第5章单层螺旋CT扫描机.docx

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第5章单层螺旋CT扫描机

第五章单层螺旋CT扫描机

八十年代末期，CT机的制造产生了新的进展，出现了螺旋CT扫描技术，因为后来有了双层螺旋和多层螺旋CT，为便于区别起见，现在通常把八十年代末出现的螺旋CT改称为单层螺旋CT，以区别于随后出现的双层螺旋CT和多层螺旋CT。

螺旋CT扫描方法又被称为容积扫描（VolumetricCT）是医学成像方法方面的一个重要进展。

螺旋CT扫描的概念最初在1987年见于文献记载（Mori1987）。

80年代后期日本开始这方面的研究工作并发表了相应的文章（Katakuraetal.1989;Idaetal.1990）。

螺旋CT物理性能的研究和临床方面的应用最早见于1989年的北美放射（RSNA）年会（Kalenderetal.1989;Vocketal.1989）。

有关螺旋扫描内插方法的深入研究由下述一些学者完成（Skrabacz1988;BreslerandSkrabacz1989;CrawfordandKing1990）。

图5-1两种不同的螺旋结构spiral和helix

螺旋一词在英文中有两个表述方法，一个最早见诸Kalender教授的文章，称作“spiral”，后来其它一些文章和有些厂家也采用“helix”或“helical”一词。

1993年，Towers在美国放射学杂志（AmericanJournalofRoentgenology,AJR）上载文提出“spiral”和“helix”两个词的不同含义，认为“helix”是表示一个筒形的螺旋结构，而“spiral”则可同时表示筒形和锥形两种螺旋结构，因此他推荐使用“spiral”一词（图5-1）。

但也有读者提出不同看法，他们从数学概念出发，认为“spiral”是描述一个平面结构的螺旋，而“helix”则表示了一个三维空间的螺旋结构，因此“helix”或“helical”是最恰当表述螺旋CT这种新扫描方法概念的两个词。

两种说法各执一词，后来，螺旋CT方面的权威Kalender教授写信给美国最具权威的放射学杂志（Radiology），支持使用“spiral”一词，一场纷争由此结束。

目前，美国放射学杂志（Radiology）对所有发表的论文允许作者使用两个词中的任何一个，即“spiral”或“helical”。

一、单层螺旋的扫描方式

非螺旋CT扫描通常是病人和检查床固定的情况下，机架旋转、X射线曝光，同时采集一个层面扫描的原始数据，由计算机作图像重建后传送给显示器显示，在两次扫描的间隔时间内移动床位，准备下一层面的扫描，在扫描时病人屏住呼吸，扫描间隔的停顿时间，病人被允许呼吸，如此周而复始，直至扫完整个预定的检查部位或器官。

一般，这一过程必须经历四个步骤才能完成，即球管和探测器系统启动加速、X线球管曝光采集扫描数据、球管和探测器系统减速停止和检查床移动到下一个检查层面。

而螺旋CT扫描（Spiral或HelicalCT），是在球管——探测器系统连续旋转的基础上，病人随床一起以一定的速度纵向连续运动，同时X线连续曝光并采集数据，扫描完毕，可根据需要作不同层厚和层间距的图像重建。

从以上简单的归纳，我们看到非螺旋CT逐层扫描的方法有很多不足之处：

首先由于球管电缆的制约使一次检查的时间相对较长，因为球管——探测器系统的旋转为避免电缆的缠绕必须反转，而这一机械逆向运转又减缓了下一次启动的速度（图5-2）；其次由于病人的屏气、呼吸、再屏气造成了呼吸幅度的不一致，有可能使被检查部位中的小病灶遗漏（图5-3,4）；第三同样由于呼吸的原因，在多平面重组和三维成像的图像中会产生阶梯状伪影（图5-5，）；第四由于非螺旋CT扫描需要不断地启动停顿，整个检查时间长，在增强扫描检查中，它可影响最佳对比剂显示时机，往往一个检查部位的增强扫描，增强

