CT发展里程碑和三个未来方向

　　1971 年，人类首次为病人进行 了CT 检查。从最初的 180° 旋转 5 分钟扫描，到如今的 360° 旋转 0.23秒扫描，CT 技术不断自我革新。本文介绍了 CT 技术从最初发展到现在的重要历史里程碑，并展望了这种重要成像方式的未来。

　　1971年10月在英国伦敦郊外，Godfrey Hounsfield与放射科医生James Ambrose合作，获得了第一张计算机轴向断层扫描图像（computerized axial tomographic scan）（参见XI区：）。如今CT成像已经成为放射科的主力设备。仅仅8年之后，Godfrey Hounsfield和Alan M. Cormack就因开发计算机断层成像技术而共同获得了诺贝尔生理学或医学奖（参见XI区：）。下图总结了CT成像历史上的主要技术里程碑事件。

　　20世纪50年代，物理学家Allan Cormack发现了通过物体透射测量的知识来描述物体内部的数学可能性。他在1963年和1964年发表了这些结果，首次对CT进行了实验验证，并因此在1979年与Hounsfield分享了诺贝尔奖。

　　EMI的工程师Godfrey Hounsfield也在考虑同样的问题，但他并不知道Cormack的研究成果。从手工运算开始，Hounsfield通过网格的四个投影之和，计算出了三列三行网格的正确值--其实就是解决了数独难题。Hounsfield确信计算机可以扩展这种能力，随后他建立了一个桌面系统来扫描模型和尸体标本。1970年，Hounsfield开始研制能扫描头部的全尺寸模型。

　　1971年10月1日，Hounsfield与英国Atkinson Morley医院的放射科医生James Ambrose一起，为一名患者进行了首次CT检查。Ambrose医生花了两天时间才看到这些开创性的图像，因为这些图像必须在EMI的大型计算机上进行重建。1972年4月，他们在英国放射学会会议上介绍了他们的研究成果，引起了一些人的兴趣。5月，Hounsfield在Albert Einstein College of Medicine的神经放射学课程上发表演讲。这一次，人们的兴奋之情难以抑制，第二天，三大电视网都播出了Hounsfield取得成就的新闻。在1972年的RSNA会议上，他们展示了脑部CT扫描仪。很显然，一切都不一样了。

　　（A）第一台CT扫描仪的照片和（B）第一张CT图像。扫描是由James Ambrose医生在英国伦敦的Atkinson Morley医院获得的。病人患有额叶肿瘤。

　　Ambrose的第一位病人疑似额叶肿瘤，在80×80像素的图像上清晰可见，并在手术中得到证实。这次成功之后，EMI为英国制造了三台，为美国制造了两台，1973年6月19日，梅奥诊所在北美进行了首次CT检查。安装EMI Mark I扫描仪后，梅奥诊所每月的CT扫描量达到150次，一年后又安装了第二台。到1975年初，每月要进行近300次头部CT检查。EMI扫描仪有两个探测器，因此机架每旋转5分钟可产生两幅图像。病人在两次扫描之间需要手动调整位置，一次完整的检查可能要持续近一个小时。即使如此，早在1975年末，梅奥诊所的气脑成像量就基本降为了零。

　　随着大脑CT扫描的成功，人们自然而然地考虑将这项技术推广到身体的其他部位。1974年2月，Robert Ledley博士在乔治敦大学医学中心制造并安装了第一台全身CT扫描仪：自动计算机轴向扫描仪（The Automatic Computerized Transverse Axial scanner）。它在概念上与EMI Mark I扫描仪非常相似，X射线束从左到右穿过病人，然后机架根据扫描模式旋转1°或2°，然后射线管再次穿过病人。这种设计被称为第一代CT几何结构，用两束笔形射线沿Z轴照射两个探测器。在投入使用的第一年，共对1100名患者进行了扫描，其中116名患者接受了头部以外部位的扫描。

　　四代CT扫描仪几何图形示意图。第一代和第二代通常被称为平移/旋转几何形状，因为球管首先在患者身上平移，然后机架绕患者旋转。第三代通常被称为旋转几何体，因为球管和探测器阵列都围绕患者旋转。通常被称为旋转/静止几何结构，因为球管绕患者旋转，而探测器环保持静止。

