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详细解读｜CT影像50年变迁史

2022-04-25

04/25

2022

2021年已经逝去，这一年对于CT发展是值得纪念且有突破性成绩的一年。今年刚好是CT临床应用50周年，在这一历史节点上全球首台光子计数CT扫描仪问世，重新定义了CT的扫描原理。今天，我们一起来探寻CT的前世今生。

1895年德国物理学家伦琴发现X线以后，X线在医学诊断上的应用如燎原之火，但对于许多疾病，常规X线获得的是身体结构的重叠影像图像，并不能提供肯定的诊断结果，这使得科学家们有了一个新的想法：如何获得没有结构叠加的断层图像？诸多科学家也为之不懈探索。

1963年，美国物理学家科马克发现人体不同的组织对x线的透过率有所不同，在研究中还得出了一些有关的计算公式，这些公式为后来CT的应用奠定了理论基础。

英国电子工程师亨斯费尔德在不知道科马克研究成果的情况下，1961年研究计算机处理断层图像的技术，1967年产生了计算机断层成像的想法，并在1968年获得专利。后来，他又用这种装置去测量全身，获得了同样的效果。1971年9月，亨斯费尔德又与一位神经放射学家合作，在伦敦郊外一家医院安装了他设计制造的扫描装置：一台能加强X射线放射源的简单的扫描装置，开始了头部检查，即后来的CT。10月4日，医院用它成功地完成了第一位患者的头颅CT扫描，这被认为是CT临床应用的开端。

第一台CT机

第一幅头颅断层CT

1972年4月，亨斯菲尔德（Houndsfield）和安普鲁斯（Ambrose）一起，在英国放射学研究院年会上宣读了关于CT的第一篇论文。同年11月，在芝加哥北美放射年会（RSNA）也宣读了他们的论文，并向全世界宣布了CT的诞生。这一发明为之后医学事业的发展提供了强大的助力，被誉为自伦琴发现X射线以后，放射诊断学上最重要的成就。

1972年亨斯菲尔德教授获得了与工程学诺贝尔奖齐名的McRobert奖；1979年亨斯菲尔德和在塔夫茨大学从事CT图像重建研究工作的考迈克（Cornack）教授一起，获得了诺贝尔医学生理学奖。

从头颅CT第一次用于临床，CT扫描成像经历了断层影像、容积扫描、双能成像、能谱成像时代，并正在迈向光子计数成像新纪元，下面我们一起来细数一下50年间CT发展的金色历程：

第一代CT机

第一代CT机为旋转-平移扫描方式，多属头颅专用机。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，机架环绕患者做旋转和同步直线平移运动，X射线管每次旋转1°，同时沿旋转反方向做直线运动扫描。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机结构的缺点是射线利用率很低，扫描时间长，扫描完成一个断面需3-5分钟。

第二代CT机

第二代CT机仍为旋转-平移扫描方式。第二代CT缩小了探测器的孔径、加大了矩阵和提高了采样的精确性，改善了图像质量。其主要缺点是：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，需要做扫描后的校正，以避免伪影的出现而影响图像的质量。

第三代CT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°宽扇形束，探测器数目增加到300 -800个，扫描时间缩短到2-9秒或更短。伪影大为减少，明显提高了图像质量，第三代CT成为了此后CT发展的主流。

第四、五代CT机

对于心脏扫描问题的探索使得CT逐步发展变革，随之出现了第四、五代CT机，第四代CT机的扫描方式只有球管的旋转。与第三代CT机扫描不同，在第四代扫描方式中，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射束描描。

第一至四代扫描方式

1983年，美国Douglas boyd博士开发出超高速扫描的第五代CT—电子束CT（Eletron Beam CT，EBCT），并应用于临床。用电子束的扫描替代了机械运动扫描，使扫描速度提高到毫秒级，使心脏、大血管及冠状动脉疾病的影像检查成为现实。但第四、五代CT机并没有商业化。

螺旋CT

1985年，滑环技术应用于CT设备，使CT的扫描实现了单方向连续旋转扫描。

1989年，在滑环技术的基础上螺旋扫描方式问世，缩短了患者检查时间，而且使各种三维后处理图像（如CT血管造影、仿真内镜技术等）更为精确。

1992年，ELSCINT公司研制成功双层螺旋CT（CT TWIN），开创了多层螺旋扫描的先河。

螺旋CT机扫描机架是连续、单向的旋转。射线束仍为大扇束。单层螺旋CT的螺旋扫描时间通常是1秒，64层螺旋CT仅用0.33s就可获得64层图像，空间分辨率小于0.4mm，提高了图像质量，单层螺旋CT的探测器数目与第三代CT机相比没有数量的增加和材料的改变，但是多层螺旋CT的探测器不仅在数量上有较大的增加，而且改用了超高速的稀土陶瓷，使射线的利用率大大提高，从原来的50％左右上升到99％，射线束角度没有什么大的改变，同以往的非螺旋CT扫描机。扫描层次在单层螺旋机中仍为每次一层，在多层螺旋机中一次旋转可达4层、8层、16层、64层，甚至更多，结合层厚、扫描通道的组合运用，已可满足动态器官心脏等质像的需要。单层螺旋CT只是提高了连续扫描的能力，而多层螺旋CT不仅粗描速度快、覆盖范围大，而且几乎能进行人体所有器官的扫描检查。螺旋CT和多层螺旋CT的出现被认为是CT的两次重要技术革命。

