X射线计算机断层扫描CT.docx

1、X射线计算机断层扫描CTX射线计算机断层扫描（CT）Willi A Kalender 摘要X射线计算机断层扫描（CT）、1972引入临床实践，是第一种现代片成像方式。图像重建数学从实测数据和显示和归档数字形式是一个新颖的方式，但是今天已经很常见。CT呈现稳步上升的趋势，在上世纪80年代，基于技术、性能及临床使用独立的预测和专家评估等各方面的预测，它将完全取代磁共振。CT不仅幸存了下来，但在真正的文艺复兴由于螺旋扫描是由切片成像片真实体积成像过渡的介绍。辅以年代阵列探测器技术的引入，使得成像CT今天整个器官或整个身体在5到20的亚毫米的各向同性分辨率。本综述CT将按时间顺序重点技术，图像质量和临

2、床应用。在最后的部分，它也将简要提及CT如双源CT的新用途，C臂平板探测器CT和显微CT。目前CT可能表现出了比以往更高的创新率。结果局部和最近的事态发展将受到最大的关注。1、简短的历史介绍早在1960年代，随着计算机技术的发展，CT已经可投入使用了,但是基于它的一些想法可以追溯到第上半个世纪。1917年,波西米亚数学家氡基本重要性的研究论文证明材料或材料属性的分布在一个对象层，如果可以计算出经过沿任意数量的行的积分值都能穿过同一层。这一理论的应用被Bracewell (1956)发展到了射电天文学领域，但是他们产生了很微弱的反响且不用于医疗目的。第一个实验的这种重建成像在医学中的应用是由物理

3、学家M Cormack开展，致力于提高在格鲁特索尔医院放疗计划，开普敦，南非。1957和1963之间，并没有以前的研究知识，他发展了一种计算基于传输测量人体辐射吸收分布的方法（Cormack1963）。他假设的影像应用程序必须能够显示即使是最微小的吸收差异，即不同的软组织结构。然而，他从未有机会将他的理论付诸实践，只是学到了氡的工作太晚了，他感到遗憾的一个事实，他说，早期获得这方面的知识会拯救了他很多工作。而熟悉氡，氡科马克发现自己已经知道的更早的工作主题由荷兰物理学家H洛伦兹，已经在1905（Cormack1992）。提出了一个解决数学问题的三维（3D）案例而Cormack的工作后来高度公认

4、的CT发展的一个重要的贡献，有些人值得一提一样。奥尔登多夫（1961）发表了他的CT真正开创性的工作1961。卡尔和爱德华兹（1963）介绍了发射的概念计算机断层扫描在1963；虽然重建工作只能发射CT投影，从而先于传输CT。滤波反投影是RST布雷斯韦尔描述（1967）。戈登等人（1970）在1970和赫尔曼等人（1973），彼得斯重建技术的描述，贝茨和傅立叶（1971）在1971发表了代数重建技术的描述。在过滤功能CT重建的必要的关键论文是sheep和洛根的工作（1974）。第一个成功的实际实现的理论是在1972由英国工程师G N houns完成的，他现在是公认的计算机断层扫描专家（1973

5、）。像他的前任，hounsnd领域的早期努力工作没有知识。他的成功使整个医学界大吃一惊。他实现了自己的突破也在一所知名的大学也有放射设备的领先制造商，但与英国RM EMI公司他的发明给了EMI，而直到当时只能生产记录和电子元器件，垄断在CT市场，历时两年，和术语“EMI扫描器和 CT扫描仪”几乎成了同义词。1974西门子成为第一个传统厂商放射设备的市场头部CT扫描，之后，许多其它公司迅速跟进。随后，18家公司提供的设备在70年代末达到顶峰，随之而来的一个繁荣。其中大部分，包括电磁干扰，现在已经退出市场了。第一台临床CT 诞生于1972年伦敦阿特金森莫利医院。第一个病人实验，CT提供了令人信服的

