[推荐]多排CT（ MDCT）成像技术

 

１、引言：

　　多排探测器ＣＴ（multidetector CT,MDCT,multi-slice CT,multidector-row CT,multisection CT）代表着ＣＴ（computed tomography）技术的突破，它不仅有最佳的容积数据３Ｄ显示，而且从一个横断面技术转变成一个真正的可以任意切面的３Ｄ成像。在性能上，多层ＣＴ扫描仪提供了大量的信息，它可减少扫描时间，降低层面的准直（section collimation，ＳＣ），显著增加扫描范围。

　　多层ＣＴ采用２个或更多的平行探测器阵列，利用同步旋转球管和探测器阵列的第三代技术装备而成。９０年代早期就有双探测器或多探测器系统，１９９８年又引入了４排探测器系统，２００１年和２００２年就可买到8排、10排、16排或更多排探测器系统的CT。多层CT很快就被放射学家们接受了，在早些年，世界范围内使用这类CT扫描仪的数量几乎呈指数上升：1998年安装了10台，1999年中期就有100台，而2000年末超过了1000台。

2、优势、劣势：

　　这些系统的许多性能由于更快的旋转时间而进一步得到改进，4排探测器的CT性能比一个传统螺旋CT扫描仪高4至8倍，而16排探测器CT的性能甚至是传统螺旋CT扫描仪的25倍以上。此外，利用多层CT改善了数据处理和影像重建，这直接转变成提高扫描仪的效率。于是，多层CT克服了螺旋CT最严重的局限之一，即，在扫描范围和SC之间相反的关系。

　　多层CT的劣势是显著增加数据量，尤其是选择均质成像，如：胸部和腹部（60cm）的扫描，采用16×1mm准直进行少于15秒，依赖层间重叠的大小产生600幅图像。如果对纵隔采用平滑函数重建或对肺采用边缘增强函数重建，那么，用一个恒定的准直进行胸部扫描将产生同样多幅影像。一个主动脉和外周动脉的CT血管造影可产生1000幅图像或更多。

　　当减少SC时影像噪声上升，因此，为降低影像噪声重建较薄的层面（MPR或轴层）是重要的。利用较薄的准直，扫描仪的几何效应却下降。在1·25mm准直或更少时可看到这种效应，这不应发生在更大的准直。基于射线准直的装置以及影像内插入算法在各个厂商之间显著不同。8排和16排扫描仪几何效应开始改善。

　　如果需要高质量的薄层影像，那么只需要增加病人剂量。在所有其他病例中，多层CT比传统CT需要的剂量少，而与pitch（螺距）为2的螺旋CT剂量相似。

3、探测器的类型：

多层扫描仪目前可同时获得2个、4个或8个层面，但除双探测器系统外，为了完成1个以上的准直设置，所有多层CT扫描仪有4排以上的探测器。这是依据适当的准直和增加邻近排探测器的信号而达到的。

这里有两种探测器阵列类型，矩阵探测器由相同厚度的平行探测器组成，而自谐调阵列探测器由不同厚度的探测器阵列而 成。这两种类型的探测器各有利弊，目前没有哪个系统真正优于另一个。混合探测器在中央使用较小的探测器，在探测器阵列的周边使用较大的探测器，在所有１６ 层扫描仪中都这样使用。

4、系统性能：

　　系统性能与探测器排数Ｎ成正比且用Ｘ线球管更短的旋转时间ＲＴ（rotation time，RT）而性能有所改善。除双探测器扫描仪外，这个概念同样适用于标准螺旋CT或多层CT。

　　由于高性能系统，快速扫描和薄准直变得可能。用4排探测器的多层扫描仪可对胸腹（层厚＜1·5mm）进行均质成像，但扫描持续时间与“传统”螺旋CT一样。就均质扫描而言仅用8层和16层扫描仪才可使扫描持续时间显著降低。