效果较好的可能只有几层。

图5-2两种不同扫描方式比较

图5-3非螺旋CT扫描方式

螺旋CT扫描（Spiral或HelicalCT），它采用了滑环技术，去除了球管和机架连接的电缆，球管——探测器系统可以单向连续旋转，每旋转360°一般为一秒，使扫描的过程大大加快。

又因为扫描时检查床同时单向移动，球管焦点围绕病人旋转的运行轨迹形成一个类似螺旋管，它采集的不是一个层面的数据，而是一个器官或部位的扫描数据，因而这种扫描方法又被称为容积扫描（VolumeCT）（图5-6）。

容积扫描一般有以下要求：

（1）基于滑环技术的扫描架连续旋转运动；

（2）检查床单向连续移动；（3）X线球管的负载增加，一次旋转球管的电流输出必须大于200mA，以适应容积数据采集的需要；（4）球管冷却性能必须提高；（5）采用螺旋扫描加权图像重建算法；（6）大容量的内存，适应大容量、快速数据采集的要求。

容积扫描和非螺旋扫描最大的不同是数据的采集方式，在容积扫描方式中，X线球管运行轨迹的半径（焦点至旋转中心）等于运行距离，因而能够得到一个完整的容积采集数据。

在螺旋方式扫描时，检查床的平移速度必须恒定也不能太快，否则会使重建后图像产生运动伪影，甚至使病人产生眩晕，一般是10mm/s，总计扫描时间24秒（240mm）或32秒（320mm）。

螺旋扫描因不同于非螺旋扫描方式，所以有下述一些新的概念：

（1）没有明确的层厚概念，因此无法按照非螺旋扫描方法来确定层厚；

（2）根据螺旋扫描的运行轨迹，层面表示也完全不同。

非螺旋扫描经过360°旋转，采集到的是一层完全平面的扫描数据，而螺旋扫描则是采集到一个非平面的扫描数据，焦点轨迹的路径不形成一个平面，是一个容积采集区段（图5-7）；（3）由于扇形扫描束和检查床的移动，有效扫描层厚增宽；（4）常规标准方法的图像重建要求扫描能产生一致的投影数据，而螺旋扫描由于螺旋运行轨迹，没有明确的层厚使扫描投影数据产生不一致；（5）由于不一致的投影数据，如果采用常规标准方法重建，使重建后的图像产生条状伪影。

图5-4螺旋CT扫描方式

图5-5非螺旋扫描（A）与螺旋扫描（B）三维图像比较

二、单层螺旋扫描的图像重建

由于非螺旋扫描，X射线是以不同的方向通过病人获取投影数据，并利用平面投影数据由计算机重建成像，因此非螺旋扫描的投影数据是一个完整的圆形闭合环，而螺旋扫描的圆形闭合环则有偏差（图5-8）。

螺旋扫描是在移动中进行，覆盖360度角的数据用常规方式重建会出现运动伪影（图5-9）。

为了消除运动伪影，必须采用不同的图像重建方法从螺旋扫描数据中合成平面数据，这种重建方法被称为内插法（图5-10），即螺旋扫描数据段的任一点，可以采用相邻两点扫描数据通过插值，然后再作滤过反投影重建一幅螺旋扫描的平面图像。

图5-6螺旋CT扫描方式和图像重建

图5-7容积扫描数据和图像重建范围

图5-8螺旋CT扫描原始数据采集不对称现象

目前最常用的数据内插方式是线性内插（linearinterpolation,LI），线性内插是重建螺旋扫描图像的一种简单方法。

在单层螺旋扫描方式中，一般采用360°线性内插和180°线性内插两种算法。

360°线性内插算法在螺旋扫描方法出现的早期被使用（图5-11），它是采用360°扫描数据向外的两点通过内插形成一个平面数据，这种内插方法的主要缺点是由于层厚响应曲线（slicesensitivityprofile,SSP）增宽，使图像的质量有所下降。

为了改善图像质量，后来采用了180°线性内插算法。

180°线性内插是采用靠近重建平面的两点扫描数据，通过内插形成新的平面数据（图5-15，）。

180°线性内插和360°线性内插这两种方法最大的区别是，180°线性内插采用了第二个螺旋扫描的数据（图5-12虚线部分，CTVer2），并使第二个螺旋扫描数据偏移了180°的角，从而能够靠近被重建的数据平面。

