CT原理与结构讲座（四）：多层螺旋CT的发展
东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司
东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司CT课题研究组执笔人付斌先生，东北大学信息科学与工程学院生物医学工程专业在读硕士研究生，现在东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司CT研发事业部进行课题研究。
关键词: 多层螺旋CT 发展趋势
所谓多层螺旋CT是指在一次扫描旋转过程中能同时获得多达4个层面以上投影数据的成像系统。它是CT发展的又一次革命性创新，其扫描速度由普通CT的几秒提高到亚秒，成像速度及图像质量也明显提高，临床应用范围不断扩大，大大促进了影像医学的发展。
一 多层CT的发展情况
1985年，CT机扫描采用滑环技术来实现馈电及信号传输。1988年，在滑环技术日益完善和成熟的基础上，研发成功螺旋CT机。1992年，推出了双排探测器的CT机。1998年同时进行4层图像采集的多层CT机问世。2000年，一次采集8层图像的CT机诞生。2001年推出了16层采集的CT机。在2003年，东芝公司率先推出了64排多层螺旋CT，加上三维工作站的应用更为临床医生开辟了新的领域，目前西门子的SOMATOM Sensation 64层CT系统旋转一周只需要0.37s。在2005年，西门子公司和先灵公司共同研制的X射线CT新技术，首次在SOMATOM Definition产品上同时使用两个X射线源和两台探测器，它也是世界上第一个双源CT系统。由于它同时使用两个X射线源和两台探测器，而现在的CT系统只使用一个射线源和一台探测器，所以新系统比任何一种现有的CT快速。
二 多层CT的需求
问题一：尽管螺旋CT的出现已经使体积覆盖能力大幅度提高，但是许多临床应用都需要更多的体积覆盖能力和更薄的切片厚度，一个例子就是CT血管造影术。这种应用需要在造影增强的稳定阶段快速获取体积图像。对于胸腹大动脉研究，感兴趣体积包括整个胸部和腹部，往往在病人轴(Z轴)方向需要45~60cm长。另一个更为苛刻的情况是腹部和腿部血管的血流研究，范围从腹腔动脉到腓动脉，常常要求的体积覆盖在Z轴方向上为90~120cm。为保证造影增强良好和病人呼吸运动最小，希望能在20~40s完成全部检查。为了在30s内覆盖60cm的范围，检查床就必须以2cm/s的速度移动。单层CT能够在0.5s旋转一周，那么在这样的覆盖范围内就很难获得5mm或者更小的切片厚度。如果采用更小的切片厚度和更慢的螺距，那么覆盖同样体积所需要的时间就会增加，这样可能会失去造影增强的最佳时机，延长扫描时间和注射造影剂还会妨碍动脉相器官的检查。
问题二：第二个问题是小准直尺寸和慢螺距情况下病人的运动。这对胸部和腹部检查尤为重要。一般病人能够屏气的时间周期大约是20~30s。对于超过这个范围的检查，需要多次屏气。尽管每个屏气间重建的图像都没有呼吸带来的运动伪影，但是不同屏气间的不配准是不可避免的(要求病人精确重复屏气的程度几乎是不可能的)。由于许多检查、研究都需要三维观察，相临切片之间的不配准会让人感到问题棘手。
问题三：薄准直引起的球管利用率问题。当使用薄准直时，产生的X光子的大部分被准直器阻拦，没有到达病人。例如，1mm准直器产生的可用X光子总数量大约是10mm准直时可用X射线光子的十分之一。为补偿X射线束流的减少(维持图像同样的躁声水平)，则需要增加X射线球管的电流，这就引起了强制的X射线球管冷却，减少了可工作的时间。在造影剂增强的检查中，CT扫描被中断显然是不能接受的。
从以上提出的几个问题，可以明确知道，问题的根本原因是切片厚度和单切片体积覆盖能力之间的不可避免的相互影响和折中问题，由于探测器没有Z轴方向分辨的能力(探测器无法知道射到探测器的射线光子的位置)，CT扫描机Z轴方向的空间分辨率主要由X射线的宽度决定。若探测器能提供Z轴方向的分辨能力，X射线束在Z轴方向的宽度就和分辨率或切片厚度无关。换言之，我们可以使用宽的X射线束(具有更好的X射线利用率和较大的体积覆盖能力)来获取小的切片厚度。这就引起了多层CT的发展。
三 多层螺旋CT的关键技术
1. 数据采集系统
图1表明了多层CT系统的结构图。从系统层次上看，除了Z轴方向特殊的探测器以外，多层CT的系统配置基本上和单层CT系统是一样的(在单层CT系统上，探测器仅仅在沿着X轴方向的弧形上分成小块)。每个探测器单元都耦合一个光电二极管单元，使得信号能够分别读出。
多层螺旋CT最大的特点就是改变了探测器的矩阵，增加了探测器单元数量。二维的探测器阵列也是多层螺旋CT的关键部件。新型CT探测器阵列可分为三种类型(见图2)：一种是由数排相等厚度平行排列的探测器组成阵列，叫做平行排列探测器(图2a)。这种探测器在单位面积内接收到的信息均匀，但探测器间隔厚度较大，因而射线信号死角多，余晖效应明显。另一种是非对称阵列探测器(图2b)，在阵列中央采用数排较小的探测器而在外围采用数排较大的探测器，其优点在于减少探测器之间的缝隙，对射线光子的捕获率高，可以更好的消除余晖效应，在减少射线剂量的条件下，同时提高图像质量。最后一种是混合型阵列方式(图2c)。
