ct机 计算机断层扫描CT机简介

注:本文完成于2002年。供新朋友参考。

旁白:对比之前的发展速度，2002年以后CT的发展速度就像跑车和牛车的速度对比一样。

内容:介绍了CT的发展历史和CT重建算法的理论基础。

自从伦琴在1895年发现X射线以来，人们很快意识到X射线在医学成像中的应用前景。在X射线发现后的几十年里，X射线摄影有了很大的进步和发展，包括图像增强管、旋转阳极X射线管和移动断层成像的使用。

然而，这种传统的x光成像技术将人体的三维结构投影到二维平面上进行显示，这导致诸如图像重叠和难以阅读电影等问题。

另外，投影X线成像对软组织的分辨率较差，限制了其临床应用。

如何克服投影x光成像技术中的图像重叠问题一直是当时医学界迫切需要解决的问题。

这个问题的数学描述应该是如何从接收到的投影数据构建断层图像(而不是具有重叠结构的图像)。x光计算机断层扫描成功地解决了这个问题。

实现X-CT技术的数学基础是由投影重建图像的理论。图像重建技术在X线放射学中的应用是一项重大突破，对头、心、肺、腹部和肿瘤的诊断产生了深远的影响，因此受到了广泛的关注。

由投影重建图像的理论源于奥地利数学家J.Radon在1917年发表的一篇论文，该论文证明了2D和三维物体的图像可以由无限射线投影值来确定。

拉冬变换及其逆变换理论奠定了X-CT成像的理论基础，但由于当时的技术条件，并没有实现。

20世纪60年代，由于科学技术的巨大进步，特别是计算机科学的快速发展，图像重建问题再次引起了人们的关注，许多学者对此进行了卓有成效和创造性的研究。

图像重建理论的主要贡献者之一是英国物理学家A.M.Cormack，从20世纪50年代开始发表了一系列论文，不仅证明了医学领域从X射线投影数据重建图像的可能性，而且提出了相应的实现方法，完成了模拟实验研究。

1972年，美国百代公司中央研究院的工程师豪斯菲尔德成功研制出第一台用于颅骨诊断的电脑化X射线断层扫描装置。从此，人们真正实现了人体断层扫描。

X-CT断层成像装置的成功研究，可以说是X射线被发现后的70-80年间放射学领域最重要的突破，是20世纪科学技术的伟大成就之一。

由于霍恩菲尔德和科马克在放射医学方面的划时代贡献，1979年诺贝尔生理医学奖授予了这两位没有特殊医学资格的科学家。

与传统的投影X线摄影相比，X-CT成像具有以下突出优势[1]:

1.它可以识别组织之间的微小差异，从而提高软组织的诊断能力。据报道，放射科医生可以从CT图像中识别衰减程度仅比周围组织差0.5%的病变。

2.它可以制作人体任何部位的断层图像，并利用计算机图像处理技术构建人体结构的三维图像。

3.它可以精确测量组织对x光的衰减程度，从而判断组织的性质。

自从x光计算机断层扫描出现以来，在过去的二十年里，它发展迅速。经过几代的更新换代，CT机的性能指标有了明显的提高。

不同代CT机的主要区别在于扫描方式的改进。下面简单介绍一下各种CT扫描仪的基本工作原理和性能[1]-[3]。

第一代是单光束扫描(也叫笔式光束扫描)。它采用单个X射线管和单个探测器(如图1.2(A))，X射线管和探测器同步水平移动，统一了人体的相对转动。

这种数据采集方法有几个值得注意特点，散射引起的噪声非常小，探测器可以在每次平行扫描开始时进行校准，因此我们可以保证每次扫描中的第一条光线不穿过重建区域，光源和探测器的组合可以在一个小的步骤中移动，从而保证采集足够的投影数据。

这种数据采集方法的一个缺点是耗时长。典型的扫描每周需要几分钟左右，不适合对几秒钟内不能静止的器官(如肺)进行成像。对脑部检查起到了很好的作用。

第二代是窄角扇形束扫描方式，开启角度10-20度，配合20-30个探测器(如图1.2(B))。类似于第一代扫描方式，第二代也采用平移加旋转的扫描方式。

这种扫描方法提高了数据采集的速度，而没有失去第一种扫描方法的许多优点。

除了增加成本之外，与第一种扫描方法相比，这种扫描方法唯一明显的缺点是增加了散射的影响。这种扫描方式的扫描时间在20秒左右，目前很少使用。

第三代是广角扇形光束扫描方式，开启角度35度左右。单个X射线源面对一排足够的探测器(一般为256-1024)，X射线源和探测器做同步旋转扫描(如图1.2(C))，每次获得一组数据，扫描时间约为每周3秒。

这种扫描方法的一个潜在问题是，必须在将患者放入整个扫描系统之前进行校准，因为光源和检测器之间的光线在仪器的所有位置都穿过患者，而非常稳定的检测器似乎可以克服这一困难。

此外，探测器需要做得非常窄，以便为重建任务收集足够的投影数据。

第四代是在第三代的基础上，增加探测器数量，将探测器遍布360度圆周并固定。X射线管进行旋转扫描(如图1.2(D))，扫描时间约为2秒。是目前国外高级CT常用的扫描方法。

表1.1给出了CT的一些性能指标，以供比较。

CT机的上述四种扫描模式都不能适用于心脏等快速运动器官的精确成像，这不仅是投影数据采集速度慢(心脏在一秒钟左右经历一个完整的运动周期)，而且如果在不同的时间采集每个切片的投影数据，很难获得一个个连续的图像。

近年来，为了进一步提高扫描速度，一些快速扫描设备相继诞生。螺旋超高速CT能以高分辨率检查缓慢运动的组织，并能提供人体组织的三维图像。目前X-CT的成像厚度可以小到lmm，横截面上的图像分辨率已经做得小于lmm。

x光计算机断层扫描的核心技术是从投影重建图像的理论。事实上，在x光计算机断层扫描的发展过程中，大量的研究工作是开发高速有效的图像重建算法。自20世纪60年代以来，人们提出了许多重建图像的方法，其中常见的有反投影重建算法、傅里叶重建算法、代数重建算法以及近年来刚刚兴起的小波算法。

从理论上讲，X-CT技术是一种由投影重建图像的理论，具有其普遍性，在数学上引起了广泛的关注。层析成像作为一种技术，以坚实的数学理论为基础，以现代计算机技术为支撑，将广泛应用于其他领域。

事实上，在工业、地球物理研究，甚至在农业、林业和环境保护方面，都取得了显著的成就，展现了光明的前景。

可以肯定的是，随着X-CT理论和计算机技术的发展，CT将为人类健康和国家经济建设做出越来越多的贡献。