第二节　X线计算机体层成像

X线计算机体层成像（CT）是由Hounsfield G.N.1969年设计成功，1972年应用于临床的一种现代医学影像成像技术。CT图像是数字化成像，是经计算机处理所获得的重组模拟图像。CT的最大优点是 密度分辨力（density resolution）高，远优于传统X线图像，而且图像清晰、解剖关系明确，数字化成像可进行丰富的后处理，明显提高了病变的检出率和诊断准确率。由于这一贡献，Hounsfield G.N.获得了1979年度诺贝尔生理学或医学奖。

要特别指出的是，近十余年来CT设备发展迅速，尤其是近几年来多层螺旋CT包括双源CT、能谱CT和640层CT的开发和临床应用，极大地提高了扫描速度和图像的 空间分辨力（spatial resolution）；一些新的后处理功能软件亦相继用于临床。所有这些软、硬件的发展都使得CT图像的质量和显示能力在不断提高，应用领域亦在不断拓展，已成为临床上许多疾病不可或缺的诊断方法。

一、CT成像的基本原理和设备

（一）CT成像的基本原理

CT是以X线束环绕人体某部一定厚度的层面进行扫描，透过该层面的X线部分被吸收，X线强度因而衰减，穿透人体后未被吸收的X线被探测器接收转变为可见光，由光电转换器转变为电信号，再经模/数（A/D）转换器转为数字输入计算机进行处理，重建成图像。

为了便于理解和掌握CT成像的基本原理，可将其分为如下三个连续过程。①获得扫描层面的数字化信息：用高度准直的X线束环绕人体某部位一定厚度的横断层面进行连续扫描，由 探测器（detector）接收通过该层面的X线，并经光电转换为电信号，再经模/数转换为数字化信息；②经计算机处理得到扫描层面各体素的X线 衰减（att enuation）系数即吸收系数：计算机处理数字化信息时，将该层面分为若干体积相同的小立方体，称为 体素（voxel）（图1-6），但由于前述“①”由模/数转换所得数字化信息代表扫描层面内各方向上若干体素的重叠信息，计算机处理就是运用不同的算法将其分离，从而获得扫描层面各体素的X线衰减系数，并将它们依原有顺序排列为 数字矩阵（digital matrix）（图1-7）；③由数字矩阵重组为CT灰阶图像：经数/模转换，依扫描层面数字矩阵各体素衰减系数值的高低，赋予由白至黑不同的灰阶，即可重组为扫描层面的CT灰阶图像。其中，由每一体素转换而来的黑白灰度不同的小方块称为 像素（pixel），其是组成CT图像的基本单位。数字矩阵数目愈多，像素面积就愈小，所组成的CT图像就愈细腻，空间分辨力亦就愈高。

（二）CT成像设备

近三十年来，CT成像设备发展迅速，由最初的单层CT发展至单层 螺旋CT（spiral CT，SCT）和 多层螺旋CT（multislice spiral CT，MSCT），目前多层螺旋CT已发展至256层、640层和能谱CT等；此外，按X线管数目又可分为单源CT和双源CT。

无论是层面扫描CT，还是SCT或MSCT设备均主要由三部分组成。①扫描系统：包括X线发生装置、准直器、探测器、扫描机架和检查床等，用于不同部位和层厚的扫描；②计算机系统：负责整个CT装置的运行，进行CT图像重组和后处理，以及CT设备故障的检测；③图像显示和存储系统：包括显示器、激光打印机和光盘刻录机等，可进行图像显示、照片摄制和图像资料存储（图1-8）。

螺旋CT的扫描方式与单层面CT的扫描方式不同，在扫描期间，X线管球围绕人体行快速连续多圆周旋转，同时检查床沿其长轴方向匀速平移，如此X线对人体扫描的轨迹呈螺旋状，故称螺旋扫描（图1-9）。这种螺旋扫描采集的数据是连续螺旋形空间的容积数据，获得的是容积的三维信息，因此亦称为 容积CT扫描（volume CT scanning）。MSCT与单层SCT的不同点主要是：前者的X线束呈锥形并具有多排探测器和多组采集信息的输出通道，因此每周旋转能够同时采集多层图像信息，相应能重组多层CT图像。

