CT的工作原理及新应用研究进展

黄辉，黎丽，张俊安

广东省韶关市粤北人民医院影像科 (广东韶关 512026)

近年来，CT被广泛应用于各种疾病的诊断中，并取得了较好的效果。该技术不会破坏物体的基本结构，还可利用数学方法将部分二维图像处理成三维图像，利于医师更加直观地观察疾病情况。有研究认为，CT的应用实际上也是Radon的变换[1]。随着图像函数理论的出现，断层成像技术在临床中的应用效果受到医务工作者的认可，这一技术的发展也开辟了医学影像技术的应用新领域，在医学领域中发挥着无可替代的作用。目前，我国的CT仍处于不断研究与发展的阶段，医疗机构也要不断进行应用与实践，以促进CT的发展。为此，本研究对CT的工作原理及新研究进展作如下综述。

1 CT的应用与发展

1971年，Hounsfielld发明了头颅CT，至20世纪80年代，CT的应用领域从对病变部位的扫描逐渐延伸到可对身体大多数部位的扫描检查；至20世纪90年代，CT的扫描速度有所突破；至2000年左右，螺旋CT的应用促使 CT扫描从横向扫描逐渐过渡至连续扫描，从刚开始的4层、16层、32层、64层、128层，到目前应用的256层，多层螺旋CT的临床价值得到极大的提升。

2 CT工作原理

2.1 CT的成像原理

CT成像是利用X线束扫描人体部位。 X线透过扫描层面，探测器接收到扫描信息后，将其转变为可见光，利用光电转换器再转变成电信号，然后再经过模拟/数字转换器转变为数字信号，输入计算机后显示出来[2]。由于这一过程是将二维图像转变为三维图像，故需收集大量的数据，才能准确地显示出病变部位的各种类型图像，这一过程包括数据波动、数据传输、数据处理、数据显示及三维立体成像等环节。目前，我院所用的CT成像系统见图1。

图1 CT成像系统

2.2 CT的成像过程

一般情况下，CT成像过程是非常复杂的，要求相应诊断设备的精密度至少达到中等以上，才能完整地表达CT的成像过程。许焕奇等[3]将CT的成像过程分成数据采集、数据集中处理、图像重建、模型创建、计算机显示、图像打印等环节。由于CT设备中的过滤板、转换器等部件的精密度较高，主要进行相关数据的采集，若采用数据的等级较低，在对数据信息进行集中处理时，则不能对其进行数学运算[4]。也就是说，在进行数据采集的过程中所使用的一些数学运算，部分精密度较低的仪器无法实现。韩蕊娜[5]表示，图像重建与模型创建均须将经过处理的数据使用一定的软件系统，以图像的方式显现出来，该过程一般是由CT计算机系统自带的软件来完成的，过程较复杂。最终，工作人员可在计算机显示器上看到经过处理得到的最终图像，例如图2。

图2 计算机显示器上的CT最终图像

2.3 CT成像系统的组成

CT成像系统由硬件和软件2个系统组成，硬件系统包括扫描架、过滤器、探测器、数据模型转换器及电源系统，软件系统包括图像后处理软件、扫描软件、图像存储软件及照相软件。CT成像系统的应用需将软件系统与硬件系统结合起来，两者相辅相成才能成像。

3 CT在医学领域中的新应用

3.1 CT灌注成像

CT灌注成像是利用多层螺旋CT在造影剂的辅助下进行成像，具备毛细血管染色功能。当诊断人员为受检者静脉团注造影剂后，CT可对某些特定的组织或器官进行连续多层扫描，得到某一个平面内的时间密度曲线，通过数学模型计算，可得出组织或器官的血流量、血容量、平均通过时间、分值时间等参数。有研究表明，通过对各项参数进行分析，可对某个层面内的组织或器官功能情况进行准确评价[6]。对于部分肿瘤疾病、感染性疾病、炎症及梗死等疾病，采用常规扫描或增强扫描不易鉴别，采用CT灌注成像诊断则可清晰显示出来。杨滕[7]认为，CT灌注成像还可对痴呆、精神疾病、偏头痛等疾病进行准确评估。随着临床研究的不断深入，闫军和田国钰[8]将CT灌注成像技术应用于原发性肝癌、肝转移、肝血管瘤等疾病的诊断，取得了较好的效果，其研究发现，CT灌注成像不但可对病变组织及器官进行准确的鉴别诊断，还可对肝脏周边组织的受累情况进行评估。肝脏周边组织受累情况见图3。