这种方法能够改善SSP，进而改善了重建图像的质量。

其它一些内插的方式如“高序非线性内插”也被有些CT生产厂家使用，它能进一步改善SSP的形状，降低图像的噪声，但由于商业机密的原因，我们无法精确了解这种内插算法的详情。

图5-9左图采用螺旋扫描数据直接重建，结果图像显示有伪影

右图螺旋扫描数据采用内插法重建，结果图像质量改善

图5-10螺旋CT容积扫描数据和图像内插重建方法

图5-11螺旋扫描图像重建360度线性内插法

在螺旋扫描内插算法的研究过程中曾被使用过的算法还有：

全扫描（full-scan），不完全扫描（under-scan），内插全扫描（full-scanwithinterpolation），半扫描（half-scan），内插半扫描（half-scanwithinterpolation）和外插半扫描（half-scanwithextrapolation）。

全扫描法是360度收集原始投影数据，在卷积和反投影前不作修正。

因而，全扫描法是最简单的内插算法。

不完全扫描和半扫描法分别是360度和180度加一个扇形角，它们的原始投影数据在靠近扫描的开始部分和结束部分采用不完全加权，通过靠近扫描中间部分的加强加权投影来补偿。

内插全扫描法的360度平面投影数据，通过邻近同方向的原始投影数据线性内插获取，因而重建涉及的原始数据达720度范围。

内插半扫描法利用多余的扇形束原始数据，在原始数据附近的相反方向内插，可减少数据采集角范围到360度加两个扇形角。

外插半扫描法没有内插半扫描法那种投影射线的位置必须不同于重建平面的情况，如果相对的射线来自于平面的相同位置，外插半扫描法估计这个相应的投影值，否则，内插则按照内插半扫描法进行。

图5-12螺旋扫描图像重建180度线性内插法

三、单层螺旋扫描的硬件结构改进

螺旋扫描CT机的外形与非螺旋扫描CT机差别不大，但其中的一些重要部件则明显地不同，其中最大的差别是滑环结构。

滑环技术于七十年代末由Varian联合公司（VarianAssociates）工程师设计制造。

当初，该技术曾用于第三和第四代的CT扫描机，由于一些技术上的原因如球管的热容量和校正床运动的图像重建方法还未解决，使当时的滑环技术未能进一步发展。

近年来，由于CT机制造技术方面的进步，促使了利用滑环技术的螺旋CT的诞生。

在滑环结构上，其固定的部分是前端存储器、计算机和初级高压发生器，旋转的部分是X线球管、探测器系统和次级高压发生器。

由于螺旋扫描速度快，采集的数据量大，专门设置了一个前端存储器，另外球管的容量也因此大于非螺旋扫描，通常用于螺旋扫描的球管热容量都大于3MHU，阳极的冷却率是1MHU/分。

单层螺旋扫描的探测器为一排，通常采用固体以提高射线的利用率。

X线发生器采用体积小的高频发生器，并可安装在机架内，高压产生的范围是80～140kVp。

由于采用碳刷和滑环结构传导高压，在扫描时很容易产生高压弧，采用初级和次级高压分开可以解决这一个问题。

这种情况下，一般机架固定部分的高压发生器先产生一个低高压，然后送往滑环上的高压发生器转换成直流电压产生X线所需的高压。

另一种低压滑环结构只输送低压至滑环，但无论采用那种方式，滑环上接受的都是低高压。

四、单层螺旋扫描的特性

螺旋扫描和非螺旋扫描由于扫描的方式不同，产生了一些新的成像参数：

如螺距（spiral/helicalpitch）、扫描层厚/射线束宽度（collimation）、床速（tablespeed）和重建间隔（reconstructioninterval,orincrement）等。

