什么是CT？

原创 赵喜同学 XI区

CT是Computed Tomography的缩写，全称是计算机断层扫描，CT是一种医学成像技术，它利用X射线和计算机处理生成断层图像，相对于X光平片，可以获得更多的信息。CT是继伦琴发现X光之后，影像医学领域最重要的发明。

CT的基本原理

CT通过X射线束和计算机生成身体的横断面图像。这些图像展示了特定的解剖结构层次，切片的厚度可以通过准直器调整，以减少散射和图像重叠。CT图像由像素组成，每个像素代表不同的图像细节，显示为不同的灰度。这些灰度基于X射线束通过组织时的衰减原理来呈现。

X射线的线性衰减系数量化了光子与物质的相互作用，这一系数受物质密度、原子序数和能量的影响。密度和原子序数越高，衰减越显著，图像对比度越大。密度较高的材料在图像中显示为白色，而密度较低的材料则显示为黑色。使用碘等造影剂可以暂时改变组织的密度差异，从而改善图像的可视化效果。

CT图像中的衰减值通常以亨氏单位（HU）表示，用于量化和区分不同组织。然而，由于多种因素，HU值可能略有误差。此外，CT中的多色X射线可能会导致伪影，例如当低能光子优先被吸收时，会出现线束硬化效应。通过使用铝等材料对X射线束进行过滤，可以减少伪影，提高图像质量，并降低患者的辐射剂量。

CT扫描时，切片厚度的选择取决于解剖结构和病理的需要。较薄的切片适用于检测细微的结构细节，能够最小化正常组织与病理组织的部分容积效应。X射线通过安装在机架上的球管产生，管电压和电流控制其强度。探测器将X射线转换为电信号，由数据采集系统（DAS）处理，并通过中央处理单元（CPU）生成图像。这些图像通常以HU显示，依赖于像素值来描绘解剖结构。

虽然CT扫描仪的设计可能有所不同，但其工作流程通常包括三个主要阶段：数据采集、图像重建和图像显示。首先是数据收集阶段，接下来是通过处理来分配像素值，最后将图像显示为灰度图供查看。

CT发展历程参见XI区：。

数据采集与图像重建

在CT成像中，数据采集依赖于探测器。这些探测器可以是单个元素，也可以是更大探测器阵列的一部分，并包括参考探测器，用于帮助校准和减少伪影。扇形束的大小以及探测器元素的数量取决于所选择的扫描视野。

理想的探测器应具备高效捕捉透射光子的能力、最小的余辉（即持续闪烁时间）、有效的散射抑制以及良好的稳定性，以避免因频繁校准导致的中断。探测器的整体效率受多个因素的影响，包括探测器材料的阻挡能力、闪烁体的效率（针对固态探测器）、电荷收集效率（针对氙气探测器）、几何效率（探测器准直板与表面积的比较）以及防散射能力。其他与探测器效率相关的术语还包括捕获效率（捕获光子的能力）、吸收效率（吸收的光子数量）、响应时间（信号在X射线刺激后返回零的时间）和动态范围（最大与最小可测信号的比率）。

现代CT扫描仪主要采用固态晶体探测器，而较早期的型号则可能使用氙气探测器。由于多排探测器CT（MDCT）系统的普及，氙气探测器在如今已经不太常见。第三代CT扫描仪使用一个探测器阵列和一个产生扇形束的X射线管，避免了光束和探测器平移的需求。这种设计不仅减少了扫描时间和运动伪影，还提高了图像质量，尽管有时可能会产生环状伪影。第四代CT扫描仪则在机架内配备了一个固定的探测器阵列，同时使X射线管旋转。虽然这种设计增加了探测器数量，但也带来了与运动伪影相关的挑战。为了解决这一问题，使用了过扫描技术，尽管这会增加患者的辐射暴露。

另一种CT技术，电子束成像（EBCT），通过固定的电子枪和阳极靶实现高速成像。尽管其成像速度快，但由于空间分辨率较低、成本较高，其临床应用有限。随着新型多排探测器技术的出现，EBCT已经被淘汰。

CT扫描仪的机架上配备的数据采集系统（DAS）负责将探测器采集的模拟信号转换为数字信号。DAS会连续读取由X射线产生的信号，并将射线衰减与位置相关联，形成每个视图的轮廓。这些轮廓数据投射到图像矩阵上，有时会导致条纹伪影的出现。为了减少这些伪影，数据会经过滤波等数学操作处理。迭代重建是一种较新的技术，通过将计算投影与原始数据进行比较来逐步更新图像，进而减少噪声和降低辐射剂量，最高可减少50%以上。

图像质量与质量保证

CT图像质量受多种因素影响，其中一些可以由操作人员控制，而另一些则不可控，如患者的体型。操作人员可以调节的变量包括毫安（mA）值、扫描时间、切片厚度、扫描视野、图像重建方法和峰值管电压（kVp）。此外，操作人员还可以在使用螺旋扫描技术时选择适当的螺距值。这些因素统称为扫描参数。