5、扫描参数：

　　和螺旋CT扫描一样，层面准直（section collimation，SC），每旋转一圈检查床前进的速度（ table feed，TF），以及螺矩（ pitch，P）是多层CT最重要的获取参数。除重建增量（ reconstruction increment，RI）外，重建影像的有效层面厚度或层宽（ section width，SW）也是最重要的重建参数。所有其他参数仅在特殊病例中有所不同，和探测器排数N一起，可得到获取参数N×SC／TF，以及重建参数SW／RI。

　　和多层CT扫描仪一起使用的 pitch有2种解释，取决于探测器阵列（N×SC）是否选择一个层面还是整个准直作为参考。为了区分它们，由众厂商解释的用星号标明（P＊），而为众多物理学家所解释的P代表“正式”：

　　　　　　P＝TF／N×SC螺距，“探测器螺距”，

　　　　　　P＊＝TF／SC“容积螺距”，“射线螺距”

当用单层螺旋CT时，不管探测器排数N为多少，螺距P理论上可增加到2。在4排探测器的多层扫描仪中相当于P＊＝8，而在16排探测器的多层CT中相当于P＊＝32。实践中，根据不同的厂商和扫描仪探测器排数，最大螺距在1·5－2。

　　只要SW大于或等于SC，那么，不依赖SC可选择SW（层厚效应）。可根据厂家，多层原数据插入及重建类型来选择SW。在4层系统中，原数据插入（Z－滤过）可基于类似螺旋CT180°LI和360°LI的算法。但就层厚效应和噪声而言，随着4排探测器螺距P＊从1－8的不同，这此算法的性能也成倍地增加或减少。这是因为第一排探测器的螺旋轨迹与第二、第三或第四排探测器螺旋轨迹重叠而（P＊＝1、2和3），产生冗长的数据。因此，GE公司只使用2个不同的螺距和相应的SWS。用P＊＝3扫描称为HQ（“高质量”）模式，用P＊＝6扫描称为HS（“高速”）模式。所有其他厂家可在1－8之间任意选择螺距。此外，东芝给出各种不同的Z－滤过的选择，可根据各个用户的需要采用SW及噪声状态。西门子决定用一个自调谐Z－滤过，确保恒定的SW而不依赖于螺距的选择。同时，在一个恒定病人剂量上影像噪声也不依赖于螺距。后一种方法使用户操作更容易，因此他们不再担心螺距、剂量以及影像质量之间的关系。

　　用8排和16排扫描仪锥形X线束效应变得更显著，而对原数据插入及重建需要新的算法。当前所使用的技术（锥形X线束插入）从真正3D背投影到每一个Z位置的斜面重建，然后从一个真正的3D容积数据插入。

　　用GE公司的扫描仪时用户根据临床需要首先选择层宽SW，和单层螺旋CT一样，但对于4层扫描仪在各个步骤中SW是最小探测器准直的倍数（即：1·25、2·5、3·75、5、7·5和10mm）。所以，用户不得不决定是否用4×1·25mm或较厚的准直扫描。对于多平面重建（MPR），数据组不得不再次用较薄的层面重建。

　　如果用其他类型的扫描仪，首先选择获取影像的参数，然后再决定重建参数，以适合临床情况。可任意改变重建SW（通常为1mm），但前提是它比选择的准直SC大。

　　在许多临床设备中，重建SW将类似于在单层螺旋CT中所使用的数字。对于胸腹部，大部分常规设备有5－7·5mm将足够了。而对于肺或骨骼的高分辨率CT（HRCT），1·5－2mm的SW将产生好的结果。

　　当要求成像平面而不是原始轴层时，MPR将不得用薄层重叠数据库来进行。薄层宽（SW）和50%SW的重建增量（RI）为“第二类原始数据”。对于小视野（fields of view，FOV视野），RI不需要比像素尺寸（＝FOV／512）小。为了最佳信－噪比，应选择比准直SC宽25－30%的SW（即，当准直为4×1 mm时，SW＝1·25mm），因为如果SW等于SC，那么影像噪声不按比例增加。然后用第二类原始数据建立任意方向（甚至轴）的平面重建和依赖于噪声水平以及临床成像的层面厚度。在多数情况下只有厚的影像用于临床报告。

