第三节　螺旋CT

一、单层螺旋CT

与非螺旋CT相比，单层螺旋CT设备结构主要是利用了滑环技术，去除了CT球管与机架相连的电缆，球管探测器系统可连续旋转，并改变了以往非螺旋CT的馈电和数据传导方式，使CT扫描摆脱了逐层扫描的模式，从而提高了CT扫描和检查的速度。由于螺旋CT扫描时检查床连续单向运动，球管焦点围绕患者旋转的轨迹类似一个螺旋管形，故称为螺旋扫描。

在螺旋式扫描方式中，有两个基本概念是必须提及的，即螺距和重建增量。

螺距（pitch）是螺旋CT扫描方式特有的、与图像质量相关的参数。它的含义是：扫描旋转架旋转一周期间检查床运行的距离与层厚或准直宽度的比值。它是一个无量纲的量，是检查床运动距离和层面曝光的百分比。根据IEC（international electrotechnical commission，IEC）说明，螺距的定义由公式1-3-1表示：

式中TF（table feed）是扫描旋转架旋转一周期间检查床运行的距离，单位为mm；W是层厚或射线束准直的宽度，单位也是mm。

重建增量（reconstruction increment）的定义是：被重建图像长轴方向的间距。重建增量有时也被称为“重建间隔”（reconstruction interval）或“重建间距”（reconstruction space）。

螺旋CT与非螺旋CT的一个重大区别是区段采集和逐层采集，由于螺旋CT采集的数据是连续的，所以可以在扫描区间任意位置重建图像。通过采用不同的重建增量，可确定相邻被重建图像的间隔或层面重叠的程度。重建增量与被重建图像的质量有关，即不同程度的重叠重建，可使三维等后处理图像的质量改善。

二、4层螺旋CT

单层螺旋CT的探测器阵列与非螺旋CT相比基本没有变化。4层螺旋于1998年由4家CT设备制造商同时推出。与单层螺旋CT相比，其硬件方面的主要改进是探测器阵列排数和数据采集通道有所增加，使CT扫描机架一次旋转可同时得到4层图像，并且扫描覆盖范围也相应增加。

（一）4层螺旋CT的探测器

与单层螺旋CT不同，4层螺旋CT的探测器材料采用了辐射转换效率高的稀土陶瓷闪烁晶体组成，与光电二极管一起共同组成探测器阵列。以前固体探测器材料的辐射总转换效率是50%～60%，而改用稀土陶瓷材料后，辐射的总转换效率可达到99%。

由于探测器排数的增加，各厂商设计的4层螺旋CT探测器排数也由此各不相同，其结果不仅影响了层厚的大小和组合，同时也影响了螺旋CT扫描重要技术参数螺旋的计算表达方式：

1.Toshiba公司的4层螺旋CT有34排探测器，其中0.5mm 4排，1.0mm 30排，机架旋转一周最大覆盖范围为32mm。

2.GE公司采用16排1.25mm的等宽探测器，机架旋转一周最大覆盖范围为20mm。

3.Philips（Picker）和Siemens公司采用 8排1～5mm的探测器，包括四对1mm、1.5mm、2.5mm、5mm的探测器，机架旋转一周最大覆盖范围为20mm。

根据各家厂商4层螺旋CT探测器的排列方式，大致可分为两种类型：等宽型和不等宽型探测器阵列。GE属于典型的等宽型探测器排列，Philips（Picker）和Siemens属于典型的不等宽型探测器排列，Toshiba的探测器阵列排列方式应该也属于不等宽型，但有部分观点认为也属于等宽型。

两类不同排列组合的探测器阵列各有利弊。等宽型探测器排列的层厚组合较为灵活，但是外周的四排探测器只能组合成一个宽探测器阵列使用，并且过多的探测器排间隔会造成有效信息的丢失。不等宽型探测器的优点是在使用宽层厚时，探测器的间隙较少，射线的利用率较高，因为无法产生数据的探测器间隙只有7个，缺点是层厚组合不如等宽型探测器灵活。

4层螺旋CT与单层螺旋CT相比，旋转一周扫描覆盖的范围比单层螺旋扫描有所增加，每旋转一周的扫描时间也缩短至0.5秒，纵向分辨率也有所提高，但4层螺旋CT扫描还未真正达到各向同性，根据厂商公布的数据，其平面内（横向）分辨率为0.5mm，纵向分辨率则为1.0mm。

