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CT（Computed Tomography），即計算機斷層掃描，是一種醫(yī)學影像技術。它使用X射線束對人體進行層析掃描，并借助計算機處理產(chǎn)生身體內(nèi)部結構的詳細圖像。CT掃描以其快速、清晰的成像能力，廣泛應用于各種疾病的診斷。1

定義

CT（Computed Tomography，計算機斷層掃描）是一種醫(yī)學影像技術2，它通過精確的X射線束和高靈敏度探測器對人體進行逐層掃描。通過計算機處理掃描得到的數(shù)據(jù)生成身體內(nèi)部橫斷面、冠狀面或矢狀面的高分辨率圖像。CT圖像以不同的灰度反映器官和組織對X線的吸收程度，具有高密度分辨力，能夠清晰地顯示軟組織和骨骼結構。CT廣泛應用于臨床診斷3、治療規(guī)劃和疾病監(jiān)測，尤其在腫瘤、血管病變、創(chuàng)傷和感染的診斷上顯示出極高的價值。

發(fā)展歷史

技術起源

CT技術的起源可以追溯到1895年，當時德國物理學家威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，這是醫(yī)學影像學的重要里程碑。然而，X射線在檢測重疊組織病變方面存在局限性。為了解決這一問題，1963年，美國物理學家艾倫·科馬克提出不同組織對X線透過率差異的理論，為CT技術奠定了理論基礎。

1967年，英國電子工程師戈弗雷·亨斯菲爾德獨立于科馬克的研究，開始研制一種新技術，旨在改進X射線的掃描和成像效果。1971年，亨斯菲爾德制造世界上第一臺CT掃描裝置，并在同年10月4日于倫敦的一家醫(yī)院成功完成了首次頭部檢查。

發(fā)展歷程

1972年，亨斯菲爾德在英國放射學年會上公布了CT掃描技術，標志著CT技術的正式誕生。1974年，全身CT掃描機研制成功，這使得CT技術的應用范圍擴展到了胸、腹、脊柱及四肢。隨后，CT技術經(jīng)歷了幾代的發(fā)展。第一代CT機采用平移/旋轉方式進行掃描，但由于技術和設備的限制，圖像質(zhì)量較差。第二代CT機通過改進X線束和增加探測器數(shù)量，提高了圖像質(zhì)量和掃描速度。第三代CT機進一步增加了探測器數(shù)量，并采用旋轉/旋轉方式，顯著減少了掃描時間和偽影，提高了圖像質(zhì)量。第四代CT機通過固定探測器環(huán)狀排列，僅讓X線管圍繞患者旋轉，進一步提升了掃描速度和圖像質(zhì)量。第五代CT機通過電子束技術，實現(xiàn)了更快的掃描速度和更高的時間分辨率，特別適合心臟等動態(tài)器官的成像。

重大節(jié)點

1979年，亨斯菲爾德和科馬克因在CT技術上的貢獻共同獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，這是對CT技術重要性的國際認可。
20世紀80年代末，螺旋CT的發(fā)明標志著CT技術進入了一個新的時代，螺旋CT通過連續(xù)旋轉和檢查床的移動，實現(xiàn)了更快的掃描速度和更好的圖像質(zhì)量。
1998年，多層螺旋CT的問世，使得CT掃描能夠同時獲取多個層面的圖像，極大地提高了掃描效率和診斷能力。

階段性成果

1971年，世界上第一臺CT掃描儀的誕生，可以用于顱腦檢查。
1974年，全身CT的研制成功，使得CT技術可以應用于全身各個部位的檢查。
1997年，中國第一臺具有自主知識產(chǎn)權的全身CT研制成功。
20世紀80年代末，螺旋CT的出現(xiàn)，使得CT技術在掃描速度和圖像質(zhì)量上都有了顯著提升。
21世紀初，隨著多層螺旋CT和寬錐束CT的發(fā)展，CT技術在心臟成像、三維重建和血管造影等方面取得了重要進展。

近年來，隨著雙源CT和能譜CT等新技術的應用，CT技術在提高圖像質(zhì)量、降低輻射劑量和增強功能成像方面取得了新的突破。目前，CT技術已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷不可或缺的工具，對提高疾病診斷的準確性和治療的精確性發(fā)揮了重要作用。