双源CT不同于单个X线管和单套探测器的CT系统，是在扫描架内安装两套X线管和两套探测器系统。两套系统可分别调节kV和mAs，可同时采集图像或单套系统采集图像，优势是：①时间分辨力明显提高；②可获得双能量CT数据。

能谱CT是指扫描过程中单源X线管的电压可以在两种电压之间（如80kV和140kV）瞬间切换，获得组织对高低能量X线吸收的两组匹配数据，通过公式计算出不同物质（如水和碘）空间分布的密度值，根据已知的物质对应的X线吸收曲线找出其对应的物质，从而对物体进行定性和定量。能谱CT可以重建出各种单能量的CT图像，也可重建出不同物质密度的CT图像。能谱CT具有MSCT的优势外，尚有以下特点：①在单能量图像上测量同一部位组织结构或病变的CT值，获取能谱CT值曲线，简称能谱曲线；②重建的不同物质密度的CT图像为病变的检出和定性提供更多信息。

二、CT检查技术

（一）CT检查方法

CT检查方法可分为 CT平扫（plain CT scan）、 CT增强扫描（contrast enhancement CT）和CT造影检查。

1.CT平扫

是指不用对比剂增强或造影的扫描，反映的是组织、器官和病变密度的自然对比。

2.CT增强扫描

是指静脉注射水溶性有机碘对比剂后的扫描。通过人为地增加组织间的密度差，以提高CT图像对比度。根据不同疾病的诊断目的要求，还可在注入对比剂的不同时期进行重复扫描，此即多期CT增强扫描；亦可对固定层面在对比剂到达前直至到达后的一段时间进行连续快速扫描，即为 CT灌注（CT perfusion）扫描。

CT血管造影（CT angiography，CTA）是一种特殊的CT增强方法，即在靶血管内对比剂浓度达到峰值期间进行扫描，获得的容积数据经计算机处理，重组成三维的血管影像。

多期CT增强扫描、CT灌注扫描和CT血管造影均需使用SCT或MSCT设备进行检查。

3.CT造影扫描

是先行某一器官或结构的造影，然后再行CT扫描的方法。按方法可分为 血管造影CT（angiography assisted CT）和非血管造影CT。临床上很少应用。

4.其他检查方法

CT检查除上述三种方法外，临床上在平扫和增强时还常应用低辐射剂量CT扫描和 高分辨力 CT（high resolution CT，HRCT）扫描。

低辐射剂量CT扫描是指扫描时在其他参数不变的情况下，降低X线管电流，CT成像亦能达到诊断要求。辐射剂量和图像质量相互联系彼此制约，两者必须达到和谐统一，应当避免为了追求低噪声高清晰图像而使用过高的辐射剂量，确定诊断可以接受的最低噪声水平和X线剂量水平，必须对所有的扫描参数进行优化以实现这种平衡，这就是低辐射剂量CT扫描技术的实质。

HRCT是指扫描和重组时层面要薄，为1.5mm以下，图像重组则用高分辨力算法，且矩阵数不低于512×512。高分辨力扫描具有极好的空间分辨力。

（二）CT图像后处理技术

CT图像后处理技术是利用计算机附带的各种后处理功能软件，对CT图像数据进行不同的后处理，能以更加直观的方式显示病变及其与周围结构的空间关系，弥补轴位图像的不足，并可提供更多的有诊断价值的信息。以下介绍的是一些临床上常用的后处理技术。

1.二维重组技术

除常规应用的轴位图像外，包括 电影浏览（cine viewing）、 多平面重组（multiplanar reformation，MPR）和 曲面重组（curved planar reformation，CPR）。

