三峡医学影像

所有资料均来源于网络和书本,仅限个人学习、研究之用,不得用于任何营利目的。如违反上述规定,使用者要承担由此产生的一切法律责任。
重庆三峡中心医院放射科
重庆市万州区新城路165号 404000
新浪微博:@医学影像诊断学
微信公众号:xctmri999
QQ群:三峡医学影像 17876674

CT医学应用的发展与进展 授课老师:王田力 单位:北京大学第三医院

北京大学第三医院放射科 王田力

写在课前的话

CT可以对病变直接器官定位,可直接观察病变形态、密度及与周围脏器的关系,直接判定或采用人工增强对比方法,对病变性质做出诊断。通过本课件的学习,学员将掌握CT的发展过程与最新进展。

 

 

CT是人类自然科学发展史上的重大发明,应用于人类健康的事业,在计算机辅助下,应用X射线对人体断层扫描,对人体解剖结构及病变直观显示,改变了人类医学对疾病主要依据外观、听觉、触觉等经验性感知疾病的历史。CT是继 X线以来人类医学发展史上又一里程碑。因此,CT的发明者Hounsfield于1979获得诺贝尔医学和生理学奖。

 

 

一、CT的发展简史

1969年Hounsfield首次设计成功了一种可用于临床的断层摄影装置。 1971年第一台CT装置安装在伦敦Atkinson-Morley医院。1974年美国的科学家Ledley(莱氏)研究成功全身CT。1983年Douglans boyd研究的电子束CT(EBCT)应用于临床。1989年研制成了滑环技术,到90年代,螺旋CT(spiral CT, SCT)研制成功。1998年,又研制成功多层CT(MSCT)。自20世纪70年代初CT机问世以来,根据其发展的时序和构造性能,大致可分成五代,现将各代CT机的主要特点叙述如下:

(一) 第一代CT扫描机

第一代CT机为旋转-平移扫描方式属头颅专用机。X射线管是油冷固定阳极,扫描X射线束为笔形束,探测器一般是2-3个。扫描时X射线管和探测器环绕患者作旋转和同步直线平移运动,X射线管每次旋转1°,同时沿旋转反方向作直线运动扫描。下一次扫描,再旋转1°并重复前述扫描动作,直至完成180°以内的180个平行投影值。这种CT机结构的缺点是扫描时间长,一个断面需3~5分钟。

(二)第二代CT扫描机

第二代CT机仍为旋转-平移扫描方式,扫描X射线束由笔形改为5°~20°的小扇形束,探测器增加到3~30个,平移扫描后的旋转角度由1°提高到扇形射线束夹角的度数,扫描的时间缩短到20~90秒。第二代CT与第一代CT机相比缩小了探测器的孔径、加大了矩阵和提高了采样的精确性,使图像质量有了明显的改善。这种扫描方式的主要缺点是:由于探测器排列成直线,对于扇形的射线束而言,其中心和边缘部分的测量值不相等,需要作扫描后的校正,以避免伪影的出现,否则影响图像的质量。

(三)第三代CT扫描机

第三代CT机改变了扫描方式,为旋转/旋转方式。X射线束是30°~45°较宽的扇形束,探测器数目增加到300~800个,扫描时间进一步缩短到2~9秒或更短。这种方式的探测器或探测器阵列排列成彼此无空隙的弧形,数据的采集以X线管为焦点,随着X线管的旋转得到不同方位的投影,

这种排列使扇形束的中心和边缘与探测器的距离相等,无需作距离测量差异的校正。这种扫描方式的缺点是:扫描时需要对每一个相邻探测器的灵敏度差异进行校正。否则由于同步旋转的扫描运动会产生环形伪影。

(四)第四代CT扫描机

第四代CT机的扫描方式只有球管的旋转。X射线束的扇形角比第三代CT扫描机更大,达50°~90°。因此,减少了X线球管的负载,使扫描速度可达1~5秒。此类的CT机具有更多的探测器,可达600~1500个,全部分布在360°的圆周上。扫描时,没有探测器运动,只有球管围绕患者作360°的旋转。第四代扫描方式与第三代CT机扫描的不同是,对于每一个探测器来说所得的投影值,相当于以该探测器为焦点,由X射线管旋转扫描一个扇形面而获得,故此种扫描方式也被称为反扇束扫描。