（二）4层螺旋CT的数据采集通道

单层螺旋CT或以前的非螺旋CT机，通常只有一个数据采集通道，其与模数转换器等组合称为数据采集系统（data acquisition system，DAS），而 4层螺旋CT由于需同时采集4层数据的需要，数据采集通道增加到4个。工作时根据层厚选择的需要，通过位于数据采集系统上电子开关的关闭和导通，进行不同的组合，最后形成数据采集的输出。4层螺旋CT的DAS在工作时，长轴方向的探测器形成四个通道同时采集数据，每一个数据采集通道可只接收一排探测器阵列的扫描数据，也可以将数排探测器阵列的扫描数据叠加后等于一组数据输出，虽然各厂家探测器排数都超过4排，有的甚至达到8倍，由于总共只有4个数据采集通道，其最终获得的扫描层数最多只能为4层。

（三）4层螺旋CT的技术改进

4层螺旋CT的探测器由8排以上组成，其成像过程以及参数方面与单层、双层螺旋CT相比也有所不同，主要的差别有以下几个方面：准直器的使用、射线束的宽度和螺距。

X线束由前准直器准直后，经被扫描物体的衰减投射于多排探测器阵列。对单排探测器而言，其射线束的宽度等于扫描所得的层厚宽度，但在多排探测器扫描时，扫描射线束的宽度并不决定扫描后得到的层厚，其最后所得的层厚而是由所使用的探测器宽度决定。如一次多层螺旋扫描，采用的射线束宽度为8mm，投射到四排探测器上可以是4层2mm的层厚，或者是两层4mm、一层8mm的层厚。从理论上说，如果不考虑探测器阵列的间隙，所采用的探测器排的宽度等于扫描所得的层厚，并可以用公式1-3-2表示：

上式中d是层厚或探测器的宽度，D是射线束宽度，N是所使用探测器的排数。在单层螺旋CT中射线束的宽度等于探测器的宽度，而在多层螺旋CT中探测器的宽度只等于1/N射线束的宽度，理论上这种扫描射线束的应用，增加了扫描的覆盖率。一般而言，探测器的排数越多，扫描覆盖范围越大。

4层螺旋CT中由于探测器排数的增加，X线的辐射形状也必须做相应的改变。在单层螺旋扫描中，从X线管发出的射线束在z轴方向呈扇形，而垂直于z轴方向则是一个很窄的射线束（与所选层厚相等），称之为扇形束；在多层螺旋扫描中，由于z轴方向探测器排数增加，垂直于z轴方向的射线束必须增宽，以覆盖增加的探测器阵列，这种射线束形状被称之为“小锥形束”。小锥形束在z轴方向增加了辐射的距离，并且射线倾斜的角度也相应增大，与单层螺旋扫描相比，图像重建的内插算法也必须相应随之改变。

（四）4层和4层以上螺旋CT的螺距

在单层螺旋扫描中，螺距（P）的计算方法较为简单、明了，即射线束宽度（或层厚）与扫描一周检查床移动距离的比值，而多层螺旋CT中由于计算方法的不同，使螺距计算的结果有所不同。4层螺旋CT问世后，曾经使用的多层螺旋CT螺距计算方法和名称有两种：准直螺距和层厚螺距（collimation pitch & slice pitch）。

准直螺距（又称螺距因子、射线束螺距）的定义是：不管是单层还是多层螺旋CT（与每次旋转产生的层数无关），螺距的计算方法是扫描时准直器打开的宽度除以所使用探测器阵列的总宽度。如Siemens的16层螺旋CT每排探测器的宽度为0.75mm，当准直器宽度打开为12mm时，16排探测器全部使用，则此时的准直螺距为1（16 × 0.75mm = 12mm，12mm/12mm = 1）。又如4层螺旋CT时，准直器打开宽度为10mm，准直射线束宽度为10mm，使用两排5mm的探测器，此时螺距同样为1。上述螺距计算的特点是不考虑所使用探测器的排数和宽度，与单层螺旋CT螺距的计算概念相同，同样由于螺距变化对图像质量的影响因素也相同。

层厚螺距（又称容积螺距、探测器螺距）的定义是：扫描机架旋转一周检查床移动的距离除以扫描时所使用探测器的宽度，并且乘以所使用探测器阵列的排数。如4层螺旋CT使用2排5mm的探测器，检查床移动距离10mm，准直射线束宽度为10mm，则层厚螺距为 2（10mm/10mm = 1，1 × 2 = 2）。又如4层CT扫描时机架旋转一周检查床移动30mm，准直射线束宽度20mm，采用4排5mm的探测器阵列，则层厚螺距为 6（30mm/20mm = 1.5，1.5 × 4 = 6）。后一个例子如按照准直螺距的计算方法应该是1.5，即30mm/20mm = 1.5，层厚螺距的特点是着重体现了扫描时所使用探测器的排数。