（1）电影浏览：

是通过鼠标快速滚动轴位或其他方位的二维图像，对图像进行快速浏览，如此可节约观察大量图像的时间，并易于评价复杂解剖结构所发生的病变，提高了病变的检出率。

（2）多平面重组：

是由容积数据重组为冠状面、矢状面乃至任何角度倾斜位的断面图像（图1-10a、b）。用于任意角度观察病变及其与周围解剖结构的关系。

（3）曲面重组：

需要在轴位、多平面重组图像或三维图像上勾画出欲观察曲面结构的中心线，应用相应的软件，即可生成曲面重组图像。曲面重组把走向弯曲的器官或结构拉直、展开，显示在一个平面上，从而能够观察某个器官或结构的全貌，如血管、支气管和牙列等（图1-10c、d）。

2.三维重组技术

三维重组技术包括 最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）、 最小密度投影（minimum intensity projection，MIP）、 表面遮盖显示（shaded surface display，SSD）和 容积再现技术（volume rendering technique，VRT）等。

（1）最大密度投影：

是将感兴趣容积内具有超过所规定阈值的最大CT值的体素，投影在一个方向上，所得图像即为最大密度投影（图1-10e）。投影的方向称为观察角。一个方向的MIP为二维图像，但应用多个观察角，即多方向的投影图像，通过旋转功能，即可连续从不同方位进行观察，从而产生三维立体效果。MIP广泛用于高密度组织结构的观察，如CT血管造影和肺部肿块等。其不足之处是不能同时显示周围结构，因而观察空间解剖结构的关系欠佳。

（2）最小密度投影：

与最大密度投影相反，是将感兴趣容积内具有低于规定阈值的最小CT值的体素，投影在一个平面上，所得图像即为最小密度投影。临床上用于气管、支气管的观察。

（3）表面遮盖显示：

首先用CT阈值的方法提取出欲观察的器官结构，然后应用软件以一虚拟光源投照在器官结构的表面，并依与光源的距离，计算出表面上各点的明亮度，则图像上器官结构的表面就出现明暗变化，达到三维立体显示的效果，犹如人物肖像（图1-10f、g）。SSD主要用于明确复杂解剖结构及其病变的空间结构关系，不足之处是不能同时显示其内部结构，且重组过程中有一定信息量的丢失。

（4）容积再现技术：

是向感兴趣容积内投照光线，然后以亮度曲线进行图像重组。其综合了SSD和MIP的优点，并且利用了全部体素的CT值，因此能重组显示器官结构的表面和内部情况。VRT还可通过调整亮度曲线和窗宽、窗位，达到不同的透明效果，通过设定伪彩编码则使图像更为逼真。例如，在胸部能以不同的色彩和亮度同时显示胸壁的肌肉、骨质、肺、支气管、肺血管及纵隔内的心脏和大血管等，因而图像清晰、立体感明显。

3.其他常用的后处理技术

其他常用的CT后处理技术还有 CT仿真内镜（CT virtual endoscopy，CTVE）、 分割功能（cutt ing function）、灌注参数图和能谱 CT 后处理技术等。

（1）CT仿真内镜（CTVE）：

是应用计算机软件，将容积扫描所获得的数据进行后处理，重组出空腔器官的内表面，并在观察中利用软件功能调整视屏距、视角及方向，从而达到观察结构的不断靠近和远离，产生类似纤维内镜的动态观察效果（图1-10h）。如行伪彩编码，则使内腔显示更为逼真。CTVE要求空腔器官与其内、外结构有较大的衰减系数差。目前，CTVE多用于观察气管、支气管、大肠、胃、鼻窦、喉、膀胱和主动脉及其主要分支。其中，应用最广泛的是仿真支气管镜和仿真结肠镜。

CTVE是非侵入性检查，安全而无痛苦，尤其适宜不能承受纤维内镜检查的患者。然而，CTVE并不能显示管腔内表面和腔内病变的真实颜色，亦不能进行组织活检。

（2）分割技术：

在三维重组时，常常用分割方法确定感兴趣容积。分割可采用切割线方法，亦可运用计算机软件方法。前者耗时，后者则能快速自动或半自动完成分割工作。在CT图像后处理中，分割功能应用广泛。如CTA检查时，去除骨结构；观察肺组织时，去除胸壁和纵隔结构；观察髋臼结构时，去除股骨头；在结肠成像时，去除结肠之外的组织结构等。