6、放射线曝光：

　　与同一厂家的螺旋CT扫描仪相比，当使用相同毫安病人曝光量显著增加。这是因为扫描仪几何改变导致每毫安高CT剂量指数（CT dose index，CTDI）（如：GE公司）或由于不再给定毫安，但提供毫安效应（ mAseff=m／s／p）（如：西门子公司）。在后种情况下，螺旋CT扫描用160mAs,5mm准直，床速8mm（P＝1·6→100mAseff），而同等病人曝光多层扫描仪需100mAs（mAseff更精确）。一些用户仍然用160mAseff，因此增加病人剂量。

　　用薄准直将显著增加影像噪声。与螺旋CT相比，它通过增加mAseff至少可以部分补偿。由于较少的部分容积效应，用薄层允许较高的影像噪声。不管怎样，重建较厚的层面，不仅MPR，轴象也能避免所需剂量的增加。

　　从原数据中可直接重建轴位影像，而MPR最佳质量需要首先“第二类原数据”的重建。这些数据通过容积数据可用于重建冠状位、矢状位或任意方向重建。而且依据增加这些重建的厚度可提高影像质量。用此技术多层CT所需剂量保持在同样层厚螺旋CT的相同状态。

　　低剂量和超低剂量也可以，尤其对高对比结构，如肺或骨骼。在检查人体横断面的放射补偿是适当的（儿童、瘦的病人、胸、颈、四肢）的情况下，低kVp技术增加骨、对比剂的CT补偿，这样可在不削减信－噪比的情况下降低剂量。例如：在80－90kVp肺血管的CTA效果很好，只需1mSv的有效剂量，超低剂量应用可降至0·4mSv以下。此剂量相当于采用100速屏－片系统传统后前位和侧位胸片之和。

7、影像显示和评价：

　　与螺旋CT一样，电影显示中影像重复显示主要依据（厚）轴层交互式显示。此外，甚至作为一种替代，可重复显示MPR（如冠状面）。由技术人员进行这些MPR的重建，以便影像快速判读；在轴层保留不清的情况下，也可作为一种解决问题的工具由放射学家进行交互式MPR重建。

　　各种不同的3D显示技术提供了优质影像，尤其对CTA和骨的检查。近来容积再现作为标准应用也变得更加有趣，对于近乎全向多层CT数据的影像重复显示，也可作为一种初步模式来使用。

8、3D显像技术：

当今用于临床3D工作站的4种主要显像技术是多平面重组（multiplanar reformation，MPR），最大密度投影（maximum intensity projections，MIP），表面遮盖显示（shaded surface displays，SSD），以及容积再现（volume rendering，VR）。前两种技术只限使用于外观显像，而后两种技术可用浸入式或内部显像，可作为内窥镜使用。

在数据显示方面，MPR是一个非常方便且适用的技术。传统MPR的一个主要局限是要显示的结构必须位于一个平面内，而希望3D显示的几乎所有结构都不在单个平面内，所以一个MPR不能显示一个结构的全部，当结构弯弯曲曲时MPR会产生伪狭窄。用曲面重组（curved planar reformations，CPR）可以解决这个问题。

类似于MPR，CPR是一个单体素厚度断层，但它能显示一个连续纵断面，因为此显示平面曲线沿着兴趣结构。在横断面上，根据观察人为地在兴趣结构上设置点来创建CPRS、MPRS、MIPS、SSDS或VRS。这些点与通过容积垂直希望进行CPR观察延伸的3D曲线相连。CPRS对于显示管状内部结构，如血管、气道以及肠腔是十分有用的。它对于立即显示这些腔的邻近结构，如：附壁血栓、外部或外生性肿瘤也非常有用，而不用任何数据编辑。CPRS的一个显著局限是它高度依赖于曲线的精确度。位置不精确或点的数目不够可导致曲线“脱离”兴趣结构，产生伪狭窄。而且，一个单一曲线不能充分显示偏心病变；因此，应该产生彼此垂直的两条曲线来提供更完整的偏心病灶的显示，尤其是狭窄。