基本原理

成像原理

1.基本原理4

CT是一種醫(yī)學影像技術，它通過使用X射線對人體進行層析成像，生成身體內(nèi)部結構的詳細圖像。CT掃描的基本原理是利用X射線束對人體特定厚度的層面進行掃描。X射線在穿透人體時，由于不同組織對X射線的吸收程度不同，探測器接收到的射線強度會有所變化。這些變化的射線信號被轉換為電信號，并通過模擬/數(shù)字轉換器轉換為數(shù)字信號，然后輸入計算機進行處理。

在CT成像過程中，選定的層面被分割成許多體積相同的小立方體，這些小立方體被稱為體素（voxel）。每個體素的X射線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)通過計算機計算得出，并被排列成一個數(shù)字矩陣。這個數(shù)字矩陣可以存儲在磁盤或光盤中，并通過數(shù)字/模擬轉換器轉換為不同灰度的像素（pixel），最終按照矩陣排列構成CT圖像。因此，CT圖像是一種重建圖像，每個體素的X射線吸收系數(shù)可以通過數(shù)學方法計算得出。

2.工作程序

CT的工作程序涉及以下幾個關鍵步驟：首先，根據(jù)人體不同組織對X線的吸收和透過率的不同，使用高靈敏度儀器對人體進行測量。測量所獲取的數(shù)據(jù)隨后被輸入到電子計算機中進行處理，最終生成人體被檢查部位的斷面或立體圖像，從而能夠發(fā)現(xiàn)體內(nèi)檢測部位的細小病變。

3.掃描方式

CT掃描方式經(jīng)歷了從最初的靜態(tài)平移掃描到連續(xù)旋轉掃描，最終發(fā)展到現(xiàn)代的螺旋CT掃描。現(xiàn)代CT掃描技術能夠在短時間內(nèi)完成連續(xù)層面掃描，避免了由于身體運動如呼吸運動造成的圖像模糊，提高了圖像質(zhì)量。此外，螺旋CT掃描還可以實現(xiàn)三維重建，為臨床提供更豐富的診斷信息。

4.圖像重建

CT圖像的重建通常采用多種數(shù)學算法，如直接反投影重建方法、濾波反投影算法（FBP）、直接傅立葉變換算法等。這些算法能夠從投影數(shù)據(jù)中求解物體內(nèi)部衰減系數(shù)的分布，從而無損地檢測物體內(nèi)部結構信息。圖像重建是CT成像過程中的關鍵步驟，它直接影響到最終圖像的質(zhì)量和診斷的準確性。

設備構成

CT設備主要由掃描部分、計算機系統(tǒng)、圖像顯示與存儲系統(tǒng)三個核心部分組成。5

1.掃描部分

掃描部分是CT設備中直接與患者接觸并進行成像的部分，它由以下幾個關鍵組件構成：

X線管：這是產(chǎn)生X射線的裝置。X線管能夠發(fā)射出穿透人體組織的X射線束，是CT成像的基礎。
探測器：探測器的作用是接收穿透人體后的X射線，并將其轉換為電信號。隨著技術的發(fā)展，探測器的數(shù)量已經(jīng)從最初的單個發(fā)展到多達4800個，這大大提高了成像的效率和質(zhì)量。
掃描架：掃描架是支撐X線管和探測器的機械結構，它允許X線管和探測器圍繞患者旋轉，以獲取不同角度的圖像數(shù)據(jù)。

2.計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)是CT設備的“大腦”，負責處理由掃描部分收集到的數(shù)據(jù)。計算機系統(tǒng)的主要功能包括：

數(shù)據(jù)存儲：將探測器收集到的電信號轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，并存儲在計算機系統(tǒng)中。
數(shù)據(jù)處理：利用復雜的算法對收集到的數(shù)據(jù)進行分析和計算，以重建出人體的橫斷面圖像。
圖像重建：計算機系統(tǒng)能夠快速運算，實現(xiàn)圖像的即時重建，這對于臨床診斷具有重要意義。

3.圖像顯示與存儲系統(tǒng)