（3）灌注参数图：

是利用CT灌注软件，获得灌注检查层面内每一体素的时间-密度曲线，并依此曲线运用不同的算法（通常为去卷积算法）计算出多种灌注参数值，从而重新组成检查层面的各种灌注参数图，并以伪彩显示，如血流量图、血容量图、达峰时间图和平均通过时间图等。灌注参数图属于功能成像，可清楚、直观地反映组织器官及其病变的血流灌注情况和异常改变，有利于病变的检出、诊断和鉴别诊断。

（4）能谱CT后处理技术：

主要包括物质分离、单能量图像、能谱曲线和有效原子序数等，开辟了CT成像多参数分析和功能成像的新方向，为临床诊断提供了更多的信息。同时引入了最佳对比噪声比、直方图、散点图等，把能量信息转换成临床可应用的数据或图像。

三、CT图像特点和临床应用

（一）CT图像特点

CT图像是由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成。这些像素反映的是人体相应单位容积（即体素）的X线吸收系数，像素越小、数目越多，构成的图像越细致，空间分辨力越高。

CT图像上像素的影像灰度是人体组织器官对X线吸收程度的反映。密度高的组织器官对X线的吸收较多，在CT图像上呈白的影像，如骨骼和钙化；相反，密度低的组织器官对X线吸收较少，在CT图像上呈黑的影像，如肺和脂肪。人体内大部分软组织的密度差别相对较小，如脑、纵隔、肝、胆、胰、肾等，普通X线平片不能清晰显示，但CT具有较高的密度分辨力，能清晰地显示这些器官的解剖结构及其内部密度发生变化的病变组织。

CT图像除用不同的黑白灰度来表示组织器官的密度高低外，还用X线的吸收系数来表示密度的高低，这样就有了一个量化的标准。在实际工作中把吸收系数换算成CT值，单位为 亨氏单位（Hounsfield unit，Hu）。把水的CT值定为0Hu，人体内密度最高的骨皮质CT值为+1000Hu，空气的CT值为-1000Hu，人体内密度不同的各种组织CT值则位于-1000～+1000Hu的2000个分度之间。

如果CT图像用2000个灰度来表示2000个分度，则图像层次非常丰富，但是人眼不能分辨这些细微的灰度差别。一般人眼只能区分16个灰阶，为了使CT值差别小的两种组织能被分辨，必须采用不同的 窗宽（window width）和 窗位（window level）。窗宽是指图像上16个灰阶内所包括的CT值范围，在此CT值范围内的组织均以不同的模拟灰度显示。CT值高于此范围的组织，无论其密度多高均显示为白色，没有灰度的差别；CT值低于此范围的组织，无论其密度多低，均显示为黑色，也没有灰度的差别。具体窗宽的设置需依据所观察组织的CT值范围而定。例如，观察骨质结构窗宽取1000～2000Hu，观察软组织结构窗宽取300～400Hu。窗位是窗宽的中心点位置，同样的窗宽，窗位不同，其所包括的CT值范围不同。例如，取窗宽为100Hu，窗位为0Hu时，其CT值范围为-50～+50Hu；当窗位为+50Hu时，其CT值范围则为0～+100Hu。窗位一般应与所观察组织的CT值大致相等。例如，脑实质的CT值为+35Hu左右，颅骨的CT值为+300Hu以上，因此观察脑实质时可采用窗宽100Hu和窗位+35Hu，观察颅骨则采用窗宽1000Hu和窗位+300Hu。正常组织与病变组织间的密度差别较大时，用宽窗宽显示病变；当两者的密度差别较小时，则用窄窗宽显示病变。

CT图像是层面图像，为了显示器官和组织结构的全貌，需要多个连续的层面图像。使用CT设备的图像重组功能，可重组冠状层面、矢状层面和任意斜层面的图像，多角度观察器官和病变的关系。