图像质量主要取决于两个关键因素：空间分辨率和密度分辨率。空间分辨率是指分辨细微且高对比度细节的能力，而密度分辨率则是指区分相似密度物体的能力。这两个因素共同决定了医学影像的诊断准确性。

空间分辨率通常通过调制传递函数（MTF）进行评估，MTF的值范围从0到1，表示物体细节的再现精度。平面内分辨率由矩阵大小和显示视野（DFOV）决定，矩阵大小影响像素的尺寸，而DFOV的调整则会改变图像和像素的尺寸。较大的DFOV会导致像素增大，从而降低空间细节的分辨率。像素尺寸直接影响图像的精度，较小的像素可以减少部分容积效应并提高空间分辨率。体素大小则受切片厚度和矩阵尺寸影响，对空间分辨率至关重要。较薄的切片和一致大小的体素通常会带来更好的成像效果。操作人员选择的切片厚度决定了体素的形状，体素内所有组织数据都会被平均生成用户指定的CT值。更多空间分辨率相关内容参见XI区：。

CT系统提供了多种图像重建算法，操作人员可以选择这些算法，或依据扫描协议自动应用这些算法，以增强或抑制特定数据，从而达到最佳的诊断效果。一些算法通过减少像素间的差异和减少伪影来平滑图像，但这通常以牺牲空间分辨率为代价。相反，有些滤波函数通过提高空间分辨率来增强像素差异，但这可能会降低低密度分辨率。这类滤波函数通常用于处理组织密度差异较大的区域，在这些区域低密度分辨率并非最重要的考虑因素。

密度分辨率是指区分微小密度变化的能力（即低对比度可检测性）。物体的大小会影响对比度，使得较小的物体更难辨认。器官对比主要源于物理特性，例如肺部的空气含量。时间分辨率在捕捉运动结构和动态对比研究中也至关重要，它受到机架旋转速度、探测器通道数量和信号记录速度的影响。更多密度分辨率相关内容参见XI区：。

质量控制程序旨在优化CT图像质量，同时将患者的辐射暴露降至最低。通过系统地监控CT系统的性能，这些程序可以及时发现特定问题或故障。CT技师和医学物理师共同负责执行和记录质量控制测试。技师通常负责日常的测试工作，而物理师则进行年度或半年度的测试，并获取所需的剂量数据。质量保证程序应遵循三个关键原则：1）定期进行测试，2）以标准化格式记录测试结果，3）明确测试参数是否符合相关规定。

注意事项

CT扫描通常使用约120 kVp的电压，范围在70-150 kVp之间。提高kVp会增加CT成像的剂量和噪声，但在解决金属伪影和骨结构成像时可能是必要的。碘造影剂的K边界约为33 keV，因此在较低的kVp（通常约为70-80）时成像效果更佳。应用滤波函数（称为卷积核）可以平滑或锐化数据，从而生成不同噪声水平和空间分辨率的图像。平滑卷积核适合软组织解剖的可视化，而锐利卷积核则因其更高的空间分辨率，适用于骨结构的评估。

螺旋CT通过让检查床以恒定速度连续移动，减少了运动伪影。螺距是指检查床在一次X射线管旋转中移动的距离与射线束宽度的比值。螺距大于1时，切片之间会有间隙；螺距小于1时，切片之间会重叠。迭代重建作为一种新算法，通常使用较低剂量，且比旧的图像重建方法（如反投影和滤波反投影）更能有效减少噪声。

亨氏单位（Hounsfield Unit，HU）用于表示组织的密度和衰减数据，水的HU值为0。窗宽和窗位是操纵图像以检查解剖结构和病变的重要参数。窗位是灰度的中点，通常由正在检查的组织的衰减来确定；窗宽则决定了所需的密度范围。对于骨与软组织的比较，通常使用较宽的窗宽；而对于密度相似的组织，则使用较窄的窗宽。自动曝光控制（AEC）系统会调节mA而不是kVp。mA增加4倍，信噪比将提高2倍，同时辐射剂量也会增加2倍。

CT图像伪影

CT图像中的伪影可能由多种原因引起，主要分为物理原因（如数据采集过程中的问题）、患者因素或设备故障。这些伪影可能会显著降低图像质量，因此必须识别、理解，并尽量预防或减少它们。快速识别伪影原因可以节省时间和资源，及时进行纠正或维护。

图像噪声

噪声通常表现为图像中的颗粒状伪影，可能由于量子噪声（因检测到的光子数量不足）等多种因素引起。减少噪声有助于提高密度分辨率。调整mAs值可以直接影响光子数量，从而影响信噪比（SNR）和密度分辨率，但这也会增加辐射剂量。较小的像素尺寸会减少每个像素的光子数量，增加噪声并降低密度分辨率。层厚影响光子的可用性和SNR，较厚的层提供更好的SNR，但会影响空间分辨率。患者体型较大会衰减更多光子，导致SNR和密度分辨率降低。

