§6.2 计算机体层成像（CT）
计算机体层成像（CT）又称X线计算机体层成像（X-CT），是1971年开始应用于临床的一种现代医学成像技术。CT不同于普通X线成像，它是用X线束对人体进行层面扫描，取得信息，经计算机处理而获得的重建图像。CT所显示的断层解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像，从而显著扩大了人体的检查范围，提高了病变检出率和诊断的准确率，极大促进了医学影像学的发展，并为此获得1979年度诺贝尔生理医学奖。
CT基本原理
CT是用X线束对人体某部位一定厚度的层面（如1mm、10mm等）进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（A/D）转为数字，输入计算机处理后形成图像。
（一）CT成像相关概念
1.像素、体素与阵矩：
（1）像素：像素是一个二维概念，像素越小图像分辨率越高（图6-43）。
图6-43 像素示意图
（2）体素：CT图像的形成有如将选定层面分成若干个体积相同的长方体，称为体素，体素是一个三维概念（图6-44）。
图6-44 体素示意图
（3）数字矩阵：扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵，数字矩阵可存储于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器（D/A）把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素。许多按矩阵排列的像素即构成CT图像，所以CT图像是重建图像（图6-45、图6-46）。
图6-45 矩阵与像素、体素关系示意图
图6-46 数字阵矩示意图
CT成像过程
CT包括以下连续过程，最终形成可视的CT断层灰阶图像（图6-47）。
图6-47 CT成像过程示意图
1.获取扫描层面的数字化信息：经过准直器高度准直后的X线束绕人体某一部位360°扫描，透过该层的X线由灵敏的检测器检测并经过光电转换器转换成电流信号，再经过A/D（模/数）转换器转换为数字信息（图6-48）。
图6-48 CT扫描装置示意图
2.获取扫描层面各个体素的X线吸收系数：将扫描层面分为若干体积相同的立方体或长方体，称为体素；输入计算机前的数字信息是各个扫描方向上这些体素X线吸收系数的叠加量；经计算机处理，运用不同算法将其分开，即可获取该扫描层面各个体素的X线吸收系数，并依原有的位置排列为数字矩阵。
3.获取CT灰阶图像：将层面扫描获取的数字矩阵，经由D/A（数/模）转换器将每个数字转换为黑白灰度不等的小方块（像素），再按原有矩阵顺序排列成不同灰度的像素矩阵，即可重建为CT灰阶图像，并能通过电视屏显示，或用照相机摄制成CT图像（图6-49）。
图6-49 像素矩阵（灰阶图像）示意图
CT检查设备
CT设备发展和更新很快，性能不断提高，目前多层螺旋CT（MSCT）已广泛应用，成为主流应用机型。此外，新机型还有双源CT、能谱CT和电子束CT等。（图6-50）
图6-50 CT设备的发展与更新
（一）CT机的基本结构
CT机的基本结构是指CT机的硬件组成，主要包括扫描机架系统、计算机系统和外围系统。
1.扫描机架系统：包括X线发生器、X线管、准直器、检测器和模/数转换器等（图6-51）。
图6-51 CT扫描系统
2.计算机系统：控制扫描过程，对扫描信息数据进行数/模转换，控制扫描信息的显示、存储与传送，图像重建的程序控制。
3.外围设备：包括检查床、操作台、电视显示设备、激光打印设备等。
（二）CT设备的种类与进展
1.单层CT：又称普通CT，是最初的CT检查设备，靠X线管环绕人体运动进行断层扫描，每次只能进行一个体层的扫描；步进检查床步进移动后再进行第二个层面扫描。该型机成像速度慢、检查范围受限，已被螺旋CT取代。（图6-52）
