[科普中國]-X射線計算機斷層成像

計算機斷層成像（Computed Tomography，又稱為“電腦斷層掃描”，簡稱CT），是一種影像診斷學(xué)的檢查。這一技術(shù)曾被稱為計算機軸向斷層成像（Computed Axial Tomography）。

X射線計算機斷層成像（X-Ray Computed Tomography，簡稱X-CT）是一種利用數(shù)位幾何處理后重建的三維放射線醫(yī)學(xué)影像。該技術(shù)主要通過單一軸面的X射線旋轉(zhuǎn)照射人體，由于不同的組織對X射線的吸收能力（或稱阻射率）不同，可以用電腦的三維技術(shù)重建出斷層面影像。經(jīng)由窗寬、窗位處理，可以得到相應(yīng)組織的斷層影像。將斷層影像層層堆疊，即可形成立體影像。

簡介計算機斷層成像（ComputedTomography，又稱為“電腦斷層掃描”，簡稱CT），是一種影像診斷學(xué)的檢查。這一技術(shù)曾被稱為計算機軸向斷層成像（Computed Axial Tomography）。

X射線計算機斷層成像（X-Ray Computed Tomography，簡稱X-CT）是一種利用數(shù)位幾何處理后重建的三維放射線醫(yī)學(xué)影像。該技術(shù)主要通過單一軸面的X射線旋轉(zhuǎn)照射人體，由于不同的組織對X射線的吸收能力（或稱阻射率）不同，可以用電腦的三維技術(shù)重建出斷層面影像。經(jīng)由窗寬、窗位處理，可以得到相應(yīng)組織的斷層影像。將斷層影像層層堆疊，即可形成立體影像。1

診斷應(yīng)用自從20世紀70年代被發(fā)明后，X射線計算機斷層成像在醫(yī)學(xué)影像上已經(jīng)變成一個重要的工具，雖然價格昂貴，它至今依然是診斷多種疾病的黃金準則。X射線計算機斷層成像技術(shù)的優(yōu)點之一是它可以提供很高的空間分辨率（0.5 毫米）。它的一個弱點是軟組織對比度較差。當診斷對軟組織對比度要求較高時，核磁共振影像技術(shù)要優(yōu)于X射線計算機斷層成像技術(shù)。

頭部斷層檢查主要用來診斷腦部血管病變以及顱內(nèi)出血，檢查不一定要用到顯影劑。在病人有急性中風(fēng)的情形下，它雖然沒辦法排除血管阻塞的可能性，但是可以排除出血的可能性。如此一來，抗凝血劑就可以大膽地應(yīng)用。在診斷腫瘤的應(yīng)用上，電腦斷層配合靜脈顯影的檢查并不常用，而且效果也比核磁共振影像（MRI）差。它也可以用來診斷顱內(nèi)壓是否有增加，例如要做腰椎穿刺或是評估腦室腹腔分流術(shù)時。

X射線計算機斷層成像在診斷有外傷的顱骨及顏面骨的骨折也有很大的用處。在頭頸口的部位，對于頭骨和顏面骨或是牙齒的畸形，它有術(shù)前評估的作用；下顎、副鼻竇、鼻腔，眼框等部位所生囊腫或是腫瘤的評估；慢性鼻竇炎成因的診斷；還有植牙重建的評估。

胸腔斷層檢查在肺部組織的診斷上，X射線計算機斷層成像對于急性或是慢性的變化都有很高的診斷價值，在觀察一些人體內(nèi)空氣的變化，例如肺炎或是腫瘤，一般不需顯影劑就有很好的效果。而一些間質(zhì)組織的變化（肺實質(zhì)，肺纖維等等），可以用薄切面的高解析設(shè)定來重建；而要評估縱隔腔和肺門部分的淋巴腺腫大，則需要靜脈顯影。

胸腔斷層血管攝影（CTPA）是一個需要用精確快速的時間來作對比劑注射再加上高速的螺旋式描掃器才能完成的檢查，近來也用在作肺栓塞和動脈剝離的評估。當胸腔x光檢查出現(xiàn)異常或是懷疑異常等，只要是非急性的，電腦斷層都是首推的進一步檢查。

心臟斷層檢查隨著較先進的X射線計算機斷層成像儀旋轉(zhuǎn)時間的減少，再加上多斷層（高達128切）切面的技術(shù)，要同時達到高速度和高分辨率不再是夢想。目前已經(jīng)可以清楚地看見冠狀動脈的影像。在掃描的同時，電腦就可以將一連串的數(shù)據(jù)重建，如此一來，每單一個心臟斷層影像的數(shù)據(jù)都可以在x光管回轉(zhuǎn)完成前重建完成。但未來是否能取代侵入性檢查“冠狀動脈導(dǎo)入檢查”還是未知數(shù)。