6、方法的有效性证明通过检测囊性额叶肿瘤进行。CT立即被热烈欢迎的医学界，通常被称为从X射线的发现在放射诊断中最重要的发明；它以后的发展只有CON证实这些早期的期望。1974年，计算机断层成像技术已成为放射诊断的重要因素。虽然只有60个电磁干扰扫描仪安装了，1980年，有超过10000个设备在使用，其中包括一个高数量的头部扫描仪。1979 hounsELD和科马克，工程师和物理学家，被授予在其领域的突出贡献，诺贝尔医学奖。在这一点上，发展似乎已经达到了顶峰，上世纪80年代看到了小的技术进步。1989螺旋CT的介绍和回顾R31图1。戈弗雷（一），一位英国工程师，开发了RST CT扫描仪，连同物理学家

7、M Cormack，获得诺贝尔生理学及医学奖1979。在低分辨率的大脑8080图像矩阵的横切片成像成为在上世纪70年代的RST半标准CT的应用（B）。在X射线，探测器和扫描仪技术的发展导致了一个更新的兴趣，在断层和一个真正的复兴的断层，将在下面详细指出。今年的2006，在临床操作装置的数量约为45000，几乎是全身螺旋扫描。呈上升趋势是不连续的，在临床放射学中的位置在临床放射学中的地位似乎比以往任何时候都高2。技术，性能特点及应用发展第一个临床CT扫描仪允许为单个图像采集在300 s；今天的扫描仪的所有功能，旋转时间低于1秒与速度最快的一个可以承受 3.3砂有效的图像采集时间到100ms的谐音

8、可以为双电源系统。在许多其他性能稳定的性能已经稳步提高的年代，它似乎增加扫描速度总是得到最优先的，是在发展的驱动力。现代断层成像的基础上，其成功的事实是，速度的增加不仅适用于单一的图像采集，而且还为完成数量的图像数据的采集。在特定的三维空间分辨率，图像质量，临床应用的频谱和许多其他因素已经显示出稳定的改善，多年来，同样的（表1）。潜在的技术发展，可以分配到一个很好的近似，虽然没有严格的，直到几十年后。2.1 上世纪70年代从头部到全身成像，CT扫描仪的发展始于实验装置，这在很大程度上相当于在图2示意图（一）。这种装置被称为CT的第一代”。第一代的商业扫描仪，所谓的“第二代”，不同仅从扫描系统小

9、。为了加快扫描速度，利用现有的X射线功率更有效地增加了探测器需要从一个铅笔束一小扇束的功率。两种扫描仪的功能根据翻译旋转原理，辐射源和探测器扫描的对象在一个线性平移运动并重复这个过程后,先后为购物中心旋转增量（a）和（b）。180预测在1步骤160数据采样点，即28800个数据。这是足够的计算与6400像素图像,即一个8080图像矩阵。扫描时间是5分钟,同时进行图像重建,把相同的时间。Hounsfield报道35分钟的测试时间,dual-row探测器获得的62图像有13毫米片厚度。这是一个了不起的成绩。在1969年的第一次试验测试对象被Hounsfield扫描源和需要一个同位素扫描时间9天的形

10、象、代替取样传输的廓，即突起，通过用平移，扇形束和较大的检测器的电弧铅笔光束被用来同时测量一个完整的投影（FI gures2（c）和（d）的。在这种方法中，可用的x射线功率再次利用完整探测器弧所对的角度平移运动变得过时，而系统仅执行旋转运动。在第一个全身扫描仪与扇形束系统来到了市场在1976年提供20的图像扫描时间。随着十年CT年底正式成立。每形象和层厚5至10的S5至10毫米的扫描时间为标准。即使是滑环式扫描仪提出与瓦里安正在建造一个原型;它没有达到产品状态，但。共有18个厂商在此期间从事开发。艺术在70年代的状态艾利好，全面审查在本杂志在给定的时间（1976年布鲁克斯），后来在该杂志的主编