(五)第代CT扫描机

第五代CT扫描机又称电子束CT,它的结构明显不同于前几代CT机。它由一个电子束X射线管、一组由864个固定探测器阵列和一个采样、整理、数据显示的计算机系统构成。最大的差别是X射线发射部分,它有一个电子枪、偏转线圈和处于真空中的半圆形钨靶。扫描时,电子束沿X射线管轴向加速,电磁线圈将电子束聚焦,并利用磁场使电子束瞬时偏转,分别轰击四个钨靶。扫描时间为30ms、50ms和100ms。由于探测器是排成两排216°的环形,一次扫描可得两层图像。且由于一次扫描分别轰击四个靶面,故总计一次扫描可得八个层面。

1969-1978年,主要是实验室研发及头部成像阶段;1979-1988年,是非螺旋CT及体部成像阶段;1989-1998年,是螺旋CT及血管成像阶段;1999-2008年,多排螺旋CT及CT成像阶段;2009年到现在,是功能CT及能谱成像阶段。64排CT是多排CT发展的里程碑,后多排CT的发展功能检查、组织结构成分的分离技术即能谱成像。

二、CT成像探测器的发展—核心技术

第一代探测器是气体探测器;第二代探测器是晶体探测器;第三代探测器是固态陶瓷探测器;第四代探测器是宝石探测器。Gemstone是目前最快的探测器,宝石探测器的余晖效应时间非常短,只有0.030us,而传统探测器的余晖效应时间为3.0us。宝石CT是能谱成像,全身高清、低剂量成像的基础。

(一)CT扫描机的进展

CT扫描机X射线束的变化:随着CT扫描机探测器的增宽,X线线束的变化由最初的笔形束(1971年)到窄扇束(1972年),再到宽扇束(1976年),再到现在的双扇束(2005年的西门子公司研制的双源CT)。
探测器排列方式:由最初的2-3个探测器到1978年的环形排列,到2005年双源CT产生,又出现了双组探测器。球管的发展:容量增大,出现0兆球管,单灯丝变焦球管等。扫描方式:从最初的单层序列轴扫,发展到螺旋扫描,而后又出现了电子束CT,然后又出现了螺旋CT和点射扫描,现在又出现了双源扫描。
探测器:探测器的排列从最早的单排排列到双排排列,以后发展到16排排列、64排排列,到现在已经有128排和256排的排列,单圈扫描层数也已经达到640层。单圈扫描时间:由最初的3-5分钟,到现在单圈扫描时间已经减少到0.27秒;双源CT单扇区的扫描时间可以达到0.078秒。CT检查功能:从轴位平扫到增强扫描,图像重组技术,到特殊检查软件技术引擎(打包化),功能成像及CT能谱分离,CT的功能越来越现代,越来越尖端。

关于StratonTM 球管,以下说法错误的是()

正确答案:A

解析:StratonTM球管,又称0兆球管,可以连续的扫描,散热速度非常快,间期非常短,因而扫描病人不用间断;无扫描病人的限制,病人可以连续进行扫描,因而对于球管的消耗也不用再去考虑。故说法错误的是A.

(二)StratonTM 球管

StratonTM球管也叫0兆球管,这种球管的体积和重量是传统球管的1/4,以业内最小的球管设计实现最大的阳极散热率,阳极散热率是传统球管的4倍。这种0兆的电子束控球管的好处有:无扫描病人的限制,病人可以连续进行扫描;不再顾虑球管消耗;常规大范围,薄层扫描;带来前所未有的诊断可信度。

目前,StratonTM球管主要用于西门子公司生产的SOMATOM Definition Flash CT机上。以下是SOMATOM Definition Flash CT的介绍:核心技术就是超快速扫描及低剂量辐射剂量,为患者提供更健康的CT检查。全胸扫描时间<1(0.6)秒,故无须屏气可完成扫描。动态扫描覆盖范围达 48cm 。单扇区扫描时间75ms及高达 43cm /s,心脏扫描剂量<1msV。这种机器能够对敏感部位进行屏蔽保护,而且它还有一个非对称屏蔽采集技术,使无效射线完全被屏蔽掉。