螺旋CT扫描原理

1998年，Philips，Siemens、GE、Toshiba 四家公司同时推出多（4层）螺旋CT，扫描速度提高到每一次旋转0.5秒。

2001年，16层螺旋CT研制成功，扫描1周能同时获得16幅0.75mm层厚的图像。

2003年，64层螺旋CT在北美放射学年会上正式发布和投入临床使用。

2007年，东芝、飞利浦和西门子公司在北美放射年会上分别同时推出320、256和128层多层螺旋CT扫描仪。

CT透视扫描仪

CT透视扫描仪于1993年由日本Fujita保健大学保健科学学院（Fujita Health Univenily，School of Health Science)的Katada医师首先提出。其后在Toshiba开发部的支持下，第一台CT透视机研制成功，并在1994年北美放射年后上发表了他们临床应用的论文，同时推出了第一台CT透视机产品。CT透视扫描仪主要被用活检穿刺。

移动式CT扫描仪

移动式CT机应用原理同非螺旋CT扫描机，只不过体积较小、可移动，它主要由扫描机架、检查床和控制台三部分组成，每一个单元都装有滑轮可移动。其安装要求不高，值得一提的是它可采用单相交流电源，任何墙上电源足以能使CT机启动，断电后还能利用机器自带的蓄电池继续扫描。

移动式CT大大方便了一些危重和手术中患者的检查需要。移动式CT也可以搬运至急救中心或重症监护病房等，作危重患者的各类CT检查，对创伤性的、不宜搬动的危重患者，移动式CT尤其适用。

微型CT扫描仪

微型CT扫描仪（Micro—CT）主要用于实验室以及骨质疏松症的实验研究。与医用CT扫描仪比较，这类扫描仪的共同特点是：球管的焦点较小、输出功率也较小、扫描野较小、空间分辨力较高、扫描时间相对较长，另外使用平板探测器。

双源CT扫描仪

2005年，西门子推出首台双源和双探测器系统的CT扫描仪。它的基本结构秉承了64层CT的设计，仅在球管和探测器系统作了大胆的创新，由沿袭使用的一个球管、一组探测器系统，改变成了双球管和双探测器系统，双源CT的两个球管既可同时工作，也可分别使用。

双源CT结构图

双源CT的最大优势在于心脏成像，能够在不需要控制心率的情况下，以83ms的时间分辨率采集与心电图同步的心脏和冠状动脉图像；还可进行双能量成像，得到能够体现组织化学成分的CT图像，即组织特性图像，这也成为了CT能谱时代的开端。

能谱CT

2009年底CT能谱成像应用于临床。能谱CT从球管和探测器等方面进行革新，不仅实现了在超低剂量的情况下高分辨率、高清晰度的图像质量，而且首次使用了能谱成像技术，从根本上改变了传统 CT以单一CT值为标准的成像方式。 CT能谱成像技术能够同时获得混合能量图像、单能量图像和物质分离图像等，实现了从单参数成像到多参数成像诊断模式的转变。但由于能谱CT无法实现“同源、同时、同向”能量成像的基本要求，受限制于图像质量、检查流程以及辐射剂量，致使其未能成为临床常规化成像。

光谱CT

2016年，全球首台基于双层探测器的光谱CT诞生，通过空间上对等的上、下两层探测器分别接收高、低能量的X线光子，实现探测器端的能量解析和彩色光谱成像。

光谱CT是一款基于探测器的能量CT成像设备，由于其独特的工作原理，无需预判，可在常规成像的同时实现光谱成像，不需要任何额外步骤和额外辐射剂量；同时带来高质量多参数光谱图像，不仅满足了“同时、同源、同向”的技术要求，而且在此基础上，实现常规图像与能量图像的“同步”生成。

光谱CT在降低噪声、优化图像质量、提高病灶检出率、抑制伪影、定量定性分析物质、降低辐射剂量及减少对比剂用量等方面具有突出优势。

2021年，新一代的光谱计数CT发展到了100kVp光谱成像及80cm大孔径和新型球面宽体光谱探测器。该技术具有低噪声、低辐射剂量和造影剂用量最少等优势，也是目前心脏彩色光谱成像的最佳设备。

光子计数CT

2020年RSNA期间，GE医疗和西门子医疗先后在官方平台发布了光子计数CT相关进展。飞利浦和佳能医疗也正在加紧布局光子计数CT。2021年第三次CT革命正在到来。

光子计数CT与上述各代各类型CT的不同之处在于改变了探测器的类型和成像原理。光子计数探测器技术，可以测量穿过患者身体的每个单独的X射线光子。通过对每个单独的X射线光子进行“计数”，来获得患者更多的详细信息。

光子计数探测器原理

与传统CT相比，光子计数CT能够以更低的辐射剂量提供更丰富的图像内容。光子计数图像具有更高的对比噪声比，从而产生更高的分辨率，并能修正射线硬化等伪影。

毋庸置疑，光子计数技术是当今最受瞩目的热点之一，也是CT未来的发展方向，各大医疗厂商巨头的相关产品均在研发中，国产厂商也已在这一赛道展开布局。光子计数CT很可能成为肿瘤、心脏病学、神经学等临床应用的CT影像新标准。