　　为了对躯干进行良好的成像，不仅要考虑呼吸伪影，还要考虑心脏和肠道等部位的不自主运动，因此需要较短的扫描时间。为了达到更快的扫描速度，笔形X射线束被拓宽成扇形，由一组30°的探测器进行检测。由于横向覆盖范围更广，只需将机架增加18个10°，就能在20秒内完成一次扫描（一个切面）。被称为第二代扫描仪的CT很快实现了为患者省去不必要手术的能力，早期的经验表明，CT技术提供的诊断信息非常有说服力，当与其他临床数据相关联时，即可决定对一些患者进行非手术治疗。为了更快地在一个角度对患者进行数百次测量，X射线管在患者身上的平移被更大的角度覆盖范围（30°-40°）和在患者身上的同步测量所取代。由于X射线管和探测器阵列一起围绕患者旋转，因此被称为第三代扫描仪几何结构，也称为旋转-旋转几何结构。这种几何结构在诞生之初受到环状伪影的困扰，因为探测器的任何缺陷都会在图像平面上映射出一个环。为了避免这一问题，几何技术（称为旋转静止技术）将X射线°环形内旋转。虽然这解决了环状伪影的问题，但由于X射线束的射线以许多不同的角度撞击探测器，因此无法使用平面内反散射格栅。而且这种方法成本高昂，因为探测器仍然是CT扫描仪中成本最高的部件之一。由于其机械结构简单、成本相对较低、采集速度快以及与反散射格栅兼容，现代CT扫描仪都是基于第三代几何结构。

　　第五代系统同时使用固定探测器阵列和固定X射线源。该系统也称为电子束CT，电子枪发射的电子束通过磁力快速扫过患者周围固定的钨阳极。该系统沿纵轴配备了多个探测器阵列，可在50ms内对心脏的多个层面进行成像。更高的空间分辨率单层扫描的采集时间可短至100ms，这为的单次屏气成像和无需镇静剂的幼儿成像铺平了道路（参见XI区：）。肺动脉成像和冠状动脉钙化扫描这两项目前已成为常规应用的技术，是电子束CT系统的首次应用，该系统由发明者Doug Boyd博士创立的Imatron公司独家生产，后被西门子收购，商品名为Evolution。心脏CT成像技术于1982年首次投入商业应用，电子束CT可在短短50ms内完成整个左心室的成像。然而，这项技术的广泛应用受到了限制。

　　（A）第五代几何图形，也称为电子束CT，使用静止/静止几何图形。（B）该系统的侧视图显示了扫描仪后面的电子加速器。

　　电子束CT的速度对主要CT扫描仪制造商提出了挑战，他们试图进一步缩短扫描时间，1989年的RSNA会议上，西门子首次展示了螺旋CT。该技术使用滑环在旋转的X射线管和探测器与固定的机架外壳之间传输电源和数据。螺旋CT于1990年投入商业应用，可在屏气状态下获取大量数据，并将X射线s。使用螺旋CT进行CT血管造影可以显示血管，而不会出现步进采集时出现的采集平面间的错位。

　　螺旋CT推出近十年后，多排探测器CT（MDCT）问世，沿Z轴方向有多排探测器。第一代系统有四个数据通道，通过不同的探测器组合，在一次旋转中获取四幅标称1mm、2.5mm、3.75mm或5mm的图像。这使得主动脉等解剖结构的Z轴覆盖范围更长，并导致了从主动脉弓到足部血管的血管造影的兴起。

　　（A，B）单探测器与多探测器行CT（A）和单探测器与多探测器行螺旋CT（B）的示意图。（C）每次旋转的Z轴覆盖范围稳步增加，例如从单个10mm图像增加到不同厚度的多个图像。