心臟的多斷層切面檢查（Multi-slice Computed tomography，簡稱MSCT）有相當性的潛在危險，因為它的劑量相當于500張的胸腔x光，對于乳癌的潛在誘發(fā)性目前還有待商榷。診斷為陽性的正確率大約82%，診斷為陰性的正確率大約93%；敏感度大約81%，特異性為94%。

雙射源X射線計算機斷層成像機有相當高的時間分辨率（Temporal Resolution），可以減少高速心跳造成的移動假影，閉氣的時間也不用長，對于不方便閉氣的病人或是不適合打降低心率藥的病人是很有幫助的。

腹部和骨盆的斷層檢查對于腹部的疾病，X射線計算機斷層成像的診斷價值極高，常用來定位腫瘤期數(shù)也用來做后續(xù)的追蹤，對急性腹痛的檢查也很有用。泌尿結(jié)石，闌尾炎，胰臟炎，憩室，腹部動脈瘤還有腸阻塞等都是可以由電腦斷層做快速診斷的疾病，它也是第一線用來診斷內(nèi)部臟器外傷的利器。

口服或是直腸對比劑可視需要使用，稀釋的硫酸鋇（2% w/v）是最常用的，一般用來作大腸透視檢查的鋇劑濃度太高，在斷層影像上反而是假影，如果鋇劑有禁忌上的考量的話（例如懷疑病人是腸受傷），碘對比劑也是選擇之一，其他種類的就看目標是要對哪一個器官顯影，例如直腸的空氣對比劑（空氣或二氧化碳）用在大腸檢查，或是口服純水用在胃部檢查。

電腦斷層在診斷骨盆的應(yīng)用上有限制，特別是女性的骨盆，超音波是一個替代方案。除此之外，它也可以部分應(yīng)用在腹部掃描（例如看腫瘤），在評估骨折上也有用處，它也可以用在研究骨質(zhì)疏松癥，和骨質(zhì)密度偵量儀一樣，此兩樣都能偵測骨礦物質(zhì)的密度（BMD），也就是骨強度的指標，然而電腦斷層的結(jié)果不一定和骨密儀一樣（BMD測量黃金準則），不但貴，病人接受的劑量又高，所以不常使用。

四肢的檢查圖像的立體渲染（肌肉、脂肪、骨骼和血液分別采用了不同的配色方案）

X射線計算機斷層成像常用來顯示復(fù)雜的骨折，特別是節(jié)關(guān)附近的骨折，主要是因為它可以將想要看的地方重建出來。1

優(yōu)點和危險性優(yōu)于X射線影像的部分首先，X射線計算機斷層成像為醫(yī)生提供器官的完整3D訊息，而X射線影像只能提供多斷面的重疊投影；第二，由于電腦斷層的高分辨率，不同組織阻射過所得的放射強度（Radiodensity）即使是小于1%的差異也可以區(qū)分出來；第三，由于斷層成像技術(shù)提供三維圖像，依診斷需要不同，可以看到軸切面，冠狀面，矢切面的影像，我們稱它為多平面數(shù)位重建（Multi-planar reformatted imaging）。除此之外，任意切面的圖像均可通過插值技術(shù)產(chǎn)生。這給診斷和科研帶來了極大的便利。

輻射劑量X射線計算機斷層成像被視為中度至高度輻射的診斷技術(shù)，雖然技術(shù)的進步已經(jīng)增加了輻射的效率，但是同時為了增加影像品質(zhì)或為了更復(fù)雜的技術(shù)，還是有增加劑量的考量，進化過的分辨率使電腦斷層可以進行新的研究，可以有更多的優(yōu)點：例如和傳統(tǒng)血管攝影比，電腦斷層血管攝影可以避免插入靜脈管和靜脈導(dǎo)管；電腦斷層大腸攝影也和大腸鋇劑攝影一樣用來診斷腫瘤，但是劑量更低。其方便性以及可適用的情形不斷增加，使它日漸普及，最近在英國的綜合評估中，電腦斷層占了所有放射性檢查的7%，但是在2000/2001年間，它占了總合醫(yī)療放射劑量的47%(Hart & Wall, European Journal of Radiology 2004;50:285-291)，過度地使用電腦斷層檢查，不管其他地方怎么滅，還是會導(dǎo)致總體醫(yī)療劑量的上升，在一些特別研究放射劑量的論文還有考量很多因子：掃描的體積，PATIENT BUILD，掃描的數(shù)量和型式，還有需要的分辨率和影像品質(zhì)。