图6-52 普通单层CT扫描成像示意图（旋转式扫描）
2.多层螺旋CT（MSCT）：多层螺旋CT又称多排螺旋CT。MSCT在结构上的最大特点是有多排检测器和多个数据采集系统。MSCT在一次扫描旋转过程中能同时获得多达2～640个层面投影数据，它是CT设备发展的一次革命性创新。MSCT层面扫描时间由普通CT的几秒提高到亚秒，全身扫描可在30s内完成；同时成像速度及图像质量均明显提高。螺旋CT临床应用范围不断扩大，大大促进了影像医学的发展，是目前CT检查的最常用机型。（图6-53）
图6-53 多层螺旋CT扫描成像示意图
3.双源CT：双源CT是同一CT设备内配置2个X线管和两组探测器的MSCT，从而进一步提高了成像的时间分辨力。此外，也可进行CT能谱成像。（图6-54）
图6-54 双源CT示意图
4.能谱CT：常规CT中球管产生的X射线具有连续的能量分布；多能谱CT采用宝石做探测器的原料，其成像是利用物质在不同X射线能量下产生不同的吸收的原理，从而提供比常规CT更多的影像信息。能谱CT有以下主要的优势。
（1）分离不同能量的信息，提高图像质量；有效地抑制射束硬化伪影和降低辐射剂量，有助于对常规CT难以定性的小病灶和组织进行定性和定量诊断（图6-55）。
图6-55 能谱CT消除金属性伪影（箭头所示为起搏器金属伪影）
（2）利用能谱CTK边缘成像技术对高原子序数造影剂的识别特性，满足高危病人使用更少造影剂的要求，降低辐射或造影剂剂量（表6-6）。
表6-6 常规CT与能谱CT辐射剂量比较
（3）利用多能谱特性，改进组织中质量衰减系数相近的软组织对比度。较低能量CT能谱性软组织对比度，使病变组织显像更清晰。近期在我国开展的低能CT肺癌筛查，就是应用这一技术，早期发现肺小节结病变。（图6-56）
图6-56 多能谱CT图像比较
5.电子束CT：又称超速CT（UFCT），它与常规CT的区别在于X线产生的方式不同。UFCT是利用电子枪发射电子束轰击4个环靶所产生的X线进行扫描，属于多层扫描，其扫描速度快，最快扫描速度为50ms/层，可行CT电影观察。从总体上评价，UFCT优于螺旋CT扫描，主要是单位时间内扫描范围比螺旋CT大，移动产生的伪影比螺旋扫描少，心血管造影电影成像方面比螺旋扫描更佳，可以显示心脏大血管的内部结构，对诊断先天性心脏病和获得性心脏病有重要价值。（图6-57）
图6-57 电子束CT示意图
6.彩色CT：2018年10月，彩色CT在上海中国国际进口博览会上首次亮相，受到广泛关注。有关彩色CT的性能、特点等资料尚缺乏（图6-58）。
图6-58 心血管彩色CT图像
成像性能与特点
CT图像清晰逼真，横断体层面显示解剖关系清楚，密度分辨率高，能够区分常规X线检查不能分辨的各种软组织结构，并能进行密度测量，以CT值（单位为HU）表示之，因而极大地提高了病变的检出率和诊断的准确性，扩大了X线检查的应用范围。
（一）主要优势
1.CT图像密度分辨率高：CT的密度分辨率比X线平片高10～20倍，能够清晰显示密度差别小的软组织结构和器官（如脑、纵隔、腹盆部器官），且能敏感地发现病灶并显示其特征（如脑出血），这是X线成像所不能比拟的（图6-59）。
图6-59 CT分辨率图
2.CT图像是黑白灰阶图像：灰阶的深浅取决于组织密度，组织密度可用CT值来表示，CT值的单位是HU。CT值越高代表组织吸收X量越多，即组织密度越高，相应的CT图像灰阶越白；反之灰阶则越黑。（图6-60、表6-7、表6-8）
图6-60 不同能量下拍摄的CT黑白灰阶图像
表6-7 正常人体组织的CT值 HU
表6-8 各种病变的CT值