三、16层螺旋CT

16层螺旋CT在2002年的北美放射年会上被推出，其最大的改变是探测器阵列的排数和总宽度增加，其次机架旋转一周的扫描速度也相应缩短为0.42秒，最短为0.37秒。在4层与16层之间，某些厂商还曾推出8层螺旋CT，因从技术层面的特点不明显，故此处从略。

（一）16层螺旋CT的探测器

以两家CT机生产厂商为例，由Siemens公司推出的16层CT机的探测器阵列仍为不等宽型，探测器阵列中间部分为16排宽度均为0.75mm的探测器排组成，两侧各有1.5mm宽的探测器4排，总共24排探测器，探测器阵列总宽度为24mm，或一次旋转最大覆盖范围为24mm。每排探测器数量为672个，总共有探测器数量是16 128个。GE公司推出的16层CT机的探测器阵列也改为不等宽型，探测器阵列中间部分为16排宽度为0.625mm的探测器，两侧则各排列1.25mm宽的探测器4排，总计探测器排数也是24排，探测器阵列总宽度为20mm，一次旋转最大覆盖范围为20mm。每排的探测器数量为880个，探测器的总数为21 120个。

（二）16层和16层以上螺旋CT的图像重建

16层和16层以上螺旋CT的图像重建由于探测器排数增加和z轴方向的宽度增加与单层及4层螺旋CT差别较大，4层螺旋CT的图像重建可基本不考虑锥形束效应，而16层以上都采用将锥形束边缘部分射线一起用于成像的计算，故此处简单地将四家厂商的图像重建方法列出，以供参考。

1.自适应多平面重建（adaptive multiple plan reconstruction，AMPR）的方法是将螺旋扫描数据中两倍的斜面图像数据分割成几个部分。重建时，各自适配螺旋的轨迹并采用240°螺旋扫描数据。经过上述的预处理后，最终图像重建的完成还需要在倾斜的、不完整的图像数据之间采用适当的内插计算。采用AMPR重建方法后其内插函数的形状、宽度均可自由选择，像4层CT中的自适应z轴内插方法一样，AMPR方法也实现了扫描螺距自由可选，并且层厚的变化与螺距无关。

2.加权超平面重建（weighted hyperplane reconstruction）的概念有点类似AMPR的方法，但起始步骤有些不同。先将三维的扫描数据分成一个二维的系列，然后采用凸起的超平面作区域重建。如先收集全部投影数据中的1～9，然后再2～10、3～11，最后再将所有扫描数据加权平均处理。经过参数优化后，可获得良好的噪声、伪影和层厚响应曲线形状的图像。

3.Feldkamp重建算法是一种近似序列扫描三维卷积反投影的重建方法。该方法是沿着扫描测量的射线，将所有的测量射线反投影到一个三维容积，以此计算锥形束扫描的射线。三维反投影方法对计算机的要求较高，需配置专用的硬件设备来满足重建速度的要求。

（三）迭代重建技术

2009年的北美放射年会后，一些高端CT制造商相继推出了新的图像重建方法——迭代重建。迭代重建算法其实在CT发明初期已曾经用过，由于该重建算法计算复杂，反复迭代需采用数学模型，并需要运算速度快的计算机支持，最终未投入市场使用。由于近年来计算机技术的迅速发展，以及多层螺旋CT应用辐射剂量较高的原因，CT生产厂商纷纷推出了经过改良的迭代重建算法，并应用于各自新开发的CT上。迭代重建的最大优点是，通过反复多次的迭代可降低辐射剂量并可相应减少伪影，根据不同的应用一般可降低辐射剂量30%～70%。各公司不同的迭代算法名称分别是，GE：自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）及基于模型的迭代重建（MBIR）；Siemens：图像空间迭代重建（iterative reconstruction in image space，IRIS）及原始数据域迭代重建（SAFIRE）；Toshiba：自适应低剂量迭代（adaptive dose reduction iterative，ADIR）；Philips：iDose。

