CT的工作原理及新應用研究進展

黃輝，黎麗，張俊安

廣東省韶關市粵北人民醫院影像科 (廣東韶關 512026)

近年來，CT被廣泛應用于各種疾病的診斷中，并取得了較好的效果。該技術不會破壞物體的基本結構，還可利用數學方法將部分二維圖像處理成三維圖像，利于醫師更加直觀地觀察疾病情況。有研究認為，CT的應用實際上也是Radon的變換[1]。隨著圖像函數理論的出現，斷層成像技術在臨床中的應用效果受到醫務工作者的認可，這一技術的發展也開辟了醫學影像技術的應用新領域，在醫學領域中發揮著無可替代的作用。目前，我國的CT仍處于不斷研究與發展的階段，醫療機構也要不斷進行應用與實踐，以促進CT的發展。為此，本研究對CT的工作原理及新研究進展作如下綜述。

1 CT的應用與發展

1971年，Hounsfielld發明了頭顱CT，至20世紀80年代，CT的應用領域從對病變部位的掃描逐漸延伸到可對身體大多數部位的掃描檢查；至20世紀90年代，CT的掃描速度有所突破；至2000年左右，螺旋CT的應用促使 CT掃描從橫向掃描逐漸過渡至連續掃描，從剛開始的4層、16層、32層、64層、128層，到目前應用的256層，多層螺旋CT的臨床價值得到極大的提升。

2 CT工作原理

2.1 CT的成像原理

CT成像是利用X線束掃描人體部位。 X線透過掃描層面，探測器接收到掃描信息后，將其轉變為可見光，利用光電轉換器再轉變成電信號，然后再經過模擬/數字轉換器轉變為數字信號，輸入計算機后顯示出來[2]。由于這一過程是將二維圖像轉變為三維圖像，故需收集大量的數據，才能準確地顯示出病變部位的各種類型圖像，這一過程包括數據波動、數據傳輸、數據處理、數據顯示及三維立體成像等環節。目前，我院所用的CT成像系統見圖1。

圖1 CT成像系統

2.2 CT的成像過程

一般情況下，CT成像過程是非常復雜的，要求相應診斷設備的精密度至少達到中等以上，才能完整地表達CT的成像過程。許煥奇等[3]將CT的成像過程分成數據采集、數據集中處理、圖像重建、模型創建、計算機顯示、圖像打印等環節。由于CT設備中的過濾板、轉換器等部件的精密度較高，主要進行相關數據的采集，若采用數據的等級較低，在對數據信息進行集中處理時，則不能對其進行數學運算[4]。也就是說，在進行數據采集的過程中所使用的一些數學運算，部分精密度較低的儀器無法實現。韓蕊娜[5]表示，圖像重建與模型創建均須將經過處理的數據使用一定的軟件系統，以圖像的方式顯現出來，該過程一般是由CT計算機系統自帶的軟件來完成的，過程較復雜。最終，工作人員可在計算機顯示器上看到經過處理得到的最終圖像，例如圖2。

圖2 計算機顯示器上的CT最終圖像

2.3 CT成像系統的組成

CT成像系統由硬件和軟件2個系統組成，硬件系統包括掃描架、過濾器、探測器、數據模型轉換器及電源系統，軟件系統包括圖像后處理軟件、掃描軟件、圖像存儲軟件及照相軟件。CT成像系統的應用需將軟件系統與硬件系統結合起來，兩者相輔相成才能成像。

3 CT在醫學領域中的新應用

3.1 CT灌注成像

CT灌注成像是利用多層螺旋CT在造影劑的輔助下進行成像，具備毛細血管染色功能。當診斷人員為受檢者靜脈團注造影劑后，CT可對某些特定的組織或器官進行連續多層掃描，得到某一個平面內的時間密度曲線，通過數學模型計算，可得出組織或器官的血流量、血容量、平均通過時間、分值時間等參數。有研究表明，通過對各項參數進行分析，可對某個層面內的組織或器官功能情況進行準確評價[6]。對于部分腫瘤疾病、感染性疾病、炎癥及梗死等疾病，采用常規掃描或增強掃描不易鑒別，采用CT灌注成像診斷則可清晰顯示出來。楊滕[7]認為，CT灌注成像還可對癡呆、精神疾病、偏頭痛等疾病進行準確評估。隨著臨床研究的不斷深入，閆軍和田國鈺[8]將CT灌注成像技術應用于原發性肝癌、肝轉移、肝血管瘤等疾病的診斷，取得了較好的效果，其研究發現，CT灌注成像不但可對病變組織及器官進行準確的鑒別診斷，還可對肝臟周邊組織的受累情況進行評估。肝臟周邊組織受累情況見圖3。