11、（1990年韦伯）一个优秀的教科书;最近的CT基本的沙子从第一个十年的发展回顾直到今天可在（Kalendar2005）中找到。2.2。上世纪80年代快速单切片扫描很明显，图像质量，因此诊断能力的扫描时间在很大程度上取决于扫描时间，因为自愿和非自愿患者运动。此时，必要的电能通过电缆馈送到扫描仪的X射线管。这防止了快速和连续旋转，因为系统必须砥在一个方向加速，360后停止，然后再次加速进入相反的方向。 “快速扫描”这种类型提供扫描时间降低到2秒20世纪80年代。提供缩短扫描时间的目的是追求在许多创造性的方法方式上世纪80年代;还学术研究团体提出并在几个创新的概念开始工作（RobbandRitman

12、1979，博伊德1981年博伊德和立顿1983年）。这使得它在临床实践两个设计是这里要提到：常规CT系统为连续旋转和数据采集和电子束CT（EBCT），它被设计主要用于心血管应用扫描仪的可能性。在EBCT anelectron束穿过的围封病人（FI古尔3）四个半圆形的目标之一席卷而来。由于没有机械运动参与，共提供33至100毫秒的扫描时间并实现了当时一个卓越的品质心脏图像。虽然EBCT概念的一些方面显得非常有吸引力的进一步上，有许多决定性缺点。焦点轨迹被限制在通常220部分圆，即180加上扇形角，以及不与的同样约220探测器圆弧的面，其必然具有重合的平面中的偏移z方向。由于探测器是静止的，可使用

13、无防散射准直器。两者的缺点，几何和缺乏散射准直器，也对使用更广泛的检测器阵列的发言。另外，通常为100现有EBCT系统的x射线功率不超过传统系统显着的X射线功率。在结果后来变成了以更低的成本提供更高的图像质量和更高的容积扫描速度多行探测器的螺旋CT扫描。 EBCT持续了不到二十年。、首先在使用CT的组织参数量化网络阳离子，特别是评估组织密度，已经在20世纪70年代开始，骨密度测量结果的主要目标（Adams等人1982年，Genant和Boyd1977）。各自的努力是在20世纪80年代的网络版。骨密度测量及其在数以百计的安装用的专用双能CT产物选项的发展是一个例子（Kalender等人1987）

14、。今天仍在使用低剂量单能CT。双能选项与快扫描的出现和从脉冲到连续的数据采集的固有变化丢弃，因为快速千伏切换从脉冲到脉冲的技术方法变得不可能。血液溢流和灌注测量是定量的CT的又一个例子。它开始与由大脑中评估氙累积测量分钟间隔脑灌注（古尔等1989，Kalender等人1991）。具有快速连续的CT测量系统的出现测量通过感兴趣组织通过期间注入到外周静脉造影剂的大丸剂的过境的方法被采用。今天被广泛用作快速采取考试一般为30秒。组织灌注地图，在毫升每分钟克组织的血脑灌注的例子显示，例行评估患者急性脑梗塞（柯尼希2003）使用。连续旋转的CT系统中，基于“滑环技术”，在1987年被引入所需的X射线管是

15、通过滑环来代替线缆传输的电能。因此，有可能放弃操作启停式（开始顺时针旋转 - 停止 - 启动逆时针转动 - 停 - 等）和连续数据采集来取代它。与此同时，旋转次数减少到1秒设定了新的标准。扩展到连续多旋转扫描导致决定性新脉冲。它先进的动态检查和FI应受的螺旋CT奠定了基础。今天生产的所有的CT扫描仪利用滑环技术，并提供连续旋转。尽管所有这些事态发展在20世纪80年代，不能视为CT的黄金岁月。检查切片通过切片仍采取一般为20至40分钟，时间非常长的情况多。并引进核磁共振成像带来了许多专家，这是CT死的结论。缩写核磁共振常常被解释为使命声明“没有更多的伦琴”。该厂商在大规模的方式重定向的研究和开发

16、能力，从CT到MR。我亲自善意的，朋友多次从CT切换到MR给出的建议。快速发展容积扫描的想法CT方法，还包括其他专用CT应用使得它很容易留下来。 （请注意，核武器N个从核磁共振后省略显然是因为对核技术的普遍关注，它一直开放到今天，如果新的缩写MR也暗示意义“更多伦琴”。）2.3。上世纪90年代，从切片到切片成像螺旋容积扫描在第一个调查，“螺旋CT”的临床试验在1989年已经完成，并在北美放射学会（Kalenderetal1989，Kalenderetal1990b）的年会在论文四篇报道。虽然有许多正当理由在事后被引用为什么螺旋CT的发展出现必要的，但是显然是一对显性单的理由进入工作：临床必要性

