计算机断层扫描：常规、螺旋 CT 扫描

计算机断层扫描 (CT) 是一种特殊的 X 射线检查，通过间接测量被检查患者周围不同位置的 X 射线衰减或减弱程度来进行。本质上，我们所知道的只是：

• 从X射线管里出来的
• 到达探测器
• 每个位置的 X 射线管和探测器的位置是什么。

其余一切都基于此信息。大多数 CT 断层相对于身体轴线垂直排列。它们通常被称为轴向断层或横断层。对于每个断层，X 射线管都会围绕患者旋转，断层的厚度是预先选定的。大多数 CT 扫描仪的工作原理是恒定旋转，光束呈扇形发散。在这种情况下，X 射线管和探测器刚性耦合，它们围绕扫描区域的旋转运动与 X 射线的发射和捕获同时发生。因此，穿过患者的 X 射线会到达位于另一侧的探测器。扇形发散发生在 40° 到 60° 的范围内，具体取决于设备的设计，其角度由从 X 射线管焦点开始并以扇形扩展到探测器排外边界的角度决定。通常，每旋转 360° 都会形成一幅图像，所获得的数据足以完成此操作。在扫描过程中，会在多个点测量衰减系数，从而形成衰减曲线。实际上，衰减曲线只不过是从球管-探测器系统给定角度的所有探测器通道接收到的一组信号。现代CT扫描仪能够在360°圆周范围内从探测器球管系统的约1400个位置（约每度4个位置）传输和收集数据。每个衰减曲线包含来自1500个探测器通道（即约每度30个通道，假设光束发散角为50°）的测量值。在检查开始时，当病床以恒定速度移动到机架时，会获得数字X光片（“扫描图”或“位置图”），之后可在其上规划所需的断层。对于脊柱或头部的CT检查，机架会以所需角度旋转，从而实现断层的最佳方向。

计算机断层扫描 (CT) 使用围绕患者旋转的 X 射线传感器的复杂读数，生成大量不同深度的特定图像（断层图像），这些图像被数字化并转换为横截面图像。CT 能够提供普通 X 射线无法提供的二维和三维信息，并且对比度分辨率更高。因此，CT 已成为大多数颅内、头颈部、胸内和腹内结构成像的新标准。

早期的CT扫描仪仅使用一个X射线传感器，患者需要逐步移动穿过扫描仪，每次拍摄图像时都要停下来。这种方法已被螺旋CT扫描（此处似有误，应为螺旋CT）所取代：患者需要连续移动穿过扫描仪，扫描仪旋转并连续拍摄图像。螺旋CT扫描大大缩短了成像时间并降低了骨板厚度。使用配备多个传感器（4-64排X射线传感器）的扫描仪进一步缩短了成像时间，并允许骨板厚度小于1毫米。

由于显示的数据如此之多，图像几乎可以从任何角度重建（就像在MRI中一样），并可用于构建三维图像，同时保持诊断成像分辨率。临床应用包括CT血管造影（例如，用于评估肺栓塞）和心脏成像（例如，冠状动脉造影，用于评估冠状动脉硬化）。电子束CT是另一种快速CT，也可用于评估冠状动脉硬化。

CT扫描可采用造影剂或非造影剂。非造影CT可检测急性出血（呈亮白色）并可明确骨折的特征。造影CT使用静脉注射或口服造影剂，或两者兼用。静脉注射造影剂与普通X光检查中使用的造影剂类似，用于对肿瘤、感染、炎症和软组织损伤进行成像，并评估血管系统，例如疑似肺栓塞、主动脉瘤或主动脉夹层的情况。造影剂经肾脏排泄，可用于评估泌尿生殖系统。有关造影剂反应及其解读的信息，请参阅：

口服造影剂用于腹部区域成像；这有助于将肠道结构与周围结构分离。当怀疑肠穿孔（例如，由于创伤）时，可以使用标准口服造影剂碘钡；当误吸风险较高时，应使用低渗造影剂。

在使用CT扫描时，辐射暴露是一个重要问题。常规腹部CT扫描的辐射剂量比普通胸部X光检查高出200到300倍。CT扫描如今已成为大多数人最常见的人工辐射源，占医疗辐射暴露总量的三分之二以上。这种程度的人体暴露并非微不足道；据估计，如今暴露于CT辐射的儿童一生中面临的辐射暴露风险远高于成人。因此，必须仔细权衡CT检查的必要性与每位患者的潜在风险。