（二）CT临床应用

1.CT检查的临床应用

CT检查由于具有高的密度分辨力和较高的空间分辨力及时间分辨力，而广泛用于身体各系统疾病的检查和诊断，其中包括头部、颈部、肺、纵隔、大血管、肝、胆、胰、脾、肾、肾上腺、子宫、卵巢、膀胱和骨关节系统的先天性病变、肿瘤和肿瘤样病变、炎性和创伤性病变的诊断和鉴别诊断。多层螺旋CT的应用，进一步拓宽了CT的应用领域，例如，心脏和冠状动脉的检查、胃肠道和前列腺病变的检查及器官的灌注检查等。此外，还可在CT导向下进行穿刺活检和介入治疗。

CT检查的不足和限度：①X线对组织有电离辐射作用，对人体有一定的损伤，射线量较X线摄影大；②CT增强扫描使用含碘对比剂，用量较大，有发生不良反应的危险，碘剂过敏者不能做增强扫描；③空间分辨力不及普通X线照片；④对一些部位和器官病变的检查效果不及其他影像学检查技术，例如，对胃肠道黏膜和功能性病变的显示不及胃肠道钡餐造影检查，对胆囊一些病变的显示亦不及超声那样方便和准确，对软组织的分辨力不如MRI；⑤CT是依据密度的差异区分正常和病变，当病变与正常组织密度相近或相等时，CT难以发现。

因此，临床选择CT检查时，应避免这些缺陷和不足，发挥其优势，进行合理的运用。

2.CT检查的注意事项

（1）合理选择 CT 扫描参数：

螺旋 CT 检查的主要扫描参数有层厚、 螺距（pitch）、观察野（field of view，FOV）、扫描电压和电流。这些参数的选用关系到其后重组CT图像的质量。应根据不同的检查目的，合理地选用这些扫描参数。例如，螺距的含意为X线管球旋转一周期间检查床移动距离与探测器宽度之比。因此，螺距增大，同样时间扫描，所覆盖的范围增大，但重组图像的质量有所下降，适合于短时间内观察大范围区域，如胸腹联合外伤的CT检查。检查较小器官如垂体和肾上腺时，则选用较小的FOV，即行所谓“靶扫描（target scan）”，有利于小病灶的检出。在肺癌普查和行仿真结肠镜检查时，运用低剂量的CT扫描，可在不影响诊断效果的前提下，降低患者的辐射剂量。总之，合理选用CT扫描参数是CT检查的关键之一。

（2）合理运用CT图像显示技术：

CT图像是计算机重组的灰阶图像。因此，在显示屏上观察CT图像要运用窗技术（window technique），包括窗宽和窗位的选择。增大窗宽，图像上组织结构的层次增多，而组织结构间的对比度下降，不利于与周围组织密度差别小的病变显示，反之亦然。提高窗位图像变黑，降低窗位则图像变白。因此，根据检查部位和显示要求等具体情况在显示屏上合理地调节窗宽和窗位，是检出病灶和显示其特征的关键。当CT图像摄为照片时，窗宽和窗位即被固定，而不能调节。

（3）合理运用CT图像后处理技术：

CT图像后处理技术的种类繁多，但并非每一例CT检查均需应用这些技术。通常根据临床要求、检查目的和轴位图像上病灶显示的情况，适当合理的选用一种或综合几种后处理技术。例如，CTA检查时可选择MIP和分割去骨技术，行颌骨检查时选择CPR技术，而观察腹腔肿块和周围血管关系时，则可选择SSD或VRT技术，冠状动脉CTA检查则需应用MIP、分割功能和CPR等技术。

（4）合理应用CT增强检查的对比剂：

CT增强检查时，除选择对比剂的类型和浓度外，所用对比剂的剂量、注入速度和扫描延迟时间均与增强检查的效果密切相关。通常是依据检查的器官和检查目的，对上述条件进行选择。例如，主动脉及其主要分支的CTA检查，要求注入对比剂的剂量和注射流率能使主动脉内对比剂达到一定的浓度，并在适当的延迟时间开始扫描，在主动脉内对比剂浓度达峰期间完成检查，否则将影响CTA的检查效果。肝和肾的CT增强检查，同样要求应用合理的对比剂剂量、注射流率，并需在不同的延迟时间行多期增强扫描，如此可提供更多的诊断信息。