线束硬化

射束硬化是由于X射线束的多色性引起的，低能量光子在穿过物体时被吸收，导致射束“硬化”，从而产生如杯状或条纹状伪影。CT系统通过滤波、校准和线束硬化校正软件来减少这些伪影的影响。

部分容积效应伪影

当一个体素内包含多种组织类型时，通常会在视野边缘的密集物体周围出现阴影。减少这种伪影的一个方法是使用更薄的层厚。

混叠伪影

混叠伪影发生在投影数据不足时，导致在重现锐利边缘和小物体时出现不准确，从而产生由密集结构辐射出的细条纹。通过调整机架旋转速度或螺旋间距可以减少混叠伪影。

边缘梯度效应

当不规则形状的物体与周围结构之间存在显著的密度差异时，会出现条纹伪影或阴影。使用较薄的层有助于减少此类伪影。在胃肠道中使用低HU值的口服对比剂或水也可以消除条纹伪影。

运动伪影

由患者运动引起的伪影通常表现为阴影、重影、条纹或模糊。CT系统通过使用过扫描和部分扫描模式、软件校正及心脏门控等功能来最小化运动伪影。患者准备、教育、定位辅助以及必要时的镇静措施都有助于减少自愿运动。缩短胸部和腹部扫描时间也能帮助减少此类伪影。

金属伪影

金属伪影来源于扫描视野内的金属物体。由于金属的密度通常超过CT系统的HU值动态范围，会导致条纹伪影。尽管新系统具有扩展的HU尺度，但最佳做法仍是尽量减少扫描视野内的金属物体，这可以通过移除可移动的金属物体或调整扫描参数来实现。

环形伪影

环形伪影通常出现在第三代扫描仪中，表现为围绕旋转轴的同心圆。此类伪影通常由检测元件故障或对齐不良引起，可能需要重新校准或请工程师进行维修。最新研究表明，人工智能可以有效减少医疗影像中的环形伪影。

管电弧伪影

这种设备引起的伪影是由于X射线管内的短路引起的，通常由电位差异导致。球管老化、真空水平变化或球管内气体分子都会导致电弧，从而产生从轻微条纹到严重图像失真的各种伪影。当发生管电弧伪影时，应及时通知工程师进行评估和处理。

螺旋CT伪影

螺旋CT扫描由于重建过程中的插值，可能会引入独特的伪影。通过尽量使用较小的螺距可以减少这些伪影。在多排螺旋CT（MDCT）系统中，锥束效应可能导致伪影，特别是在外部探测器行中，当锥束较大时，这些伪影更为明显。某些协议将数据采集限制在中心行以改善图像质量。此外，从原始扫描数据生成三维（3D）或不同方向的图像时也可能出现各种伪影，因此在进行多平面或3D重建时需要特别注意。

更多伪影相关的内容，参见XI区：。

临床意义

掌握CT物理学对于识别和管理伪影具有重要的临床意义。CT物理学的原理支撑了图像采集和重建过程，直接影响图像质量，并关系到诊断的准确性。例如，尽管使用浅层技术拍摄的婴儿图像可能看起来噪声较大，但如果目的是跟踪重大异常，则这些图像可能已足够清晰。放射科医生和技术人员必须理解与CT物理学相关的因素，这些因素可能引入伪影，如线束硬化、部分容积效应和金属伪影。掌握这些知识使他们能够及时识别伪影并采取适当的纠正措施。通过深入了解CT物理学，可以提高诊断的准确性，确保患者获得优化的护理。通过减少图像伪影，临床医生可以更精确地做出诊断，减少重复扫描的需要，降低患者的辐射暴露，并加快必要的医疗干预。最终，理解CT物理学有助于提升伪影识别和管理的临床水平，造福患者和医疗团队。

团队合作

医疗专业人员必须具备操作CT设备和解读图像的技术能力。制定合理的策略来进行扫描订购和图像解读，选择适当的成像协议和序列，以减少辐射暴露。确保患者或监护人充分了解CT扫描的风险和益处，并获得知情同意。职责分工明确，医生负责订购和解读CT扫描结果，护士准备患者并提供支持，药剂师确保对比材料的适当使用。

有效的跨专业沟通对于提供高质量护理至关重要，放射科医生应以非专业人员也能理解的方式传达诊断结果。护理协调确保CT成像过程顺利进行，包括患者安排、技术人员的调度以及扫描后的护理安排。以患者为中心的护理需要积极让患者参与决策，并确保其安全，包括仔细核实患者身份及监测对比材料的过敏反应。通过定期培训和跨学科团队会议，提高团队的整体表现，掌握最佳实践、安全协议和CT技术进步，最终为提供更高效和协作的护理奠定基础。

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参考文献：Al-Naser YA, Tafti D. CT Instrumentation and Physics. 2023 Nov 2. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan–. 仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。

2024年10月18日

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