螺距的定义是扫描旋转架旋转一周检查床运行的距离与射线束宽度的比值（图5-13）。

该比值（pitch）是扫描旋转架旋转一周床运动的这段时间内，运动和层面曝光的百分比。

它是一个无量纲的量，并可由下式表示：

s（mm/R）

螺距（P）=（5-1）

W（mm）

图5-13螺距的定义和表示方法

图5-14增加螺距，扫描覆盖范围增加，图像质量下降

式中s是扫描旋转架旋转一周床运动的距离，W是射线束的宽度，R是扫描旋转架旋转的周数。

螺旋CT扫描螺距等于零时与非螺旋CT相同，通过病人的曝光层面在各投影角也相同。

螺距等于0.5时，层厚数据的获取，一般采用两周扫描架的旋转及扫描；在螺距等于1.0时，层厚的数据采用扫描架旋转一周的扫描；在螺距等于2.0时，层厚的数据只得到扫描架旋转半周的扫描。

因此，增加螺距使探测器接收的射线量减少，并使图像的质量下降，而相反在同一扫描范围的射线量增加，图像质量改善。

在单层螺旋CT扫描中，床运行方向（Z轴）扫描的覆盖率或图像的纵向分辨率与螺距有关。

射线束的宽度决定了扫描的层厚。

在单层螺旋扫描中，一般都采用层厚和床距离/周相等，即螺距等于1。

但有时螺距的大小常根据被扫描的病变大小而定，如病灶较小时采用较小的射线束宽度，或较薄的扫描层厚；病灶较大时则可采用较大的射线束宽度。

床速是扫描时检查床移动的速度，它与射线束宽度有关，床移动的速度增加而射线束宽度不变，则螺距的比值增加图像的质量下降。

（图5-14）为了合理地使用螺距和重建间隔，根据使用的经验一般采用以下的方法（表5-1，）。

因为在螺旋扫描时没有非螺旋扫描中层厚的概念，所以螺旋扫描图像的重建采用新的术语重建间隔来代替层厚，以此来区分与非螺旋扫描方式的不同。

重建间隔（reconstructionincrement,reconstructioninterval,reconstructionspacing）的定义是被重建的相邻两层横断面之间长轴

表5-1不同螺距时的允许扫描范围

检查床运行速度（mm/旋转一周）

准直器宽度

（mm）2345678910111213141516

26912

39121518

5151821242730

8242730333639424548

1030333639424548

注：

表中扫描范围单位为cm。

（Radiographics14:

887-893,1994）

方向的距离。

通过采用不同的重建间隔，可确定被重建图像的层面重叠的程度，另外，重建间隔与被重建图像的质量有关，即重建间隔增大图像的质量改善。

螺旋CT的一个重要特点是可作回顾性重建，也就是说，先获取螺旋扫描原始数据，然后可根据需要作任意横断面的重建。

螺旋CT扫描的重建间隔并非是非螺旋CT扫描层厚、层间隔的概念，因为螺旋CT扫描是容积扫描，不管扫描时采用什么螺距，其对原始数据的回顾性重建可采用任意间隔。

有研究表明，采用较小的螺距和重叠重建的方法，可使螺旋CT的长轴分辨率改善甚至超过非螺旋CT，提高病灶的检出率。

五、单层螺旋扫描的图像质量

此处主要讨论螺旋CT扫描图像质量三方面的内容：

分辨率，噪声和伪影。

研究表明，螺旋扫描采用180°线性内插算法平面空间分辨率与非螺旋CT相同，但长轴分辨率（Z轴分辨率）与非螺旋CT有差异。

其长轴分辨率与层厚响应曲线（slicesensitivityprofile,SSP）密切相关。

1.层厚响应曲线

层厚响应曲线（SSP）的定义是CT扫描机沿长轴方向通过机架中心测量的点分布函数（pointspreadfunction，PSF）的长轴中心曲线（图5-15）。

和非螺旋CT相比，螺旋CT的层厚响应曲线增宽，其半值宽度（FullWidthatHalfMaximum,FWHM）也相应增加，即螺旋扫描的实际层厚增加。

通常，在其它条件不变的情况下，层厚增加X线光子量也增加，并使噪声降低和对比度增加，但也使Z轴方向的空间分辨率下降和部分容积效应增大。

理想的SSP应为矩形，非螺旋CT的SSP接近矩形（图5-16）而螺旋CT的SSP呈铃形分布曲线（图5-17）。

在螺旋扫描中，曲线的形状随螺距的增加而改变，此外曲线的形状也随采用内插算法的不同而改善，如采用180°线性内插可明显改善曲线的形状（图5-18）。

SSP对图像中的高对比度和低对比度的长轴分辨率都很重要，它可影响小病灶的显示。

具体地说，当病灶直径小于层厚宽度时，小病灶的CT值与背景的比值会降低。

当SSP偏离理想的矩形，并且螺旋扫描采用较高的床速和360°线性内插算法，这种负作用更明显。

但不管螺距的大小，这种负作用可由采用180°线性内插算法而大为减少。

2.噪声

螺旋扫描的噪声与射线束的强度、射线的质量（能谱）、射线束的宽度和矩阵大小有关，由于螺旋CT扫描是采用线性内插法重建图像，所以图像噪声应该与所选的内插方法有关。

360°线性内插法重建的图像噪声较小，而180°线性内插法重建的图像则分辨率较高。

不考虑Z轴方向对横断面产生的影响，那么螺旋CT扫描的图像噪声与原始投影的噪声值成正比，并不受扇形角大小的影响。

同样，螺旋CT扫描图像噪声的大小与重建滤过

图5-16理想的SSP形状

图5-17螺距的大小对SSP的影响

图5-18采用不同的内插方法对SSP的影响

图5-15CT的横断面扫描与层厚响应曲线

方阵的大小也成正比。

噪声大小的变化对于临床应用诸如病灶的显示、体积的测量和图像的还原性相当重要。

从理论上讲，螺旋CT扫描的图像噪声较非螺旋CT扫描明显，有实验研究认为在48cm扫描野内的噪声波动达40%，但实际应用上有时并非那么明显。

3.伪影

本节只讨论与螺旋CT扫描有关的一种伪影---阶梯状伪影。

阶梯状伪影的出现，在螺旋CT扫描中与扫描长轴（Z轴）方向的倾斜面有关；并与成像的放大倍数有关。

另外，还与采用较大的重建间隔（由于混淆作用）和不同步的螺旋CT扫描内插（由于旋转作用）有关。

也就是说，由于内插方式、重建参数和被重建物体的不同影响了横断面，在这种情况下由于旋转作用的影响，重建后的图像形成了不同大小的阶梯状伪影。

在实际情况中，混淆作用和旋转作用两者可相互影响，并且不管重建间隔的大小，只要长轴方向的横断面有变化，阶梯状伪影的出现就无法改变。

内插不同步形成的伪影还与横断面的倾斜度、物体表面的厚度或物体间对比增加有关。

抑制阶梯状伪影的方法是采用较小的螺距和尽可能选用能抑制伪影产生的内插方式。

六、单层螺旋扫描的优缺点

一般，螺旋CT扫描的应用范围与非螺旋CT扫描相同，但由于技术上的一些限制，螺旋CT扫描不是在所有部位和器官的应用都是很理想的。

比较适合的检查部位是胸部、腹部以及需要提高时间分辨率的血管检查，如CTA等。

在颅脑的检查中，由于目前螺旋CT扫描的条件比较低，还不能达到非螺旋CT扫描的水平，横断面的图像质量不及非螺旋CT，同样四肢、脊椎的检查也是如此。

与非螺旋CT扫描相比，螺旋CT扫描主要有以下优点：

（1）整个器官或一个部位可在一次屏息下完成；

（2）由于没有层与层之间的停顿，一次扫描检查时间缩短；

（3）屏息情况下容积扫描，不会产生病灶的遗漏；

（4）病人运动伪影因扫描速度快而减少；

（5）可任意地、回顾性重建，无层间隔大小的约束和重建次数的限制；

（6）单位时间内扫描速度提高，使对比剂的利用率提高；

（7）容积扫描，提高了多平面和三维成像图像的质量。

螺旋CT扫描最主要的不足是：

层厚响应曲线增宽，使纵向分辨率下降；可出现部分容积效应影响图像质量；另外对设备的要求较高，特别是能适应长时间、高输出量的扫描球管，以及球管的热容量和冷却率。