四、64层及以上螺旋CT

2003年后各大CT机生产厂商相继推出了64层螺旋CT产品，与16层螺旋CT比较，技术层面尤其是硬件技术的改进不是很多，期间还包括了32层和40层多层螺旋CT。64层多层螺旋CT的主要变化是滑环旋转一周的速度提高（最短0.33秒），一次扫描层数增加和覆盖范围加大，另外图像质量和各向同性的分辨率又有提高，x轴、y轴和z轴分别达到0.3、0.3和0.4，其主要的技术参数改变见表1-1-1。

64层螺旋CT的探测器阵列在大部分厂家如Toshiba、GE、Philips探测器阵列的排列为64排，但也有例外，如Siemens公司的64层螺旋CT（图1-3-1），其探测器阵列为40排，中间部分的32排每排探测器的宽度为0.6mm，两侧各4排每排探测器的宽度为1.2mm。扫描时采用z轴飞焦点双倍采样技术（图1-3-2），使用探测器阵列中间的32排探测器，曝光的同时在两个焦点之间瞬间变换，结果一次采样同时获得两组扫描原始数据，最终使一周旋转得到64层图像。

五、双源CT

双源CT是2005年Siemens推出的新型CT扫描仪，它的基本结构秉承了64层CT的设计，仅在X线管和探测器系统作了大胆的创新，由沿袭使用的一个X线管、一组探测器系统，改变成了双X线管和双探测器系统，使CT的检查无论从扫描的速度和扫描仪的功能定位（可利用两种不同的辐射能做一些功能性的检查，以往CT基本只能做形态学的检查）都大大前进了一步。

双源CT的X线管仍采用电子束X线管（Stra-ton tube），单个X线管的功率为80kW。常用部位的扫描速度为0.33秒，一次连续曝光螺旋扫描的最大扫描范围（采集范围）为200cm。扫描机架孔径为78cm（通常为70cm），各向同性的空间分辨率≤0.4mm，使用高分辨率技术时极限空间分辨率可达到0.24mm。

双源CT的X线管和探测器系统与64层CT相同，但两套采集系统同置于扫描机架内，X线管之间相隔的距离为90°。一套扫描系统的扫描野为50cm，另一套扫描系统主要用于中心视野，扫描野为26cm。两套X线发生器系统由一个一体化的高压发生器控制，并可分别调节两套系统的kV和mAs。

双源CT的两个X线管既可同时工作，也可分别使用。当心脏成像、双能减影和全身大范围扫描时，可采用两个X线管同时工作，而一般的扫描只用一组X线管探测器系统工作。

双源CT在用于心脏成像时可比64层CT减少一半的扫描时间。目前Siemens CT的心脏成像基本采用180°的扫描数据重建算法（单扇区重建），即如果机架旋转一周时间为0.33秒，则心脏成像的时间分辨率可达165ms（0.165秒）。在双源CT中，由于两个X线管可同时工作，其实际扫描时间又可减少一半达83毫秒（双源CT旋转一周为0.33秒）。另外，在心脏图像重建的方法中，除降低机械扫描时间外还可采用多扇区重建方法提高时间分辨率。

双源CT的另一个性能特点是可利用两个X线管发射不同的能量（即设置不同的千伏值，如140kV和80kV）。两种不同的能对不同的物体其衰减不相同，如骨骼和对比剂在80kV时，骨骼的CT值为670HU，对比剂为296HU；当能量提高为140kV时，骨骼的CT值降低为450HU，而对比剂降低为144HU。利用两种不同的能量，根据目前临床试验的初步结果，它的临床意义主要表现在以下几个方面：

1.识别某些物质，如钙、碘、尿酸等。

2.在血管CT成像中自动去骨，去除血管壁上的钙化，显示血管的真实管径。

3.在使用对比剂的情况下，调整keV使某些组织的显示效果提高。

4.去除金属伪影。

在Siemens新一代双源CT（Somatom Def i nition Flash）中，另一个X线管的扫描野改为了35cm，并且不像以前的双源CT，在所有的扫描部位和各种检查方式中，两个X线管都能同时使用。在冠脉和心脏的检查中。最短扫描旋转时间也缩短为0.28秒，通过使用z轴飞焦点扫描机架旋转一周，可获得128层图像。在双能成像时，对高能X线束使用锡滤过，使两个能谱分离度提高，可以提高物质的检出效率。