当选择一个特定的投影（如前后位），X线垂直射向在2D输出影像上用各个X线编码的最大汇集值的容积数据影像时，形成了MIPS。其结果是全部容积“损害”，而只有最亮结构才显示。这种方法的变异包括用于显示气道最小密度投影（minimum intensity projection，MinIP）；和各个X线所有象素值汇集以提供一幅类似于X线照片影像的X线总数或平均密度投影。

MIPS优于MPRS有一点在于不在单一平面的结构可作为一个整体显示。但是，MIPS的局限在于骨或其他诸如比对比增强血管还细小的结构将模糊血管。同样当进行MinIPS时，对病人的外部气体将模糊气道和周围的肺。克服这些局限有2种方法：厚－MIP和预览校对。经限定数据的平面，然后“加厚”垂直这个平面产生厚－MIPS。加厚平面的过程可用于MIP、MinIP、线束或VR。选择一个不会导致十分高的衰减结构（骨或金）和兴趣结构（血管）垂直的厚层面，无需消耗时间也无需依赖校对操作，兴趣结构就可清晰显示。然而，这种方法只限于5－30mm厚的显示。如果希望较大容积的扫描数据的MIP，那么必须重点校正数据以去除模糊结构。模糊组织解决后，MIPS还有一些永久局限。它们不能提供深层次及复杂解剖部位的评价。比如，主动脉瘤的颈部，当显示分叉部时相对于先天性分支缩短很难识别归因于其基部的长度与主动脉本身的重叠。

表面遮盖显示依赖灰阶从一个发光的假像源去编码表面映像提供优美的3D解剖显示。SSDS主要用于临床工作站显示单一表面，是用户选择阈值间的界面。因此，12bit的CT数 据用各个象素阈值的上下限转化为二进制数据。一些工作站允许用不同的彩色表面来定义和显示多个阈值范围。在此，不同的色彩编码不同组织类型或结构以帮助它 们相邻结构的显示。对于各个类型，通常需要用阈值和校对进行数据分段，这将增加所需的算术处理时间。如果不考虑给定的组织或分类数确定各类阈值范围的选择 通常是任意的，实质上可以限制数据判读的精确性尤其是当判断狭窄的程度时。当钙化灶伴随着动脉狭窄时更是这样。通常斑块脱落在血管腔阈值范围内，导致局部 扩张的假像，而不是狭窄。

最终，最复杂的显示技术是VR。对于VR有 许多不同的显示和界面，但通常的方法是从整个透明到整个不透明的各种不同的不透明水平来赋予所有体素值。这种不透明的函数可应用于作为特殊组织类型分类的 整体或直方图的区域体素值的直方图。后者，选择相当于结构衰减值范围的矩形或梯形区域。梯形斜面从不透明的高处到完全透明的底边试图计算出结构边缘的部分 容积效应。在梯形区域内或适当位置不透明曲线有一个陡的斜面被称为协定的过渡区，类似于SSDS的阈值水平。光效应可在类似SSD的模式下激活。因为VR没有表面限制，应用光效应基于空间梯度（如：一个局部体素附近内的衰变率）。结构边缘附近（高梯度）空间衰变率变化比结构中心（低梯度）更快。光效应在高空间梯度区域得到最佳体现。因为光效应和透明变化同时显示，在色彩方面它对VRS显示常常有用。彩色应用于衰减直方图可允许象素值的不同以及避免光效应模糊，可用灰阶刻度编码。其他变量如反射率，可得到表面光照模型，但使用时要小心避免显示不清。