圖3 肝臟周邊組織受累情況

3.2 CT心臟成像

常規CT掃描在對一些運動器官的掃描中多存在盲區，最新的64層螺旋CT可對心臟進行掃描，且全部掃描時間只需5 s；掃描圖像可清晰顯示軟斑塊、硬斑塊、心臟支架等，且掃描圖像時間分辨率僅為0.25～0.4 s。隨著多層螺旋CT在臨床診斷中的廣泛應用，目前已經實現了所謂的扇形或斑狀掃查，在此過程中多列探測器承擔起數據重建的任務，時間分辨力已縮短至10 ms[9]。丁旭[10]應用GE 64排128層螺旋CT進行CT心臟成像，只用了5 s就完成了對整個心臟及周邊組織結構的掃描，且所得圖像的分辨率極高；與常規的16層螺旋CT相比，其圖像分辨率提高了40倍左右，且圖像中的信息量非常大；此外，該診斷方式的輻射損傷較低，可清晰構建出心臟的三維解剖圖像。多層螺旋CT的應用也實現了低劑量、快速和大范圍的掃描，使掃描結果的精確度更高。在掃描過程中，患者只需短時間屏住呼吸，其舒適度也得到提升。路金生[11]認為，尤其是對于部分冠心病患者，采用CT心臟成像對其進行冠狀動脈檢查不會對其造成任何損傷，患者的滿意度更高。

3.3 CT血管成像

多層螺旋CT的應用范圍較廣。伍康振和溫福林[12]采用多層螺旋CT進行頭顱CT掃描，可清晰顯示顱內至頸部、心臟主動脈弓至下肢等范圍的血管走行情況，可幫助診斷人員進一步了解血管畸形、血管狹窄、側肢循環等異常情況，從而為臨床治療提供準確的依據。多層螺旋CT血管成像具有掃描速度快，圖像分辨率高的特點，且對操作人員的技術要求較低，只需按照標準規范進行各項操作即可，整個過程安全性較高，不會對患者機體造成任何損傷，目前已基本取代了傳統的血管造影檢查[13]。周珉名[14]認為，血管造影智能跟蹤技術可促使造影劑進入血管后，直接到達目的區域，當與設定好的閾值相等時，就會自動啟動掃描，從而獲得最佳的動脈期、靜脈期圖像。在用CT血管成像對腦血管疾病患者進行診斷時，可通過后處理工作站進行圖像重建，將血管病變的解剖關系通過立體圖像顯示出來，從而可多角度顯示腦血管情況，適用于手術計劃的制定、術前定位及術后隨訪等診療工作，見圖4～5。

圖4 腦CT血管成像 圖5 腦CT血管成像

3.4 基于CT的虛擬內窺鏡

基于CT的虛擬內窺鏡系統包括虛擬支氣管鏡、虛擬血管、虛擬結腸鏡、虛擬膽管鏡及虛擬胃鏡等，可觀察到常規內窺鏡觀察不到的部位，還可對圖像的透明度及顏色進行調節，同時可對腔外情況進行觀察；將虛擬內窺鏡應用于疾病的檢查與診斷，不會損傷患者的機體，安全無痛[15]。姜成宇[16]認為，借助虛擬內窺鏡，可對部分病變組織及其周圍結構的侵犯程度進行仔細觀察，從而得出準確結果；在進行手術或穿刺操作時，利用虛擬內窺鏡可為手術或穿刺的順利進行提供指導。劉全勝[17]認為，虛擬內窺鏡在很大程度上是對常規內鏡的補充，在對極度狹窄部位進行檢查時，虛擬內窺鏡已基本取代常規內鏡，且優勢明顯。

3.5 CT在外傷或危急重癥患者診斷中的應用

對于外傷或急危重癥患者，入院后需盡快進行有效的診斷和治療。可采用最新的64層螺旋CT進行診斷，其具有全身分辨率高的特點，只需10 s就能完成各項同性數據的采集，可真正意義上實現全身大范圍掃描，診斷人員可根據檢查結果迅速判斷患者各器官受損情況，從而為臨床搶救提供指導。王丹丹[18]認為，64層螺旋CT在外傷急診科的應用是對其臨床應用范圍的突破。

3.6 多層螺旋CT在尸體檢查中的應用

近年來，多層螺旋CT成像在其他領域中也得到廣泛的應用，如進行尸體檢查，具有操作簡單、用時短的特點，且檢查效果也得到法醫的肯定；該技術的應用還在很大程度上避免了醫療糾紛、尸體解剖等一系列繁雜的操作及手續[19]。

3.7 CT能譜技術

CT能譜技術主要是通過球管發出不同能量的射線，對病變部位進行同步螺旋掃描，根據探測器接收后掃描相同組織時采用不同能量級X線能量衰減的情況，對病灶進行多方位、多角度無創成像；同時還可采用彩色編碼對發現的病灶位置、大小、數目等情況進行標記，尤其是對體積較小的病灶具有較高的診斷價值[20]。

3.8 CT光譜技術

CT光譜技術主要是根據人體同一組織對X線不同光子能量或同一光子對不同組織能量的吸收能力存在的差異進行成像。X線具有較強的能量依賴性衰減特征，也就是說，X線光子的能量越強，其波長也就越短，其對物質材料的穿透性越強。該技術采用這種能量不同的單能X線，根據相應能量X線的衰減系數進行CT圖像重建。目前，臨床上所使用的CT設備有128排和256排，掃描范圍更廣、圖像更為清晰。

4 小結

總之，在影像學技術中，CT成像利用數學方法，通過物體的投影集合重建圖像，從而將某些病變信號、二維圖像等以三維圖像的形式顯示出來，幫助臨床上對疾病的嚴重程度進行判斷。隨著CT設備的不斷優化與升級，其功能會更加多元化，圖像質量也會更高。因此，臨床研究人員還要加強此方面的研究，進一步提高我國的CT應用水平。