17、。这是努力图像的原子结构，这是受运动，连续和可重复性。结节是一个主要的例子：标准的厚片技术检测到它们，并在与薄片的考试REPE的形态分析或重复研究后给出的时间间隔来监视他们的成长是一个悬而未决的任务。我本来计划与彼得沃克，瑞士伯尔尼进行的一起各自的努力，没有成功，只是因为它是很难再次拉平科幻ND结节，更不用说像它可重复使用一组薄切片图像。虽然我们甚至肺功能的控制下工作（Kalender等人1990年a），并与合作的患者中，没有人真正得到过连续的图像数据集。沿患者的纵轴，这是在CT z轴的坐标系连续扫描，似乎提供了解决方案。我们通过欺骗扫描仪上实施的第一个原型。虽然假定我们执行用于该滑环技术已经

18、主要被设计所选切片的多旋转动态CT扫描，我们滥用的造影介质动力注射器向前推动的患者表以缓慢，但究竟可控速度在每转一个切片的厚度，每秒即使用的西门子SOMATOM加扫描仪。相对于患者的焦点上的螺旋形轨迹行进（FI古尔图4（a）;尽管以低得多的图像质量比今天，它立即允许我们肺结节的三维评价（FI古尔图4（b）。 （关于术语注意：螺旋CT及螺旋CT是同义词，就像螺旋式楼梯和螺旋楼梯没有对错之分，但原来的螺旋一词更频繁地使用（1994年Kalender）。从今天的角度来看，这似乎合乎逻辑，甚至需要用新的滑环扫描技术立即一起实现螺旋扫描模式。然而，这不是在当时的情况。在开发和引进在提供动态CT改进能力连

19、续旋转旨在缩短扫描时间扫描仪和。螺旋CT尚未知。在第一个引用螺旋CT可以在几个独立的资料中找到。在螺旋扫描一般的专利不存在。1988年我自己的专利请求与连续数据采集和连续运送病人的组合已经被采取调查无线电图沙影院建设算法的现有技术所涵盖的声明拒绝不授予专利权。这需要时间，直到90年代后期，对于一般的共识来开发的算法可以申请专利。 ab由森一成一项专利（1986年）中，第一个参考螺旋CT在专利文献中，提到的算法，但实际上特定网络版的电子电路，以便能去网络专利权利要求。这些都为发明家几乎没有任何有用的多的今天，因为硬件的实现也不会达到最新的和新的算法一直在不断发展之中。从日本在英语螺旋CT结果于1

20、993年报告的第一个（1993年）。平行于这些发展，虽然还没有在其他地方开展的工作的了解，Y布雷斯勒和伊利诺伊大学关于螺旋扫描原理，其发表时间相对较晚（布雷斯勒和Skrabacz1993年）进行了理论研究。他们的特点是考虑“理智有趣的”，但很少相关的练习。由美国CT制造商通用电气医疗系统，谁也研究了这种扫描方式这一评估收服被迫的，但在当时，这是不能满足一般的临床使用，由于它必须与图像质量（克劳福德和国王有望问题决定1990年）。推理是，连续的2个基本的要求不能被忽视的图像质量没有负面影响：被扫描的对象，即病人，可能不会在数据采集过程中，扫描几何必须是完美的平面。后果是众所周知的，如果这些条件之

21、一违反。如果病人移动或只有内脏器官或器官在扫描过程中移动，运动的结果。同样是如果患者预期，尽管合作不动的，是在运输的表运动通过测量计量。矛盾与二要求严格的例子，平面扫描几何是一样的。当X射线管的焦点，由于热效应或机械不准确，不遵循其规定的路径或在同一平面上的焦点和探测器不行驶时产生的文物。对EBCT扫描仪尤其是存在的问题。总的来说,上述情况不一致的数据生成,自扫描系统并不认为对不同的角位置完全相同的片。这样的不一致导致患者的图片。然而,螺旋CT精确构建在违反这两个原则:它不再需要接受平面几何,它移动病人在扫描过程中,因此构成亵渎经典的条款。这就解释了为什么大多数的专家显示超过只有轻微保留对新的