六、多层螺旋CT的进展

2007年的北美放射学年会，多家厂商宣布推出128层、256层以及320/640层多层螺旋CT扫描仪等，使多层螺旋CT发展进程的步伐又迈出了坚实的一步。

128层的商品名是Def i nition AS，由Siemens公司推出。它沿袭了Siemens 64层螺旋CT的设计理念，X线管仍采用电子束X线管（Straton tube），发生器功率为100kW，机架开口的孔径为78cm。探测器阵列纵向的排列方式为等宽64排，单个探测器宽度为0.6mm，纵向探测器阵列的总宽度为38.4mm。128层的采集方法仍采用z-sharp飞焦点技术，即利用64排物理探测器阵列通过曝光时焦点位置的瞬间变换，获得双倍的层面采样，机架扫描一周最短时间缩短至0.30秒。在扫描功能上除了64层已有的功能外，在Definition AS上开发了螺旋动态扫描方式，螺旋动态扫描最大覆盖范围为27cm。

256层由Philips公司推出，商品名为Brilliance iCT。Brilliance iCT探测器的物理排数为等宽128排，单个探测器的宽度为0.625mm，探测器阵列纵向的宽度为80mm。扫描机架旋转部分采用了气垫轴承技术，使旋转一周扫描时间缩短至0.27秒，心脏成像时的时间分辨率可达34毫秒。值得一提的是，Philips的256层螺旋CT成像也采用了飞焦点技术，使128排的物理探测器阵列通过z轴双倍采样，获得了旋转一周256层图像的结果。在心脏冠状动脉成像方式中，256层CT可采用螺旋或非螺旋扫描方式，两种方式的机架旋转时间都是0.27秒，螺旋扫描可使用全部80mm的探测器，但相对而言，非螺旋扫描的图像质量较高和辐射剂量较低。动态扫描最大覆盖范围为40cm，动态连续扫描时间为20秒。

320层是目前CT扫描仪中探测器排数最多的CT机，由Toshiba公司在2007年北美放射年会上推出，2010年320层CT又升级为640层CT，该机的商品名称为Aquilion One。Aquilion One CT探测器阵列物理排数也为等宽并且达到320排，每排探测器的宽度沿用Toshiba公司的设计风格为0.5mm，因此该款机型探测器阵列纵向的物理总宽度达到160mm，扫描机架旋转一周的最短时间是0.35秒。在冠状动脉扫描成像方式中，Aquilion One一般采用非螺旋扫描模式，由于160mm足够覆盖整个心脏，故在心率控制良好的情况下，一次旋转就能完成整个心脏图像的采集。心脏成像的图像重建方式根据心率的变化有单扇区（180°）、双扇区（90°）、3扇区（60°）以及5扇区（36°）。在螺旋扫描方式中，由于大探测器阵列的福射剂量、对比剂注射流率和高速床移动的原因，320层CT只采用了其中的64排探测器阵列，即32mm的物理覆盖宽度。2010年升级为640层后，探测器阵列的总宽度和探测器的排数不变，通过扫描时z轴上通道的动态偏置达到双倍采样的目的，最终使扫描机架一次旋转获得双倍640层的图像。同时，在螺旋扫描方式中改变为采用中间的160排探测器（160 × 0.5mm），使该机螺旋扫描一次旋转的覆盖范围增加到了8cm。

GE公司在2008年推出Discovery CT 750 HD。该机的基本配置为64排的探测器阵列，扫描机架旋转一周的最短时间为0.35秒，但其在X线管、探测器材料和高压发生器上作了重大的改进，配以该机的专用成像软件，可实现能谱成像。在X线管方面将传统的双灯丝改为了单灯丝设计，并可在扫描的同时实行动态变焦（dynamic focal spot）；在探测器材料的选择上，采用了宝石分子结构的材料，与其他稀土陶瓷材料相比，其通透性增加约100倍，清空速度增加约4倍，因而提高了图像的分辨率；得以实现能谱成像的另一个重要技术是高压发生器的改变，该CT的高压发生器可在瞬时变换两种高（140kVp）、低（80kVp）不同的能量，变换周期为0.5毫秒。在以后推出的新iCT中，利用动态变焦技术，该机在机架一次旋转后可获得128层图像。在临床应用方面，能谱成像（gemstone spectral imaging，GSI）可在40～140keV的范围内，生成101种单能谱辐射，并形成两种基物质图像（水基图像和碘基图像），在基物质图像的基础上，可对人体多种组织进行分析。基于GSI技术，该机还可用于体内金属植入物伪影的有效去除，如髋部的金属内固定物和金属材质的义齿等产生的伪影，该机用于去除金属伪影的软件被称为“MARS”（multi artifacts removal system）。另外，该机的图像重建还采用了改进的统计迭代重建方法（advanced statistical iterative recon-stmction，ASIR），使 CT成像的剂量得以进一步降低。