9、编辑：

临床CT数据的有效和准确3D显示面临的挑战是平衡需要和不需要校对显示技术的使用。通常，更倾向于避免校对时间的耗费，但，在1997年临床上大部分工作站是不可避免的。校对有快速又简单的交互式切面的选择到用由3D　ROI校对区域延伸或连通性提供的中间步骤进行2D　ROI的选择。

当SSDS或VRS显示时，切面的使用对去除位于我们观察点和兴趣解剖之间的模糊结构非常有用。切面通常可任意取向，MPRS只限于曲线结构的显示，同样道理，切面只限于去除曲线结构。然而，在“适时”校对和显示环境中，切面校对是仅有的成功方法。最终，适时显示和分段需要改善容积分析效率，但此工具需变得更适用且硬件必须更快。

当画一个长方形或更复杂的形状，甚至是沿适当的线径把体积压缩成一定形状来选择ROI时，一个3D　ROI的编辑就完成了。被选中的区域或是被去除或是为透视图而专门保留。就一个ROI的描绘要求十分便捷的技术，这样才能被应用于横断面。当进行MinIPS时，它可用于消除胸部周围的气体；或仅保留颈椎或腰椎区域时，它有利于从数据集中去除脊柱。对于完成这种类型编辑的最简单的方法是从允许劈开平面的上、下进行MIP，如：从脊柱和主动脉之间来识别。通常需要上部前旋10°－20°以校正腰椎前凸。然而，这种类型的编辑不能充分地去除骨盆、头颅和大部分肋骨，尤其是近胸腔入口处，此劈开的平面介于兴趣和含糊结构之间的解剖不能被识别。

处理区域的延伸／连贯性和块编辑问题有2个 主要方法。两者都很有效，但当兼用逻辑运算，如减法时，在常规区域延伸是十分灵活且有效的。区域延伸或连贯性是一个基于阈值的过程，在兴趣结构内选择一个 种子点，并允许其“长入”被限定阈值范围内的相关体素内。区域延伸作为单一编辑工具是不够的，因为种子可能会长进不合乎需要的结构内，也就是典型的“损失 ”区。为了克服这个问题，限制切面或“手术刀切”可用于不同数目的层面以分解结构。此技术的一个典型应用是分解从骶骨作为离开盆腔的臀上动脉。在数秒钟可 分解动脉和骨骼之间的这些预知的损失部位。剩余横断面的快速搜索可显示与主动脉相关的疑难骨赘，一定是类似的分解，然后应用区域延伸并选择主动脉及其分 支。采用区域延伸编辑CT数据有2种 方法。首先也是最直观的是兴趣结构的选择以及从数据中删除所有未被选择的体素。此法有许多局限。首先，仅用一个区域延伸步骤可能会无法识别兴趣结构，如： 一个闭塞血管的两边重建末端由于侧枝血流或一个高度狭窄的血管使阈值变得不连续。其次，对于区域延伸值的选择，结构边缘将被任意地截去。因此，代表介于兴 趣结构和背景之间转变的一个部分容积效应的边缘体素被排除了。当SSDS看上去很好时，MIPS将好象用一把剪子从数据中去除它们来显示。这后一个局限可用一个简单扩大法来克服：编辑可“放宽”1－4个体素以包括这些边缘；然而，前一个局限不能用扩张来解决。于是，最好的方法是用区域延伸去识别骨骼，扩大它们3－4个体素以包括边缘并从原始数据中减掉它们。采用此法显示没有骨骼重叠的主动脉髂骨段结构，在5分钟之内就可编辑一个200层腹部和骨盆横断面的MIP。此编辑数据也可用于无骨骼的SSDS显示，提供主动脉及其分支的后面观。