圖像顯示和存儲系統(tǒng)負責將計算機處理后的圖像以直觀的方式展現(xiàn)出來，并進行存儲：

圖像顯示：處理后的圖像可以在監(jiān)視器上顯示，供醫(yī)生進行診斷分析。
圖像存儲：圖像數(shù)據(jù)可以被存儲在各種媒介上，如傳統(tǒng)的膠片、數(shù)字磁盤或云存儲系統(tǒng)中，以便于未來的參考和研究。

技術特點

掃描方式

CT的掃描方式分為平掃、增強掃描、造影掃描、螺旋CT掃描、雙能量CT掃描和快速CT掃描六種。

1.平掃（Plain CT Scan）

平掃是最基本的CT掃描方式，它不涉及使用任何造影劑。在平掃中，患者簡單地置于CT掃描儀中，X射線管和探測器圍繞患者旋轉，收集穿透身體后的射線數(shù)據(jù)。平掃通常作為初步檢查，用于觀察骨骼、肺部等結構，以及在沒有使用造影劑的情況下評估患者的病情。

2.增強掃描（Contrast Enhancement, CE）

增強掃描是使用造影劑來提高圖像對比度的一種掃描方式。造影劑通常是含碘的水溶性有機化合物，它通過靜脈注射進入患者體內(nèi)。造影劑會集中于血管中，隨著血液循環(huán)，可以增強特定器官或組織在CT圖像中的可見性。增強掃描對于檢測血管病變、腫瘤、炎癥等具有重要價值。

增強掃描主要有兩種方法：

團注法：快速注入造影劑，以獲得器官或病變區(qū)域的高對比度圖像。
靜滴法：持續(xù)緩慢地注入造影劑，適用于長時間觀察血流動態(tài)。

3.造影掃描（Contrast CT Scan）

造影掃描是在進行CT掃描之前，先對特定的器官或結構進行造影。這通常涉及到將造影劑直接注入到感興趣的解剖區(qū)域，如腦池、關節(jié)腔等。造影掃描可以清晰地顯示這些區(qū)域的結構，以及可能存在的病變。例如，腦池造影CT掃描涉及將造影劑注入腦池，然后進行CT掃描，以清晰顯示腦池及其中可能存在的小腫瘤。

**4.螺旋CT掃描（Spiral CT Scan）**6

螺旋CT掃描是一種先進的掃描技術，它允許CT掃描儀在患者平移通過機器的同時連續(xù)旋轉，并收集數(shù)據(jù)。這種掃描方式可以快速生成整個體積的數(shù)據(jù)，減少了運動偽影，并且允許三維圖像重建。

5.雙能量CT掃描（Dual-Energy CT Scan）

能量CT掃描是一種使用兩種不同能量水平的X射線進行掃描的技術。這種方法可以提供關于組織成分的更多信息，有助于區(qū)分不同類型的組織和物質(zhì)，常用于鑒別尿路結石的類型或評估肌肉和脂肪的分布。

6.快速CT掃描（Rapid CT Scan）

快速CT掃描技術可以在短時間內(nèi)完成掃描，適用于需要快速診斷的情況，如急診室中的創(chuàng)傷評估或小兒患者的檢查。

圖像特點

1.灰度表示法

CT圖像由不同灰度的像素組成，這些像素按照矩陣排列構成圖像。每個像素代表一個體素（voxel）的X線吸收系數(shù)。體素的大小和數(shù)量決定了圖像的清晰度和細節(jié)程度。像素越小，數(shù)量越多，圖像的空間分辨率越高。

2.高密度分辨力

與X線圖像相比，CT圖像的最大優(yōu)勢是其高密度分辨力。CT能夠區(qū)分密度非常接近的不同組織，如軟組織結構，這是X線圖像難以做到的。CT圖像中的黑白灰度不僅表示組織的吸收程度，還能通過CT值（Hounsfield units, Hu）進行量化，顯示組織內(nèi)部的細微結構和差異。

3.CT值量化

CT圖像中，組織的密度通過CT值來量化，CT值反映了組織對X線的吸收程度。水的CT值定義為0 Hu，提供了一個參考點，使得CT圖像能夠定量地反映組織的密度差異。

4.層面圖像

CT圖像是層面圖像，最常用的是橫斷面圖像。通過連續(xù)的層面圖像，可以完整地顯示整個器官的結構。此外，借助CT設備上的圖像重建程序，還可以重建出冠狀面和矢狀面的圖像，為醫(yī)生提供多角度的觀察視角。

