，且结果可靠。因此，除颅内动脉瘤、脑血管造影、血管发育异常和脑血管闭塞等疾病，以及了解脑瘤的供血动脉情况时还用脑的X线造影诊断以外，其他如气脑、脑室造影等均已很少使用。而螺旋CT扫描，既可以做到三维实时显示，而且可以获得比较精细和清晰的血管重建图像（即CTA），是很有希望取代常规的脑血管造影的一项技术。

3.4 CT胸部疾病诊断

CT技术在诊断胸部疾病方面也有着非常重要的应用。现代的CT设备分辨率越来越高，因此在胸部疾病诊断方面越来越显示出其优越性。通常采用造影增强扫描以明确纵隔和肺门有无肿块或淋巴结增大、支气管有无狭窄或阻塞，对原发和转移性纵隔肿瘤、淋巴结结核、中心型肺癌等的诊断，都有很大的帮助。同时CT技术也能够很好地显示肺内间质和实质性的病变。CT技术还能够清晰地显示膈、胸膜、胸壁的病变。