GE Lightspeed 16 System探测器采用24排矩阵式探测器组合，每排912个稀土陶瓷探测器，共计21888个。西门子SOMATOM Sensation 16 CT采用混合型亚毫米超高速稀土陶瓷探测器，可完成短时间内各向同性分辨率的三维容积覆盖成像。
2. 数据处理系统
多层CT计算机系统的性能直接影响CT图像的重建处理效果和速度，但又受到数据采集系统及信息传输速度的限制。多层CT数据处理性能与数据采集系统探测器排列(N)成比例，并随球管(Tube)旋转时间(RT)的缩短而提高，如表1。
3. Linux操作系统
新型16层或64层CT多采用Linux操作系统。因为该操作系统有很强的开放性和适应性，与Unix完全兼容，从Unix到Linux的转移比向Windows转移更容易。
Linux的源代码是免费的，应用和开发Linux的人数众多，该系统变的更方便可靠，运行状态稳定。Linux致力于解决CPU的SMP支持，会更进一步提高Linux在大型应用中的性能。Linux源代码的内核及应用程序代码都大大少于Windows，使得其消耗CPU内存的资源较小。一个功能完备的Windows内核要求1MB内存，而Linux微内核只需占用100kB，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能，Linux占用硬件资源较少，可以紧密结合嵌入式的操作平台。
4. 高压发生器及球管
为了使高压发生器的功率足够保证连续螺旋扫描，一般功率都在50kW以上，例如GE Light-speed 16 CT采用低压滑环53.2kW机架内高频发生器。
球管是CT中最昂贵的消耗性核心部件，一方面要考虑保证球管热容量满足螺旋扫描的最大需求。另一方面又要考虑医院更换购买CT球管的大笔开支。因为球管的价格与热容量大小是成正比，如一只7.3MHU的球管售价在11万美元以上，而一只5MHU的球管价格则不到6万美元。所以，多层螺旋CT并没有一味的追求大容量球管，大部分采用6.3MHU金属陶瓷球管，散热率840kHU/min。
四 多层螺旋伪影
近年来进行了许多研究来分析多层螺旋CT引起的伪影。对于滤波反投影算法的多层螺旋CT，伪影一般有两个主要来源。第一是和螺旋数据采集方式下检查床匀速运动有关。由于扫描体积的不断增加，多层CT的检查床移动速度一般高于单层CT，因此，我们得到了更显著的与插值相关的伪影，见图3(此图截自Jiang Hsieh出版的《Computed Tomography》)。第二个伪影来源是锥形束效应。由于从不同排探测器得到的采样不再互相平行，破坏了二维滤波反投影的基本假设，见图4(此图截自Jiang Hsieh出版的《Computed Tomography》)。
除此之外还有噪声引起的伪影和由多层CT倾斜引起的伪影等。
五 多层螺旋CT的局限性
1. 机器本身的局限性
多层CT机明显增加了CT检查的数据负荷量，特别在选择进行近似各向同性成像时更甚。例如一次长度为60cm的胸腹部扫描，采用41mm准直，扫描时间为50s，可产生500~800幅图像。主动脉及外周动脉一次CTA扫描可产生1000幅以上图像。但是真正取而用之的仅占很小的比例。但是，也必须说明：只有要求得到高质量薄层图像时才有必要增加病人所接受的辐射线量。除此以外，多层CT机所需的辐射量均低于常规CT机，或与螺距为2的CT机近似。
2. 人为的局限性
一项调查表明，全国中小城市高档CT功能使用率很低。一方面表现在容量浪费，一台16层CT每天至少可以检查300例病人，但有的医院仅有几十个病人受检。另一方面更为严重的是功能浪费，有的医院从未使用过虚拟内镜，3D成像也很少有人会用，单层螺旋CT的功能已经大量闲置，对多层螺旋CT来讲就会造成先进性功能的传统性浪费。
六 多层螺旋CT的未来
多层CT的下一步发展方向为四维CT，其中以东芝公司为代表研发256排CT，以GE公司为代表研发平板CT。平板CT由于受到平板探测器材质(采样率低)的影响，难以在近期推出。东芝公司目前已开发出256排原型机正在做临床测试。其探测器结构由256排0.5mm宽的探测器组成，最大覆盖范围达128mm。四维CT在兼顾多层CT的同时，新的临床应用将可包括：(1)动态脏器的研究(心脏的搏动及心功能、胃肠的蠕动)；(2)血流动力学的研究；(3)关节的运动功能；(4)大范围的薄层高速扫描。
七 结束语
螺旋CT机在短短的10多年中从单层、双层发展到4层、8层、16层及64层。从深层次而言是一种设计理念的重大转变，即要获得薄层的CT图像，单层螺旋CT机是通过改变准直器宽度来实现的；而多层螺旋CT机则是通过改变探测器的排列而获得。由于这一根本性的转变，导致CT检查发生了深刻的变化。CT技术还在不断的发展和改进，当利用含有1024×1024单元的平板探测器在一次旋转中获得体积扫描数据时，多层CT将会达到另一个高峰。如果能够获得肠蠕动、动静脉血液的分流、心脏的搏动、大血管内的血流动态等3D图像，则更是影像科医师的期盼。
（全文完）
来源：〈世界医疗器械〉
出版日期：2006年9月