5.空間分辨率

CT圖像的空間分辨率指的是圖像中可區(qū)分的最小細節(jié)。較高的空間分辨率意味著圖像的細節(jié)更加清晰。然而，CT的空間分辨率通常不如X線圖像高，這是因為CT圖像的像素大小和數(shù)量會影響其空間分辨率。

6.密度分辨率

密度分辨率是CT圖像另一個重要的質(zhì)量指標，它描述了圖像中能顯示的最小密度差異。CT的密度分辨率通常很高，這使得CT成為檢測小病變和區(qū)分細微密度差異的理想選擇。

7.圖像后處理技術

CT圖像的后處理技術包括多平面重建（MPR）、曲面重建（CPR）、多平面容積再現(xiàn)（MPVR）、表面遮蓋顯示（SSD）、容積再現(xiàn)技術（VR）、仿真內(nèi)窺鏡（CTVE）和血管探針技術（VP）等，這些技術可以提供更豐富的診斷信息和更直觀的圖像顯示。

優(yōu)勢與缺點

CT圖像技術由于其獨特的診斷價值，在醫(yī)療領域得到了廣泛的應用。以下是CT圖像的一些主要優(yōu)勢：

高密度分辨率：CT圖像能夠區(qū)分人體組織之間微小的密度差異，這使得它在檢測和診斷疾病方面非常有效。
快速掃描能力：CT掃描速度快，通常只需幾分鐘即可完成，這對于急診情況尤其重要，可以迅速為醫(yī)生提供診斷信息。
多排螺旋CT技術：隨著技術的進步，多排螺旋CT已經(jīng)發(fā)展到了320排，這大大提高了掃描的速度和效率。
PET/CT技術：CT與PET（正電子發(fā)射斷層掃描）的結合，即PET/CT，在臨床上得到了廣泛應用，尤其在腫瘤診斷上顯示出極高的價值。
先進的圖像重建技術：現(xiàn)代CT掃描儀配備有先進的圖像重建技術，能夠提供清晰的橫斷面圖像，有助于醫(yī)生進行準確的診斷。
多平面成像：CT掃描可以重建出多平面的圖像，如冠狀面、矢狀面，為醫(yī)生提供更全面的診斷視角。
定量分析能力：CT圖像可以進行定量分析，測量組織的X射線吸收衰減值，為診斷提供精確數(shù)據(jù)。盡管CT圖像技術具有許多優(yōu)勢，但也存在一些局限性和缺點：
成本高昂：CT設備相對昂貴，導致檢查費用較高，這可能限制了其在某些地區(qū)的普及。
輻射暴露：CT掃描使用的是X射線，存在一定的輻射暴露，對于懷孕婦女和兒童等敏感人群需要特別謹慎。
軟組織對比度：盡管CT的密度分辨率高，但其軟組織對比度不如MRI，這在神經(jīng)系統(tǒng)和盆腔解剖結構的顯示上可能成為限制。
定性診斷限制：CT在某些部位的檢查中，尤其是定性診斷方面，仍有一定的限度，因此不宜將其視為常規(guī)診斷手段。
技術要求高：CT掃描需要專業(yè)的操作和解讀，對技術人員和醫(yī)生的技能要求較高。
對某些病變的診斷能力有限：對于某些病變，如胃腸道黏膜層及肌層的病變，CT檢查可能容易漏診。
圖像質(zhì)量受多種因素影響：CT圖像的質(zhì)量可能受到患者體型、配合程度以及設備性能等多種因素的影響。

應用

醫(yī)學檢查

CT檢查在醫(yī)學診斷中扮演著極其重要的角色。特別是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中，CT能夠提供高價值的檢查結果，廣泛應用于診斷顱內(nèi)腫瘤、膿腫、寄生蟲病、外傷性血腫、腦損傷、腦梗塞、腦出血以及椎管內(nèi)腫瘤和椎間盤脫出等疾病。此外，CT血管造影（CTA）能夠生成精細的血管重建圖像，有望取代傳統(tǒng)的腦血管造影。