图3 肝脏周边组织受累情况

3.2 CT心脏成像

常规CT扫描在对一些运动器官的扫描中多存在盲区，最新的64层螺旋CT可对心脏进行扫描，且全部扫描时间只需5 s；扫描图像可清晰显示软斑块、硬斑块、心脏支架等，且扫描图像时间分辨率仅为0.25～0.4 s。随着多层螺旋CT在临床诊断中的广泛应用，目前已经实现了所谓的扇形或斑状扫查，在此过程中多列探测器承担起数据重建的任务，时间分辨力已缩短至10 ms[9]。丁旭[10]应用GE 64排128层螺旋CT进行CT心脏成像，只用了5 s就完成了对整个心脏及周边组织结构的扫描，且所得图像的分辨率极高；与常规的16层螺旋CT相比，其图像分辨率提高了40倍左右，且图像中的信息量非常大；此外，该诊断方式的辐射损伤较低，可清晰构建出心脏的三维解剖图像。多层螺旋CT的应用也实现了低剂量、快速和大范围的扫描，使扫描结果的精确度更高。在扫描过程中，患者只需短时间屏住呼吸，其舒适度也得到提升。路金生[11]认为，尤其是对于部分冠心病患者，采用CT心脏成像对其进行冠状动脉检查不会对其造成任何损伤，患者的满意度更高。

3.3 CT血管成像

多层螺旋CT的应用范围较广。伍康振和温福林[12]采用多层螺旋CT进行头颅CT扫描，可清晰显示颅内至颈部、心脏主动脉弓至下肢等范围的血管走行情况，可帮助诊断人员进一步了解血管畸形、血管狭窄、侧肢循环等异常情况，从而为临床治疗提供准确的依据。多层螺旋CT血管成像具有扫描速度快，图像分辨率高的特点，且对操作人员的技术要求较低，只需按照标准规范进行各项操作即可，整个过程安全性较高，不会对患者机体造成任何损伤，目前已基本取代了传统的血管造影检查[13]。周珉名[14]认为，血管造影智能跟踪技术可促使造影剂进入血管后，直接到达目的区域，当与设定好的阈值相等时，就会自动启动扫描，从而获得最佳的动脉期、静脉期图像。在用CT血管成像对脑血管疾病患者进行诊断时，可通过后处理工作站进行图像重建，将血管病变的解剖关系通过立体图像显示出来，从而可多角度显示脑血管情况，适用于手术计划的制定、术前定位及术后随访等诊疗工作，见图4～5。

图4 脑CT血管成像 图5 脑CT血管成像

3.4 基于CT的虚拟内窥镜

基于CT的虚拟内窥镜系统包括虚拟支气管镜、虚拟血管、虚拟结肠镜、虚拟胆管镜及虚拟胃镜等，可观察到常规内窥镜观察不到的部位，还可对图像的透明度及颜色进行调节，同时可对腔外情况进行观察；将虚拟内窥镜应用于疾病的检查与诊断，不会损伤患者的机体，安全无痛[15]。姜成宇[16]认为，借助虚拟内窥镜，可对部分病变组织及其周围结构的侵犯程度进行仔细观察，从而得出准确结果；在进行手术或穿刺操作时，利用虚拟内窥镜可为手术或穿刺的顺利进行提供指导。刘全胜[17]认为，虚拟内窥镜在很大程度上是对常规内镜的补充，在对极度狭窄部位进行检查时，虚拟内窥镜已基本取代常规内镜，且优势明显。

3.5 CT在外伤或危急重症患者诊断中的应用

对于外伤或急危重症患者，入院后需尽快进行有效的诊断和治疗。可采用最新的64层螺旋CT进行诊断，其具有全身分辨率高的特点，只需10 s就能完成各项同性数据的采集，可真正意义上实现全身大范围扫描，诊断人员可根据检查结果迅速判断患者各器官受损情况，从而为临床抢救提供指导。王丹丹[18]认为，64层螺旋CT在外伤急诊科的应用是对其临床应用范围的突破。

3.6 多层螺旋CT在尸体检查中的应用

近年来，多层螺旋CT成像在其他领域中也得到广泛的应用，如进行尸体检查，具有操作简单、用时短的特点，且检查效果也得到法医的肯定；该技术的应用还在很大程度上避免了医疗纠纷、尸体解剖等一系列繁杂的操作及手续[19]。

3.7 CT能谱技术

CT能谱技术主要是通过球管发出不同能量的射线，对病变部位进行同步螺旋扫描，根据探测器接收后扫描相同组织时采用不同能量级X线能量衰减的情况，对病灶进行多方位、多角度无创成像；同时还可采用彩色编码对发现的病灶位置、大小、数目等情况进行标记，尤其是对体积较小的病灶具有较高的诊断价值[20]。

3.8 CT光谱技术

CT光谱技术主要是根据人体同一组织对X线不同光子能量或同一光子对不同组织能量的吸收能力存在的差异进行成像。X线具有较强的能量依赖性衰减特征，也就是说，X线光子的能量越强，其波长也就越短，其对物质材料的穿透性越强。该技术采用这种能量不同的单能X线，根据相应能量X线的衰减系数进行CT图像重建。目前，临床上所使用的CT设备有128排和256排，扫描范围更广、图像更为清晰。

4 小结

总之，在影像学技术中，CT成像利用数学方法，通过物体的投影集合重建图像，从而将某些病变信号、二维图像等以三维图像的形式显示出来，帮助临床上对疾病的严重程度进行判断。随着CT设备的不断优化与升级，其功能会更加多元化，图像质量也会更高。因此，临床研究人员还要加强此方面的研究，进一步提高我国的CT应用水平。