對比劑的負面反應(yīng)由于X射線計算機斷層成像相當依賴靜脈注射的對比劑來顯影，所以有潛在的危險，危險雖低，卻無法完全避免，這可能會使某些病人的腎臟受傷，有腎功能衰竭或糖尿病等病史的病人（另外還有REDUCED INTRAVASCULAR VOLUME）危險性可能更高。1

三維重建三維重建指用數(shù)學(xué)的方法從斷層成像儀測量到的信號（X射線通過人體后的衰減）恢復(fù)（重建）出器官的三維影像。最簡單的，也是最早的，重建方法是反投影法（backprojection）。反投影法雖然直觀上很容易理解，但它在數(shù)學(xué)上是不正確的。目前常用的重建方法主要有兩種：濾波反投影法（filtered backprojection）和卷積反投影法（convolution backprojection）。1

圖像顯示由于目前的X射線計算機斷層成像都是等方性（x，y，z軸的分辨率都一樣）或是接近等方性的分辨率，顯示的方式不一定只限于橫切面，所以，借著軟件的幫忙，只要把所有的小體素堆疊起來，就可以用不同的視點來看影像。

多層面重建MPR（Multi-Planar Reconstruction）

這是重建最簡單的方式，是把所有的橫切面數(shù)據(jù)堆疊起來，軟件可以用不同的平面來切割物體（大部分是垂直面），或是特別的一些影像例如最大強度投射成像MIP(Maximum-Intensity Projection)或是最低強度投射成像mIP(Mininum-Intensity Projection)。

多層面重建最常用來檢查脊椎，因為軸切面的影像只限于有時才能顯出椎體，也無法完全秀出椎間盤，經(jīng)由重組影像，我們可以更容易觀察出脊椎的位置以及其和其他器官的關(guān)系。

現(xiàn)代的軟件可以重建斜位的影像，所以經(jīng)由自由的選擇平面，我們可以看到想看的解剖構(gòu)造，比如支氣管不是垂直的，我們可以借由這個技術(shù)達到我們要的目的。

在血管的影像上，彎曲的平面也有辦法重建。這使得彎曲的血管可以被“拉直”，如此整條血管可以用一張影像或是少數(shù)影像就可以完全顯現(xiàn)，一旦血管被拉直后，量化的長度和寬度就測量出來，對于手術(shù)和侵入性治療的幫忙不小。

MIP重建加強了高射束的區(qū)域，用在血管攝影很有用，mIP重建趨向于加強空氣的顯示，用來評估肺部結(jié)構(gòu)很有用。

三維呈像技術(shù)（3D rendering techniques）表面呈像（surface rendering）

放射強度（Radiodensity）的閾值是可以調(diào)整的（例如對應(yīng)于骨頭的值），當閾值一定，便可使用“邊緣偵察（edge detection）”影像處理法，如此一來，一個三維的物體就可以呈像了，不同的物體可以用不同的閾值呈像，使用不同的顏色來代表不同的解剖構(gòu)造，例如骨，肌肉和軟骨，然而，在這個基礎(chǔ)下，再深一層的構(gòu)造可能就無法顯像了。

體素呈像（volume rendering）

表面呈像只限于在一定的閾值下，表現(xiàn)物體的表面像，也止于呈現(xiàn)接近我們想像的表面，而在體素呈像中，利用透明度和顏色可以在單一影像中的特色，就可以呈現(xiàn)更多的東西，例如：骨盆就可以用半透明的方式顯現(xiàn)，那么即使是斜位角，小部分其他的解剖呈像并不會擋住其他重要的部分。

影像分割（Segmentation）有一些部位雖然結(jié)構(gòu)不同，但是有相似的阻射性，只是單純地改變體素呈像的參數(shù)可能不是這么簡單就可以區(qū)分它們，解決的方式我們稱為影像分割（segmentaion），就是用手動或是自動的方式去除我們不想要的部分。