22、扫描模式。批评人士最初称为螺旋CT方法在CT生产图像。替代建议,如使用移动准直仪结合的优势快速体积扫描和扫描平面几何(托斯等1991)。在1989年提出的解决方案是数据集的生成代表单片的螺旋重排数据集的数据量和z插值(Kalenderetal1990b)。它已被证明成功的收购,也扩展到摘要多层系统(Kachelrie等2000)。螺旋型断层扫描需要三年来得到更广泛的接受。在1992年底，所有主要的生产厂家都宣布了采用滑动环技术和螺旋扫描功能的扫描仪。自那时以来，一个惊人的技术发展已被观察到，提供了巨大的增加，X射线功率，计算机能力和进一步的技术改进。但它不仅是技术参数和扫描速度的增加，它是图像

23、质量的改善：潜在的改进的三维分辨率和病变检测（地等人1994）和各向同性的亚毫米级的空间分辨率（1995款）提供的选择率在上世纪90年代初的证明。0.5年代的1998年代的四年代的断层扫描系统和旋转的旋转时间，成为临床实际情况。同时也意味着减少容积扫描时间的8倍相比，典型的1年代系统的单排探测器，它是在上世纪90年代CT发展的高潮。几双片系统已经在市场较早（表）；1998探测器阵列技术的介绍了有明显超出这个，意味着新的开始发展一系列扫描仪。在已掌握的技术之后，在检测器阵列中添加更多行是没有问题的。虽然概念和排数差异很大，四厂商在这领域活跃，令人惊讶的是，他们都到1998提供四层采集（表2）。这

24、意味着“片比赛”，在本世纪初成为一种现象的开始。更大的探测器阵列允许更快的扫描和更有效的利用现有的X射线由于增加的立体角。上世纪90年代也意味着相位选择性心脏成像的常规开始，即非EBCT扫描机。第一个图像是在他们的工作上新的螺旋重建方法下威利地产生（polacin等人1992）。的反应是类似的建议的螺旋扫描。他们遇到了怀疑和被视为不受欢迎的以来，在管理方面，心脏成像是留给EBCT。直到1995时，作者可以自由决定情况，他总是钦佩和羡慕戈弗雷先生，他恢复了心脏成像的工作。许多出版物之后（kachelrieandkalender1997，1998，kachelrie等人，2000），但直到这个方法

25、包括产品的选择由制造商本世纪初。心脏成像和CT冠状动脉血管造影可被视为具有很高的临床影响CT显著进展（图5）。与1990年代末CT已经完全恢复。扫描时间低于1 s 和低于1分钟完成测试照例是可用的。和CT已经成为一个话题的高科学兴趣,基本成像和放射的科学家。形态CT,这已经被认为是过时的年代,经历了“文艺复兴”被广泛承认。2.4。2000年快速锥形束扫描新世纪的第一年显示的直接延续过去十年的发展趋势:“片竞赛”加快了速度。更多的行被添加到相应的探测器阵列和多片同时获得(图6),同时收购16片在2001;64 -切片扫描代表艺术的状态,提供同样的四个主要制造商(表二)。图像质量已经达到一个非常高

26、的水平,可以保证即使在短暂的测试时间,几个例子编译在图7中出于演示的目的,所有通过扫描不到15秒。不过它通常被假定开发只会持续到128年,256探测器行等等,摩尔定律预测adou珠光宝气的计算能力每18个月计算机技术也适用于CT对单位时间切片扫描的数量。有明确的限制,然而,许多问题和缺点是预期如果锥角进一步增加(Kalender 2005 b)。问题必须如下:为什么更多的片吗?不过它通常被假定开发只会持续到128年,256探测器行等等,摩尔定律预测的计算能力每18个月翻一番计算机技术也适用于CT对单位时间切片扫描的数量。有明确的限制,然而,许多问题和缺点是预期如果锥角进一步增加(Kalende

