第二节　计算机体层扫描成像

计算机体层扫描成像（computed tomography，CT）是利用X线束围绕人体旋转扫描取得信息，经计算机处理获得断层图像。CT扫描装置是由英国工程师Hounsfield于1969年设计成功，它开创了数字化成像之先河，成为医学影像学发展史上的又一重要里程碑，改变了传统的成像方式，避免了X线成像结构的相互重叠，大大地提高了密度分辨率，扩大了人体检查范围，提高了病变的检出率和诊断的准确率。1979年Hounsfield与CT理论奠基人Cormack共获Nobel生理学或医学奖。

一、计算机体层扫描成像原理

CT装置由三部分组成：①扫描部分：由X线管、探测器和扫描机架组成；②计算机系统：完成数据的运算及后处理；③图像的输出部分：将计算机重建、处理的图像显示在显示屏或经打印机输出到胶片或存储于设备中。（图1-2-5）

CT成像由以下步骤完成：①由X线管发出X线，经准直器调节厚度成为X线束，围绕人体检查部位进行旋转断层扫描。②X线穿过人体后，由探测器接收该层面的X线，经光电转换为电信号，再由模/数转换器将模拟电信号转换为数字信号，送至计算机处理。将选定层面分成一定数目、具有相同体积的立方体，即体素（voxel），当扫描时X线从多个方向透过体素而得到大量数据，经计算而获得每一体素的X线衰减系数或称吸收系数，此系数反映各体素的物质密度，再排列为矩阵，即构成该层面组织衰减系数的数字矩阵（digital matrix）（图1-2-6），此数据即为CT的原始数据（raw data）。③计算机将原始数据经对比增强器、数/模转换器，依其数值不同转换为不同灰度的方形单元，即像素（pixel），像素仍按原有矩阵排列即构成了CT图像数据。④CT图像数据经计算机图像浏览软件显示，或将图像传至激光照相机打印。（图1-2-7）

早期的CT装置是步进式扫描，即扫描时检查床（患者）为静止状态，完成一次采集后，检查床移动一定距离，在静止状态再进行一次扫描，其扫描时间较长，空间分辨率也低。

1989年设计出螺旋扫描CT机（spiral CT，SCT），即X线管与探测器围绕人体检查部分进行连续旋转扫描，在扫描的同时检查床沿纵轴连续移动，球管相对于人体呈螺旋式运动轨迹，因此称为螺旋式扫描。其特点是扫描无间隔时间，扫描速度明显提高，已取代了传统步进式扫描机，现已得到普遍使用。

目前的螺旋CT机在软硬件方面均有了大幅度的提高。主要体现在：①在硬件方面采用锥形X线束和多排探测器，球管旋转一周可得到多层CT图像，即多层螺旋CT（multislice spiral，MSCT）。②探测器数量可达到320排，旋转一周覆盖范围可达到16cm。③扫描速度显著提升，球管每周旋转时间仅需0.21秒。④采用特殊物质的探测器使得灵敏度显著提高，余辉效应明显降低，叠代重建算法等新技术使低剂量、低辐射扫描逐渐应用于临床，为CT普查创造了条件。⑤双球管双探测器设计提高了容积成像、动态成像等CT功能。⑥利用双球管双电压或一个球管不同电压瞬时切换使能谱CT进入临床实用阶段，从而为更进一步判断病变性质提供帮助。

二、计算机体层扫描检查技术

计算机体层扫描检查技术包括收集原始数据的扫描技术和对原始数据进行再处理的后处理成像技术。

（一）扫描技术

计算机体层扫描以横断面（轴位）扫描为主，仅有极少数部位采用冠状位扫描，如垂体、副鼻窦。扫描方法主要有CT平扫、增强扫描、CT造影、CT灌注成像；成像技术主要有丰富的图像后处理技术。

1.CT平扫　是指不注入对比剂的普通扫描，一般检查均需平扫。其中包括两种特殊的扫描方式，即靶器官放大扫描和高分辨率扫描（high resolution CT，HRCT）。前者是对感兴趣区进行局部放大扫描，以便更好地显示局部结构或病变。常用于内耳、垂体以及肺部小结节等小器官、小病灶的检查。后者是指采用薄层扫描（＜2mm）、高毫安、高分辨率算法重建等方法，可以获得良好空间分辨率的CT图像。主要用于显示小病灶以及器官病变的微细结构。（图1-2-8）

2.增强扫描　是经静脉注入对比剂（如水溶性碘剂）后再进行扫描的方法（图1-2-9）。由于对比剂进入血液循环后，可使器官与病变的密度形成差别，有利于病灶的显示，并可以判断其血供情况，以利于检出病灶和病灶的定性诊断。对比剂的注射方式主要采用团注法（bolus injection），即在短时间内将50～100mL对比剂迅速注入静脉内。扫描方法可分为常规增强扫描、动态增强扫描（随时间推移进行多次扫描以得到时间-密度曲线）、多期增强扫描（如肝脏的动脉期、门静脉期、平衡期扫描）及延迟期增强扫描（注射对比剂后延迟一定时间的扫描）等。