在頭頸部疾病的診斷中，CT也非常有價值，能夠發(fā)現(xiàn)眶內(nèi)占位病變、鼻竇早期癌、中耳小膽脂瘤、聽骨破壞與脫位等病變。對于胸部疾病，高分辨率CT的應用日益顯示出優(yōu)越性，尤其在診斷縱隔腫瘤、淋巴結結核、中心型肺癌等病癥時可以提供重要幫助。

對于心臟及大血管的檢查，CT能夠很好地顯示心包病變、心腔及心壁的情況，尤其對于冠狀動脈和心瓣膜的鈣化、大血管壁的鈣化及動脈瘤改變等病癥具有顯著的診斷價值。

在腹部及盆部疾病的診斷中，CT的應用也非常廣泛，主要用于肝、膽、胰、脾、腹膜腔及腹膜后間隙以及泌尿和生殖系統(tǒng)的疾病診斷，尤其對于占位性病變、炎癥性和外傷性病變等具有重要價值。7

工業(yè)檢測

CT技術在工業(yè)檢測中也發(fā)揮著重要作用，特別是在無損檢測和逆向工程中。工業(yè)CT技術能夠探測氣孔、夾雜、針孔、縮孔、分層等各種常見缺陷，并能精確測定這些缺陷的尺寸和位置。與其他常規(guī)無損檢測技術相比，工業(yè)CT技術具有更高的空間和密度分辨率，能夠生成材料缺陷的三維圖像，對于工程陶瓷結構尺寸、材料均勻性、微孔率的精確測量以及微裂紋、夾雜物、氣孔、異常大晶粒等缺陷檢測具有極高的研究和應用價值。

安保檢測

CT設備還被廣泛應用于安保領域，如航空運輸、港灣運輸、大型貨物集裝箱案件裝置等的檢測中。CT技術在此領域的應用能夠?qū)撛诘耐{進行快速而準確的檢測，提高安全性和效率。

相關研究與發(fā)展

未來發(fā)展方向

CT技術的未來發(fā)展將聚焦于提高成像質(zhì)量、降低輻射劑量、增強功能成像能力以及實現(xiàn)多模態(tài)成像融合等方面。8

1) 提高成像質(zhì)量：未來的CT設備將通過采用更先進的探測器技術和圖像重建算法，實現(xiàn)更高分辨率的成像，以更清晰地辨識微小病變。

2) 降低輻射劑量：通過優(yōu)化掃描參數(shù)和使用更智能的劑量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，未來的CT掃描將顯著減少患者接受的輻射劑量，特別是對兒童和需要反復掃描的患者。

3) 功能成像：CT技術將與生物學、物理學和計算機科學的交叉領域合作，發(fā)展功能成像技術，如CT灌注成像，以評估組織血流和代謝狀態(tài)。

4) 多模態(tài)成像融合：CT將與MRI、PET等其他成像技術相結合，提供更全面的解剖和功能信息，為疾病的診斷和治療提供更多維度的數(shù)據(jù)。

5) 人工智能應用：人工智能將在CT圖像的重建、分析和解釋中發(fā)揮更大作用，提高診斷的準確性和效率。

6) 便攜式和低成本設備：便攜式和低成本CT設備的研發(fā)將使高質(zhì)量醫(yī)療服務更加普及，特別是在偏遠地區(qū)和資源有限的環(huán)境中。

類似概念辨析

在醫(yī)學影像領域，CT與其他成像技術相比具有不同的特點和應用范圍：9

X射線成像：傳統(tǒng)的X射線成像是二維的，而CT掃描能夠提供三維的圖像，并且能夠重建出不同層面的圖像。
MRI（磁共振成像）：MRI利用磁場和無線電波成像，對軟組織的成像優(yōu)于CT，但MRI對骨骼的成像不如CT清晰。
PET（正電子發(fā)射斷層掃描）：PET掃描主要用于觀察身體的功能和代謝過程，如癌癥的早期發(fā)現(xiàn)，而CT則更側重于解剖結構的成像。
SPECT（單光子發(fā)射計算機斷層成像術）：SPECT與PET類似，用于功能成像，但使用的是單光子而非正電子。
超聲成像：超聲成像是一種無輻射的成像技術，適用于觀察動態(tài)器官，如心臟和胎兒，但穿透力有限，對骨骼和空氣界面下的成像效果不佳。

科普中國-CT

定義