27、r 2005 b)。问题必须如下:为什么更多的片吗?现代多层CT扫描仪允许执行所需的大部分测试非常高的可靠性。一个例外可能是心脏CT。例如,冠状动脉CT血管造影术可以轻松地执行和无创性与64 -切片CT扫描的时候不到10年代令人印象深刻的结果。然而,文献表明诊断成功率约90%至80。更高的时间分辨率,即更短的有效浏览时间被认为是必要的在2000年代早期,和心脏CT是一个新的发展的驱动力。高时间分辨率一直是通过更高的转速。有严重的障碍,然而,对持续增长的速度。不仅是离心力的增加已达到近30 g，近 330年典型的扫描仪和旋转。以上所有问题提供必要的x射线作为图像质量,需要保持在所需的水平。x射线

28、功率必须增加成反比降低旋转时间到达一个常数。这是不可能的现在和可能不会在可预见的未来x射线功率200千瓦以上的可以提供给支持旋转倍低于200毫秒。一个有吸引力的替代方法是多源系统,已经讨论了在1970年代。第一次扫描类型与两个x光单元和两个探测器在2005年成为可用(Flohretal2006)和安装在医学物理学研究所的埃朗根(figure8(A)。旋转时间330 ms提供有效的扫描330/4或部分扫描83 ms。多段重建(KachelrieKalender 1998 Kachelrieet al 2000 b)这可以进一步减少到50 ms和更少。各自的模拟显示,采集系统在给定的数量翻倍,龙门

29、是一个更有效的方法减少有效的扫描时间在心脏成像比减少旋转时间的2倍(Kalender 2005 b)。技术测试的结果和第一临床评估确认预期(阿肯巴克都等2006)。心脏与CT成像现在似乎也达到一个成熟和稳定的水平与新双源CT(DSCT)技术(图8(b)。那还剩下什么给CT实现在未来?作者希望进一步发展和改进的CT,但决定性的进展可能临床CT的主流之外。多样化的使用CT、新媒体和示踪剂相比,高利息的新组合成像模式。更广泛的CT成像探测器阵列被认为是特殊的应用程序。各自的努力已经开始在1990年代(Fahrig等1997)。目前最重要的是努力提供c臂的CT成像单位介入术中成像;它提高了临床工作流和

30、将提供无线电图形,流感或oscopic和CT图像放大装置。各自的图像重建方法是可用的(Pan等2004)。看来,标准的临床CT和c臂介入CT,独立开发,可能收敛在几个方面。CT从未提到与分子成像的概念。然而,它已经建立了结合正电子和单光子发射断层扫描(PET和SPECT),特别是在临床前研究与ct机和小动物成像。DSCT可用的新技术提供了双能CT的实用方法。结合新示踪剂的发展也提供了CT成像的新视野。CT依然存在，而且是在一个比以往更具创新性的2000年代。确认图1、2和3和几个文本段落在历史问题上,稍微改编,得到了(Kalender 2005 a)和友好的出版商的许可。读过这篇文章之后，我对

31、整个CT的发展历程有了一个大体的了解。从第一台临床CT在1972年 诞生，刚开始由头部到全身，80年代快速单切片扫描， 90年代，从切片到切片成像螺旋容积扫描，2000年快速锥形束扫描。技术从第一个临床CT扫描仪允许为单个图像采集在300 s；今天的扫描仪的所有功能，旋转时间低于1秒与速度最快的一个可以承受 3.3砂有效的图像采集时间到100ms的谐音双电源系统。在特定的三维空间分辨率，图像质量，临床应用的频谱和许多其他因素已经显示出稳定的改善。通过本文对各大CT技术革新的解读，一些上课熟悉的名词现在有了更清晰的认识，例如滑环技术，螺旋扫描等等。但是我们毕竟知识还太过匮乏，难以深刻领悟。要真正理解CT，还有很长的路要走。CT的发展历程，各位伟大科学家一路上攻坚克难，克服重重障碍，勇于创新，勇于探索的精神也是我们当代21世纪的青年应该学习的。无论在那个领域，都不可或缺的精神。让我们为这些为CT的发展做出贡献的伟大的科学家们致敬。，