3.CT造影　主要对器官或结构先行造影，然后进行的扫描技术，临床应用较少。如CT脊髓造影（CT myelography，CTM）。

4.CT血管成像（CT angiography，CTA）　是静脉注射对比剂后的血管成像技术，通过后处理技术如最大/最小密度投影（MIP）、容积再现技术（VRT），去除骨骼或软组织后得到血管图像，主要用于血管（动脉）成像，如冠状动脉、颅内动脉或外周动脉（图1-2-10），也可用于静脉成像。

5.CT灌注成像（CT perfusion imaging）　是经静脉团注对比剂后，对受检器官或组织进行连续扫描，获得灌注参数（时间-密度曲线、血流量、血容积等），以了解正常或病变组织的微循环和血流灌注状况，主要用于全身各部位实体性肿瘤的鉴别诊断、恶性程度判断和治疗效果评估，急性脑缺血的诊断（图1-2-11），以及肝硬化、急性胰腺炎、肾功能等的影像评价。

（二）图像后处理技术

1.图像的再重建（retrospective reconstruction）　为显示病变细节或特征，或避免容积效应，可以利用原始数据改变层厚、重建卷积、滤波函数等多种参数，重建出新的轴位图像以满足诊断要求。需要注意的是扫描时探测器的前置准直宽度应符合要求。

2.多平面重组（multi-planner reformation，MPR）　是利用图像数据将扫描范围内的图像叠加在一起，进行冠状面、矢状面或任意角度的重组。与横断面图像相结合，丰富了空间立体效果，常作为横断面图像的补充（图1-2-12）。

为将一些弯曲结构或病灶全景显示，可采用曲面多平面重组（curved multi-planner reformation，CMPR），即沿器官或病变不在同一平面的走行画一条曲线，沿该曲线做多平面重组，能将弯曲的结构拉直、展开在一个平面上，有助于显示该结构的全貌。大多应用在走行弯曲、复杂的结构，如迂曲的血管、颌面骨等（图1-2-13）。

3.再现技术（rendering technique）　包括SSD、MIP、VRT等。

（1）表面遮盖显示法（shaded surface display，SSD）　根据欲观察内容设定CT值阈值，在阈值以上的体素才被用于重组，形成显示组织表面形态的三维立体图像，并可作多方位、多角度旋转。其优点是立体感强，解剖关系清楚。被广泛用于骨关节、心血管成像，可以逼真地显示骨骼、心脏等的空间解剖关系。其不足是忽略了内部结构及细节的显示。

（2）最大密度投影（maximum intensity projection，MaxIP）和最小密度投影（minimum intensity projection，MinIP）　MaxIP和MinIP统称为MIP，是运用透视法获得的二维图像，即通过计算沿着被扫描物体每条射线上保留最大或最小密度像素，并被投影到一平面上形成的图像。MaxIP主要用于高密度组织图像的后处理或采用高密度对比剂时的成像，如CTA（图1-2-13A）、CT尿路成像（CT urography，CTU）等；MinIP则用于低密度组织图像的后处理，如气管支气管树的成像或不使用对比剂的胆胰管成像等。

（3）容积再现技术（volume rendering technique，VRT）　是将扫描范围内全部体素的容积数据进行投影，以不同的灰阶显示出来，或加上伪彩色编码，或不同程度的透明化技术，使表面与深部结构同时显示出来，还可以根据病情需要，利用计算机技术进行任意旋转、切割被遮盖部分等。VRT利用了容积中的全部信息量，是三维成像技术中最为复杂的技术，常被称为“活体解剖成像”。主要用于骨骼、支气管、肺、心脑血管等成像，图像清晰逼真，非常直观地反映了空间位置关系及形态轮廓等，但测量数据时存在一定误差，需结合横断图像测量（图1-2-14）。

4.仿真内镜技术（CT virtual endoscopy，CTVE）　是容积数据与虚拟现实（virtual reality）技术结合的产物，如管腔的导航技术或漫游技术可模拟内镜的检查过程，并进行伪彩色编码，使腔内显示更接近于内镜图像，但不能进行活检，故称为仿真内镜。管腔器官都可以进行仿真内镜成像，无痛苦，易被患者接受，但成像仍显粗糙，易出现伪影（图1-2-15）。

三、计算机体层扫描图像的特点

1.计算机体层扫描图像是数字化成像　由一定数目、不同灰度的像素按矩阵排列所构成的灰阶图像，这些像素反映的是相应体素的X线吸收系数。体素的大小与数目决定了图像的细致度，像素越小、数目越多，图像越细致，空间分辨率就相对较高。

2.密度分辨率高　明显高于普通X线成像。CT图像反映器官和组织对X线的吸收衰减程度，因此具有黑白灰度的差别，即黑影表示低密度区，如肺、含气的肠道，白影表示高密度区，如骨骼、钙化组织等。同时，CT不仅能显示不同灰度的组织，也能进行定量分析组织的密度，通常是将物质对X线的吸收系数换算为CT值来表示密度，单位为HU（Hounsfield unit）。