 

GE公司的Discovery CT750 HDCT:它使用的探测器是宝石探测器,光电转化率更高,余晖效应时间更短;另外它用的是动态变焦球管,可以进行双能成像、功能性成像。另外,0.5ms双能切换变压器可以使它的能量变焦,如从80千伏经过0.5秒一下跳到140千伏。它的密度分辨率非常高,另外它的数据采集系统包括重建方法都发生了新的变化,这些变化可减少伪影,降低噪声,增加了图像的清晰度,可以达到高保真、高清晰度的图像。

 

宝石CT的基本特点:使用宝石作为探测器材料;全新动态变焦球管;瞬间变能高压发生器;新的数据采集系统和全新重建方法;宝石CT使用能谱分析物质组成成分,使CT成像进入分子成像新领域,同时,将CT成像带入高清和绿色CT成像的时代。

(三)CT走向分子影像时代

人体组织中不同化学成分都具有特有的能谱衰减系数,利用这种特性,可以对组织进行解剖学、病理学的观察。宝石CT能够实现101个单能谱成像,为分离组织和消除伪影开拓了广阔空间,现在能实现水、碘、钙物质分离及组织定性及定量分析,能发现常规CT不能发现的早期病灶。

CT扫描方式的变化:最早的扫描方式为单层序列扫描,扫一层把病人往前移动一定范围,再扫一层再获得一层的数据。到1991年以后,滑环技术的应用,出现了螺旋CT扫描,病人闭气的同时,床沿着一定的方向连续的行进,在短时间内,获得病人的一个检查范围内的一个数据,然后在后台对这些数据重新进行拆分、成像。2005年出现了双源CT,大大加快了就增快了扫描速度,如果这两组的球管同时发出射线,对人体进行检查时,时间分辨率可以达到0.078秒。

CT扫描单层成像时间比较:70年代完成一层图像扫描大概需要5分钟的时间,到2003年,出现了双源CT扫描,它的时间分辨0.083秒,旋转一周可以获得64层图像,与早期单层图像成像时间比较,大概加快了23万多倍。

 

三、CT三十年的发展与最新进展

从1970年到1990年,CT扫描部位从头部延伸到体部,这个时期主要是横断层CT扫描阶段。从1991年开始有了螺旋CT,扫描速度越来越快,所以90年代是螺旋CT扫描阶段。

1998年有了多层螺旋CT,多层螺旋CT的存在使CT的扫描方式发生了一个质的变化,我们管它叫第一次革命阶段。而后到了2005年,又有了双源CT,双源CT的临床应用,大大改变了CT扫描过程中的功能成像,时间分辨率进一步提高。

随着现代CT的发展,时间分辨率、组织的分辨率、密度分辨率等明显提高。图像能够显示病变的基础上,尽可能降低X射线的辐射剂量,也就是绿色CT的产生,使综合扫描剂量大幅度的下降。现代CT可以不依赖于心率进行无条件心脏成像。现代CT革命性的双能量成像及CT能谱成像拓展全新的成像视野。

东芝公司在320排CT基础上,研发成功640层容积CT,单次扫描获得640层图像,单圈扫描实现单一脏器或器官全覆盖,实现全脑、全肝或全心脏灌注成像。飞利浦公司研制成功256层/128排探测器,可以达到0.27秒的单圈扫描时间。西门子公司也推出256层/128排探测器,单圈扫描时间也可达到0.27秒。GE公司推出宝石CT,增加可数据采集速度,提高了分辨率,实现了换能变焦双能成像。

 从长远来看,CT的图像、时间、分辨率究竟能够发展到什么样的程度呢?由于物理机械学方面的一些因素,注定其不可能无限制拓展。但随着软件技术的进步,功能性成像、各种成份分离技术的提高,以及伪影、噪声干扰的进一步抑制与消除,我们必将会得到更有诊断价值的图像。

评论