例子下面是一些腦部X射線計算機斷層成像的影像，骨頭的部分比周圍的地方白（白代表高阻射率），血管處（箭頭）比較亮是因為使用了碘對比劑的關(guān)系。1

歷史第一個商業(yè)化的X射線計算機斷層成像系統(tǒng)是由Godfrey Newbold Hounsfiled發(fā)明的，地點在英國Hayes的THORN EMI Central Research Laboratories，Hounsfield在1967年開始了他的想法，于1972正式發(fā)表，聲稱電腦斷層是披頭四樂團最大的遺產(chǎn)，龐大的利益使得EMI投資了研究計劃。另一頭，TUFTS大學(xué)的Allen Mcleod Cormack獨立研發(fā)了類似的處理程序，地點是University of Cape Town/Groote Schuur Hospital，他們于1979年一起獲得諾貝爾獎。

1971所產(chǎn)的原型是行經(jīng)180度角取160個平行讀數(shù)，每個是一度，每次掃描大約費時五分鐘，整個影像要產(chǎn)生要花2.5小時并用大型電腦來進行運算。

第一個生產(chǎn)的X射線計算機斷層成像掃描器稱為EMI描掃器，只能用來做頭部的掃描，但是要花四分鐘取數(shù)據(jù)，七分鐘重組完成一個影像，另外它還要用一個裝滿水的perspex容器，型為頭套狀，可以包覆整個頭，主要是為了減少頭部的對比阻射強度相差太大（頭骨和頭骨外的差異），當時的分辨率不高，只有80*80的畫質(zhì)，第一個EMI掃描器是安裝在英國的wimbledon的atkinson morley's hospital，第一次進行病人頭部檢查的時間是1972年。

在美國，此機器的售價是390000，第一個是安裝在lahey clinic，再來是massachusetts general hospital，還有1973在george washington大學(xué)。

第一個任何部位都能檢查且不用水頭套的電腦斷層儀是在goergetown university由robert s.ladley. dds設(shè)計。1

電腦斷層機器的演進第一代

用如筆頭般細的射束打向一個或兩偵檢器，影像是用translate rotate的方法，將射源和偵檢器放置于對側(cè)的位置，兩者相對位置不變，再加以旋轉(zhuǎn)。在EMI掃描器時代，一對影像須要旋轉(zhuǎn)180度，耗時四分鐘，使用三個偵檢器（其中一個是射源位置的參考），每個偵檢器都是由碘化鈉閃礫器和光電倍增管組成，部分的病人很不能適應(yīng)這些早期的機器，因為機器的振動和聲音都太大了。

第二代

這項設(shè)計增加了偵檢器的數(shù)目，并且改變了射束的形狀，把原本的筆頭型改為扇型，旋轉(zhuǎn)方式仍為translate rotate，但是掃描時間有明顯的減少，旋轉(zhuǎn)量也由每次一度增為每次三十度。

第三代

第三代X射線計算機斷層成像在獲得影像的時間上有長足的進步，扇形的射束配上一列和射源相對的偵檢器，省略了費時的translation stage，最初讓掃描時間減少至大約一張十秒鐘，這個進行讓CT的實用性大大增加，時間短到可以做肺部和腹部的掃描，之前的幾代只限于用在頭部和四肢，到了第三、四代，病人也明顯覺得噪音和振動都少了不少，舒適多了。

第四代

它的設(shè)計方法幾乎和第三代是同時發(fā)明的，表現(xiàn)度也差不多，不用一列的探測器，取而代之的是360度整圈的探測器，用扇型射束旋轉(zhuǎn)打在固定而非旋轉(zhuǎn)的探測器上。

bulky是一項昂貴且脆弱的光電倍增管，所以漸漸地被較好的探測器取代，氙游離腔探測器列曾經(jīng)用在第三代機器中，也增加了較多的分辨率和敏感度，但最終這兩項技術(shù)都被固態(tài)探測器取代：一個矩形、固態(tài)的發(fā)光二極管，并鍍上螢光的稀土元素磷，它更小，更敏感，更穩(wěn)定，也更適合第三、四代機器的設(shè)計。

早期的四代機器有600個光電倍增管，每個直徑1/2吋，可以套在探測環(huán)內(nèi)，以三個發(fā)光二極管為單位可以替代一個光電倍增管，這項改變同時增加了取像速度和影像品質(zhì)，但是掃描的速度仍然不能改善，因為x光管的控制還是用纜線啟動，限制了旋轉(zhuǎn)的速度。

一開始，第四代機器有一個重大的進步，就是每轉(zhuǎn)一圈，探測器就會自動校正一次；而三代的幾何方式固定，對于沒有校正的情形很敏感，也就是有環(huán)形偽影產(chǎn)生的可能，另外，四代由于探測器不會移動和振動，校正的執(zhí)行也較容易。