　　引入MDCT后，沿Z轴的切面数量从4个增加到8个、16个、64个、128个，最终达到320个探测器通道。只需一次屏气，就能以各向同性的空间分辨率对整个从头到脚进行扫描。或者，只需旋转一次机架，就能扫描整个器官，探测器覆盖范围更广。这对心脏成像尤其有利；在一次心跳中对心脏成像可以避免许多运动伪影，包括心律失常造成的运动伪影。探测器技术的这些进步给X射线管带来了压力，需要更高的管电流和更短的旋转时间。随着技术的进步，亚秒级旋转已成为常态。如今，商用全身扫描仪的机架旋转时间短至0.23秒。

　　所有上述技术进步都提高了心脏CT的质量和稳定性，同时降低了相关辐射剂量。最初的有效剂量约为20mSv，而现在的剂量已可低于1mSv。心脏CT使用少于360°的投影数据提供心脏的静态成像。在机架中心，单源扫描仪的时间分辨率约为机架旋转时间的二分之一。

　　从工程角度看，将旋转时间缩短到0.5s以下越来越困难，虽然扫描时间在继续缩短，但缩短的幅度越来越小。为了实现快于100ms的时间分辨率（这是电子束CT设定的基准，它是第一台对冠状动脉进行成像的商用CT扫描仪）多扇区重建已投入商用。在这种方法中，来自多个心动周期的投影数据被用来提高与心脏重建相关的时间分辨率。利用数据冗余或通过分析伪影来减少运动伪影的运动补偿算法也已开发出来（参见XI区：）。另外，双源扫描仪几何结构使用两个源和两个探测器阵列，相距约90°，可将心脏CT的时间分辨率提高两倍（参见XI区：）。如今的双源CT系统每幅图像的时间分辨率可达66ms。一种专用的心脏CT系统也有两个X射线管，但位于相同的X-Y位置，只有一个探测器。该系统的机架旋转时间为0.24s，时间分辨率为120ms。该系统视野小（25cm），探测器宽度为14cm，锥束伪影低。无论采用哪种技术，冠状动脉CTA都已成为胸痛患者的一线诊断检查（参见XI区：）。

　　（A）双源CT几何结构和（B，C）双源“Flash”扫描模式的示意图，其中（B）心脏在（C）单台架旋转（250ms）中沿Z轴通过一系列图像成像，每个图像在时间上与先前图像略有偏移。C中的虚线表示沿Z轴的不同图像；时间沿着B中的心脏虚拟渲染的纵轴向前移动，并且在C中的图中从左向右移动。

　　通过回顾性心电门控，可获得整个心动周期的数据，从而提供四维（3D加时间）CT，并量化心脏容积和功能，还获得了心肌应变等高级指标。计算流体动力学已被用于评估部分血流储备，从而提供冠状动脉狭窄的血流动力学意义；对心室内血流动力学的评估正处于早期发展阶段（参见XI区：；）。宽覆盖探测器和穿梭模式可评估灌注情况，包括心肌缺血的心脏灌注（参见XI区：）、中风患者的大脑灌注（参见XI区：）以及肿瘤治疗监测的灌注（参见XI区：；）。

　　2001年左右，一篇关于CT剂量可能会增加儿童长期患癌风险的理论文章将医学影像的辐射问题推到了风口浪尖（参见XI区：）。专业协会、临床实践、研究人员、政府组织和行业开始认真关注降低CT成像的相关剂量。新技术和剂量管理策略的引入将重点放在自动曝光控制系统上，该系统可根据特定患者的体型和诊断任务调整应用剂量。这些系统依靠用户定义的参数来显示所需的图像质量，并通过CT定位图来测量患者的大小（即衰减）。学习使用这些系统有时很困难，因为每个主要制造商使用的算法和定义差异很大。一旦系统确定了应用的剂量，管电流就会自动调节，有时在X-Y平面上，有时在Z轴方向上，有时在这两个方向上。这将增加较厚身体区域和投影的管电流，减少较薄区域的管电流，从而使典型剂量减少20%-40%。对于心脏CT，心电信号会根据心动周期中的相关阶段调制管电流。例如，这可能包括在心脏运动较多的收缩期调低显像管电流；有关管电流调制的进一步回顾，参见XI区：。

　　（A）管电流角调制和Z轴调制示意图，根据患者厚度改变管电流。（B）上胸（C，95mA）、中胸（D，101mA）、肝脏（E，369mA）和骨盆（。