3.CT图像是断面图像，影像没有重叠，可消除组织器官影像重叠的现象，准确反应断面上组织器官的解剖结构，并可重组冠状面和矢状面及任意斜面或曲面图像（图6-61）。
图6-61 CT断面图像（薄层断面图像）
4.CT图像可行密度量化分析（CT值）：CT是数字化成像，故图像上的影像（包括病变影像）除用高、中和低密度形容外，还可用量化指标CT值来表示。人体各种组织结构及其病变的CT值范围为-1000～+1000 HU。为了使图像上感兴趣的组织结构达到最佳的观察效果，需根据其CT值范围选用不同的窗设置，其中包括窗位和窗宽。例如，在胸部CT图像上，肺窗（窗位-700 HU、窗宽1500 HU）可最佳显示肺部组织及其病变（图6-62、图6-63）。
图6-62 人体组织CT值范围
图6-63 CT肺窗图（清晰显示肺细微结构）
5.可进行图像后处理：CT是数字化成像，且能获取不同方位的断层图像，因此能够运用计算机软件对成像数据进行多种后处理，包括各种二维显示、三维显示以及其他多种分析技术，进一步拓展了CT的应用领域，提高了CT的诊断价值（图6-64）。
图6-64 CT图像后处理示意图
（二）局限性
1.不能整体显示器官结构和病变。
2.多幅断层图片不利于快速观察。
3.受到部分容积效应影响：当CT图像中同一体素内含有两种密度不同组织时，则该像素所显示的密度或测得的CT值并非代表其中任何一种组织，而是该原度层面密度的平均值，此即部分容积效应，又称部分容积现象（图6-65）。容积效应影响了小病灶的显示。采用更薄的扫描和重建层厚，可克服部分容积效应的影响。
图6-65 CT部分容积效应示意图
4.X线辐射剂量较高：为传统X线检查的数十倍至数百倍，故应慎重掌握CT检查的适应证，并加强辐射防护。
5.CT是结构显像，不能反映组织器官的功能状态。
CT检查技术
CT检查有多种技术方法，包括平扫、对比增强、血管造影、灌注成像、放大及高分辨扫描等，应根据临床具体需要进行选用。
（一）CT平扫检查
不注射造影剂（对比剂）的普通扫描称为平扫，许多疾病如急性脑出血、肾结石、肝囊肿、肺癌等，平扫就能作出诊断（图6-66、图6-67）。
图6-66 肝癌CT平扫图像
图6-67 肾结石CT平扫图像
（二）CT对比增强扫描检查
对比增强（CE）检查是经静脉注入水溶性有机碘对比剂后再进行扫描的方法，简称增强检查。增强检查时，病变组织可因含碘对比剂而密度增高，称为强化。通过分析病变有无强化、强化的程度和方式等，有助于定性诊断。增强检查依对比剂注入后的扫描延迟时间和扫描次数，分为以下方法。
1.普通增强检查：常用于颅脑、肺等疾病的诊断（图6-68）。
图6-68 颅内占位病变增强扫描
2.多期增强检查：在注射造影剂后不同的时间点进行多次扫描，称为多期增强检查。多期增强检查能够动态观察病变强化程度随时间所发生的变化，有利于定性诊断，主要用于腹部、盆腔部位疾病的诊断。（图6-69）
图6-69 肝转移瘤多期增强CT检查
3.CT血管造影（CTA）：CTA是指静脉注射含碘造影剂后，经计算机对图像进行处理，清晰显示全身各部位血管细节，具有无创和操作简便的特点，可以取代部分DSA检查。CTA可清楚显示大脑动脉环（Willis环）以及大脑前、中、后动脉及其主要分支，对闭塞性血管病变可提供重要的诊断依据，可以将缺血性脑血管病的诊断提早到发病后2小时。此外，CTA还可用于多种血管病变的诊断如冠状动脉狭窄、股动脉狭窄、肺动脉栓塞、主动脉夹层等。（图6-70）
图6-70 CT血管造影（CTA）
（三）CT灌注成像
CT灌注成像是经静脉团注有机水溶性碘对比剂后，对感兴趣器官例如脑或心脏，在固定的层面行连续扫描，得到多帧图像，通过不同时间影像密度的变化，算出对比剂到达病变的峰值时间、平均通过时间、局部脑血容量和局部脑血容量等参数，再经假彩色编码处理可得4个参数图。分析这些参数与参数图可了解感兴趣区毛细血管血流动力学，即血流灌注状态。当前主要用于急性或超急性脑局部缺血的诊断、脑梗死及缺血半暗带的判断，以及脑瘤新生血管的观察，也应用于急性心肌缺血的研究。（图6-71）