所有現(xiàn)代的醫(yī)療用電腦斷層都是以第三代的設(shè)計為藍本，現(xiàn)代的固態(tài)探測器相當?shù)胤€(wěn)定，可以不須要每掃一個影像都校正一次，第四代由于探測器經(jīng)濟效益的問題，使得它比第三代貴多了，甚至對假影的敏感度也高，因為沒有固定和射源相對的探測器，要去除散射幾乎是不可能的事。

第五代

一般指的是所謂的攝影CT（cine-CT）；Cine-CT與第四代CT相似，但X射線源被置于偵辦器的外環(huán)；而且為了加快掃描的速度，采用多管X射線源，依序以不同位置之X射線對剖面曝光，以取代旋轉(zhuǎn)功能。系統(tǒng)掃描速度因而大大提升，足以掃描心跳等動態(tài)的剖面圖。而真正所謂第五代CT，乃是以大角度陽極X射線管，環(huán)繞掃描剖面與偵測器；利用電子方式控制撞擊陽極的電子束，使其發(fā)出不同角度的X射線束，以達到如同多管X射線源的效果。由于電子掃描速度極快，每一剖面的掃描時間可降至33ms-100ms左右。適用于心導(dǎo)管，做心臟、血管攝影，主要缺點劑量高，價格昂貴。

功能再進化和取象時間有關(guān)要克服的另一問題是X射線管。要提供一個長時間和高強度的曝露，需要將非常穩(wěn)定的輸出加到X射線管和發(fā)電器中。高速回轉(zhuǎn)的陽極也要跟上處像處理的速度，這就需要固定的150kV的SMPS才能趨動它們。目前的動力強度可到100kW。

環(huán)刷回轉(zhuǎn)（slip-ring）技術(shù)取代了原本纜線的設(shè)計，使得X射線管和偵檢器能連續(xù)動作，再加上連續(xù)地推移病人進入掃描器的設(shè)計，就是所謂的螺旋式電腦斷層。

多層螺旋X射線計算機斷層成像（Multi-Detector-Row Computed Tomography，簡稱MDCT）系統(tǒng)更加快了掃描的速度，它可以同時獲取數(shù)個影像。目前機器的列數(shù)可以達到128列，幾秒內(nèi)就有可能獲得完整的胸腔影像。MDCT也使用等方分辨率，可用任意角度重建需要的影像，與核磁共振影像的能力一樣，很短時間就可以掃描很大體積的影像是MDCT最大的特色；更重要的是空間分辨率也高了。最新一代的MDCT內(nèi)在Z軸方向的球管內(nèi)有浮動的焦板，可以讓分辨率更好。

另一個不同的研究方向是用在心臟的斷層檢查，稱為電子光束斷層描掃（Electron-Beam Computed Tomography，簡稱EBCT）。它的時間分辨率高達50微秒。它可以暫停心臟和肺部的動態(tài)來形成高品質(zhì)的影像。開始時只有Imatron公司制造，后來GE公司跟進，鮮有人做，主要是因為它的成本太高，而用途僅只有一項。同期的MDCT的時間分辨率很接近EBCT，但是成本卻低得多，因此MDCT就成了市場的趨向。

進化過的電腦技術(shù)和組像技術(shù)可以執(zhí)行更快更準確的重組。早期的機器可能需要幾分鐘才可以做出一張影像；現(xiàn)在30秒鐘可以做出1000張影像，精心設(shè)計的軟件也可以滅少假影。雙射源電腦斷層（Dual source）使用兩個X射線管和兩排偵檢器，使得每張影像只需0.1秒就可以完成。這樣就可以得到高品質(zhì)的心臟影像而不需要使用降低心率的藥，例如beta blockers。

雙射源的復(fù)列偵檢器電腦斷層可以在10秒的閉氣時間內(nèi)就完成整個心臟的檢查。

Volumetric電腦斷層是復(fù)列偵檢斷層機的一項延申，仍在研究階段，目前的MDCT每轉(zhuǎn)一次取樣4cm寬的體積，volumetric電腦斷層的目標是以256的復(fù)列偵檢斷層儀的原型為基礎(chǔ)，增加寬度到10-20cm，未來的應(yīng)用包括了心臟成像（在兩次連續(xù)的心跳間就可以取得欲重建完整三維影像所需要的數(shù)據(jù)）。

微斷層攝影（Microtomography）近幾年來，斷層攝影也到了微米的等級，名為微斷層攝影，但是這些機器目前只適合小物體或是動物，還不能用在人體。2

參見計算機圖形學(xué)

可視化

信息可視化

科學(xué)可視化

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所