块编辑也是编辑数据的一个有效方法。块编辑可依据用户预先选择不同层厚的数据块来工作。块被显示为MIPS块并在各个块上画出一个ROI。块越少，ROI绘画就越少，但要去除复杂结构则需要多些的块。在许多应用上，每个块采用5－10个横断面，改善了同类2D　ROI编辑的效率。此技术只限用于以下部位，如：骨盆，髂动脉贴近于盆壁，且骨盆有一个血管压迹或与颅底相邻的Willis环。

最耗时的编辑技术是层与层的2D　ROI编辑技术，此技术在各个断面上要分别画一个ROI。此技术提供了最佳控制，但非常耗时，只有在上述方法不行的情况下使用。

10、腔底显示：

螺旋CT显示管腔内表面的能力促使“仿真内窥镜”的临床应用以检查肠腔、气道、血管和输尿管。尽管这些技术的应用几乎没有什么临床价值，但它们已引起了放射学家和其他临床大夫们的兴趣。“仿真内窥镜”这个术语是个时髦话，它却是含糊的、可以自由地应用于显示管腔内部的任何技术。

用SSD或VR可显示管腔内表面，基本方法是为SSD识别阈值水平，去除对管腔衰减的类似体素（对于充满气体的管腔为－900－－1000HU，对于对比增强的血管为150－400HU）；或为VR识别不透明的曲线，使管腔完全透明。重要的是要识别这些再现可显示腔对比与腔外衰减之间的界面，而不是粘膜或内膜界面。一旦消除腔内体素或再现透明时，必须建立一个视窗以不妨碍腔内的显示。最终有二种主要对策，即：采用切面正交表面再现和浸入透视再现。

正 交再现是最常见的再现类型，尤其是表面再现。它们基于光线到达我们的眼睛是平行的这一前提，就象从很远的地方用一个高倍望远镜观察结构。其结果是，对于观 察点的大致结构不会影响再现尺寸。这种方法与下述的透视再现是对立的。尽管正交再现仅仅用于数据外部观察点的显示，但是当采用兴趣结构腔内定位切面时它可 用于内部显示。这就好象开一个窗进入管子以显示它的内部。此技术常用于提供局部快照，但目前却不能提供管腔内所有内表面的连续显示。大面积内表面显示可用 浸入再现。

浸入再现意味着观察点在数据内。为了近距离了解深层关系，必须用透视来观察结构，它是显示空间关系类似仿人显示系统的一个模型，把光线聚焦于视网膜上。透视现象帮助识别基于结构大小的距离，正如一个靠近眼睛的结构要比远离眼睛的结构要显示得大。其程度取决于我们的“镜头”FOV决定观察作用，尤其取决于观察点显示发射的顶角的大小。角度越大透视范围越大，距离－大小关系差异就越大。大多数CT数据的透视再现用一个20°－90°的FOV进行。用透视均能再现SSDS和VRS，并可用于没有机械局限的仿真纤维光学内窥镜观察腔底，以评价腔及观察方向。浸入显示的最大挑战是导航。一个仿真内窥镜的飞行如同一个直升飞机的飞行。对于位置和观察方向均存在3个空间自由度。当研究选择适当的阈值（SSD）或阻光率（VR）和颜色的挑战时，这些显示相当复杂。进一步讲，不用一些观察位置的外部显示，不管是3D模型还是MPRS，很容易失去其腔内定位的踪迹。通过腔中心自动进行一个飞越路径的技术正在提高并显示可喜的结果。关于仿真内窥镜的特性可能存在许多变异，目的在于提高效率和简便，在不远的将来将会有所发展。然而在与现行标准相背的这些技术合法化之前，CT内窥镜仍将是一个主要的研究工具。

尽管在过去几年容积分析取得一定的进步，但必须继续发展。伴随着操作速度和记忆容量的增加而削减成本的趋势还将继续，并预示好的前景，今天硬件分解管理大容量MDCT数据组，明天甚至是更大容量的MDCT数据组。显示的改进、量化分析的提高以及切割工具的完善必将加速满足放射学家提供近乎适时判读的期望。