图6-71 左额颞叶急性脑缺血CT灌注成像
（四）CT放大扫描
放大扫描是扫描野缩小、矩阵不变的一种扫描方式。放大扫描可以提高较小器官病变的空间分辨率，如扫描椎间盘、中耳、内耳等。（图6-72）
图6-72 CT放大扫描
（五）CT高分辨率扫描
高分辨率扫描，是指获得良好空间分辨率图像的扫描技术，要求短的扫描时间和小于1.5mm的层厚，并加大曝光剂量（图6-73）。
图6-73 CT高分辨率扫描图
CT图像后处理技术
螺旋CT扫描可获得连续横断层面数据，经过计算机后处理，不仅可重组冠状、矢状乃至任意方位的断层图像，还可建立三维图像、透明图像、仿真内镜图像等。
（一）再现技术
再现技术有3种，即表面再现技术、最大强度投影技术和容积再现技术。再现技术可获得CT的三维立体图像，通过旋转可在不同位上观察，多用于骨骼的显示和CT血管造影等。（图6-74）
图6-74 CT再现技术
（二）多平面重建技术（MPR）
MPR是从原始的横轴位系列图像经后处理获得人体组织器官任意的管状、矢状、横轴和斜面的二维图像处理方法，可显示全身各个系统器官的形态学改变，以及全身各个系统病灶位置、毗邻关系、侵及范围与大血管关系等（图6-75）。
图6-75 CT二维多平面重建图
（三）最小密度投影技术（min-IP）
min-IP是利用容积数据中在视线方向上密度最小的像元值成像的投影技术，可显示大气道、支气管树和胃肠道等中空器官的病变（图6-76）。
图6-76 肺CT最小密度投影及三维重建图
（四）X线模拟投影技术
利用容积数据中在视线方向上的全部像元值成像的投影技术，重建后的图像效果类似于普通X线成像，故称为X线模拟投影（图6-77）。
图6-77 胸部CT模拟投影技术示意图
（五）仿真内镜显示技术
计算机技术与CT结合而开发出的仿真内镜功能，目前几乎所有管腔器官都可行仿真内镜显示，无痛苦、易为病人所接受，仿真结肠镜可发现直径仅为5mm的息肉，不足的是受伪影的影像和不能进行活检（图6-78）。
图6-78 CT仿支气管镜显示图像
CT临床应用
CT可应用于下述各系统疾病的诊断：
1.中枢神经系统疾病：CT价值较高，对颅内肿瘤、脓肿、寄生虫病、外伤性血肿、脑损伤、缺血性脑梗死、脑出血，以及椎管内肿瘤与椎间盘突出等病诊断效果好，诊断较为可靠（图6-79）。
图6-79 小脑动静脉畸形
2.头颈部疾病：对眶内占位病变、早期鼻窦癌、中耳小胆脂瘤、听骨破坏与脱位、内耳骨迷路的轻微破坏、耳先天发育异常以及鼻咽癌的早期发现等均有诊断价值。
3.胸部疾病：对肺癌和纵隔肿瘤等的诊断很有帮助，低辐射剂量扫描可用于肺癌的普查；对肺间质和实质性病变也可以得到较好的显示；对大血管重叠病变的显示，更具有优越性；对胸、膈、胸壁病变，也可清楚显示。
4.心及大血管疾病：如冠状动脉狭窄、主动脉夹层动脉瘤等（图6-80）。
图6-80 主动脉夹层动脉瘤CTA图像
5.腹部及盆部疾病：主要用于肝、胆、胰、脾、腹膜腔及腹膜后间隙以及肾上腺及泌尿生殖系统疾病的诊断，尤其是肿瘤性、炎症性和外伤性病变等（图6-81）。
图6-81 胰腺癌CT高分辨率图像
CT检查安全性
CT检查的X线辐射剂量显著高于传统X线检查，更应注意防护。除了严格掌握CT检查的适应证外，还要努力遵循辐射防护的三项基本原则。目前，如何降低CT检查的辐射剂量，已成为医学影像学界关注的焦点。目前在CT设计和数据处理上，也采用了一些降低辐射剂量的措施，包括自动电压、自动毫安技术和数据迭代重建（IR）算法等。其中，应用一些迭代算法，在降低60%～80%辐射剂量的条件下，仍能获得质量相同甚至更高的CT图像。