通常将人体中最高密度的骨皮质CT值设为+1000HU，空气为-1000HU，水的CT值为0HU，人体内不同密度的组织分别居于-1000～+1000HU之间。人体内不同组织具有不同的CT值，某一组织（或病灶）的CT值通常介于一定数值范围内，而并非惟一固定数值，比如新鲜血肿的CT值在70～90HU之间，这与其成分、CT装置有关（图1-2-16）。还应注意，测量CT值时应测量一定区域内即“兴趣区”（ROI）的平均CT值，而非一个点（像素）的CT值，以避免系统误差。

在CT图像上要清楚显示病灶与器官组织，需选用合适的窗位与窗宽，同一部位可采用多个窗位、窗宽，这种技术称为窗技术。窗位（window level，L），亦称窗中心（window center，WC），一般为所要观察组织的CT值。窗宽（window width，WW）是以窗位为中心所覆盖的CT值范围。如观察脑组织时，选择窗位为35HU、窗宽为80HU，此时显示的CT值范围为-5～+75HU，即大于+75HU以上的组织均显示为白影，低于-5HU均显示为黑影。

人的肉眼仅能分辨16个灰阶分度，因此，其内CT值相差5HU（80HU/16）即有灰度差别，即组织间密度差需大于5HU时才可分辨；如果增大窗宽至160HU，虽然扩大了观察范围，但组织间的密度差却需要超过10HU（160HU/16）才能被检出。因此，选择适当的窗宽、窗位是CT图像能满足诊断要求的必要条件（图1-2-17，图1-2-18）。

3.计算机体层扫描图像是断层成像　CT图像避免了平片上组织结构的重叠，从而可发现较小的病灶，提高了病变的检出率和诊断的准确率。但一定层厚的图像具有部分容积效应。

CT图像上每个像素的CT值代表相应体素的密度，如该体素包含两种以上组织结构时，其CT值不能如实反映其中任何一种组织的密度，即产生部分容积效应。对直径小于层厚的小病灶，其密度测量存在较大误差。最好的克服方法是薄层扫描或薄层重建，其中总有一层面完全通过此病灶，从而得到真实的病灶密度（图1-2-19）。

四、计算机体层扫描成像的临床应用与检查限度

（一）计算机体层扫描成像的临床应用

计算机体层扫描成像检查已在临床广泛使用，可应用于全身各系统疾病的诊断，并能用于急诊。

1.中枢神经系统　对大多数颅脑及脊柱的疾病诊断有较大价值。脑血管CTA具有无创性的检查优势；对于椎管内脊髓的病变、颅底及后颅窝病变的显示不如MRI。

2.头颈部　可用于眼及眼眶肿瘤、内耳及乳突病变、鼻腔与鼻窦肿瘤和炎症、鼻咽肿瘤以及喉部肿瘤的定位和诊断，对听小骨及内耳骨迷路的三维显示也较清晰。

3.胸部　可用于观察肺、纵隔、胸膜及胸壁、心包及主动脉等疾病。低辐射剂量CT扫描可用于肺癌的普查，有利于发现早期肺癌。薄层高分辨率扫描可清晰显示肺间质结构，对肺间质疾病诊断具有重要意义。

4.心血管系统　可用于冠状动脉病变、大血管及周围血管病变、瓣膜病变、心肌病以及先天性心脏病等。其中冠状动脉CTA可作为冠心病的无创性影像学筛查。同时，主动脉CTA也用于主动脉瘤、主动脉夹层以及主动脉先天畸形的诊断方面。

5.腹部及盆腔　可用于肝脏、胆道、胰腺、脾脏、肾脏、肾上腺、胃肠道、腹腔、腹膜后及盆腔器官疾病的诊断，尤其是肿瘤、炎症及外伤等，对于确定病变位置、范围以及与邻近组织结构的关系，淋巴结有无肿大，胃肠道病变向腔外侵犯情况等具有重要价值。对于胃肠道腔内病变的CT诊断应密切结合胃肠道钡剂检查、内镜检查以及病理活检结果，避免误诊、漏诊。

6.骨骼肌肉系统　CT检查在显示骨骼微细结构、肿瘤的内部变化和侵犯范围以及肌肉软组织病变等方面较普通X线照片有较大优势，对特殊部位、特殊类型骨折的诊断CT也有明显优势。但对于肌肉软组织和关节软骨损伤的显示不如MRI。

（二）计算机体层扫描成像的检查限度

尽管CT成像具有多种扫描方式及丰富的后处理技术，但也存在一定的检查限度。

1.伪影　有多种伪影，如颅底骨的各种隆起所致的条状伪影、金属异物（如手术植入物）所致的放射状伪影、患者不能制动的运动伪影、装置本身的图像噪声等，这些伪影干扰对器官组织或病变的显示。

2.单参数成像　CT图像仅能反映密度差别。

3.辐射损伤　CT成像具有X线辐射，不宜短时间进行多次检查。

另外，CT图像主要显示组织或病灶的形态学改变，对功能方面评估需借助各种造影检查，会受到禁忌证的限制。

CT成像虽然已成为临床的常规检查手段，但诊断时仍需结合临床资料，多种检查方法联合应用，以求更加准确地诊断疾病。