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多层螺旋CT

多探测器螺旋计算机断层扫描（多层计算机断层扫描）

多排探测器CT扫描仪是最新一代的扫描仪。与X射线管相对的不是一排，而是多排探测器。这可以显著缩短检查时间，并提高对比度分辨率，例如，可以更清晰地显示对比血管。与X射线管相对的Z轴探测器排宽度不同：外排比内排宽。这为数据采集后的图像重建提供了更好的条件。

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传统与螺旋CT的比较

传统 CT 扫描通过特定身体部位（例如腹部或头部）获取一系列连续的、等间距的图像。每个切片之后都需要短暂的停顿，以便将患者所在的扫描床推进到下一个预定位置。厚度和重叠/层间距是预定的。每个级别的原始数据单独存储。切片之间的短暂停顿可让清醒的患者进行呼吸，从而避免图像中出现明显的呼吸伪影。但是，检查可能需要几分钟，具体取决于扫描区域和患者体型。在静脉输液后进行图像采集非常重要，这对于评估灌注效果尤为重要。CT 是获取完整身体二维轴向图像的首选方法，不会像传统 X 光片那样受到骨骼和/或空气的干扰。

在单排和多排探测器螺旋CT（MSCT）中，患者检查数据的采集在扫描床推进机架的过程中持续进行。X射线管绕患者呈螺旋状运动。扫描床推进与射线管旋转360°（螺旋螺距）所需的时间相协调——数据采集持续完整地进行。这种现代技术显著改善了断层扫描，因为呼吸伪影和噪声对单个数据集的影响不像传统CT那样显著。使用单个原始数据库重建不同厚度和不同间隔的切片。部分重叠的切片提高了重建能力。

腹部全层扫描的数据采集需要1至2分钟：2至3个螺旋扫描，每个螺旋扫描持续10至20秒。扫描时间受限是由于患者屏住呼吸的能力以及X射线管冷却的需要。重建图像还需要一些额外的时间。评估肾功能时，注射造影剂后需要短暂停顿，以便造影剂排出。

螺旋扫描的另一个重要优势是能够检测到小于切片厚度的病理结构。如果扫描过程中患者呼吸深度不均匀，微小的肝转移瘤可能未落入切片内，从而被遗漏。使用螺旋扫描的原始数据，在对重叠切片进行重建时，可以轻松检测到转移瘤。

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空间分辨率

图像重建基于各个结构对比度的差异。在此基础上，创建一个包含 512 x 512 或更多图像元素（像素）的可视化区域的图像矩阵。像素在显示器屏幕上显示为不同灰度的区域，具体取决于其衰减系数。实际上，这些区域甚至不是正方形，而是立方体（体素 = 体积元素），其沿体轴的长度与切片厚度相对应。

体素越小，图像质量就越高，但这仅限于空间分辨率；切片进一步变薄会降低信噪比。薄切片的另一个缺点是会增加患者的辐射剂量。然而，在三维空间中尺寸相等的小体素（各向同性体素）具有显著的优势：冠状面、矢状面或其他投影的多平面重建 (MPR) 图像上呈现的轮廓不会出现阶梯状。使用尺寸不等的体素（各向异性体素）进行 MPR 重建会导致重建图像出现锯齿状。例如，可能难以排除骨折。

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螺旋阶梯

螺旋线螺距表征了工作台每转的移动量（以毫米为单位）和切割厚度。缓慢的工作台移动会形成压缩的螺旋线。在不改变切割厚度或旋转速度的情况下，加速工作台移动会在最终形成的螺旋线上的切割之间产生间隙。

通常，螺距被理解为龙门旋转过程中工作台的移动（进给）与准直的比率，以毫米表示，也以毫米表示。

由于分子和分母的单位（毫米）相等，因此螺旋螺距是一个无量纲量。对于多层螺旋CT（MSCT），所谓的体积螺旋螺距通常是指工作台进给量与单层切片的比率，而不是与Z轴上切片总数的比率。对于上面使用的示例，体积螺旋螺距为16（24毫米/1.5毫米）。然而，现在人们倾向于回归螺旋螺距的最初定义。

新型扫描仪提供了在定位图上选择研究区域头足向（Z轴）延伸的选项。此外，球管旋转时间、切片准直（薄层或厚层）和研究时间（屏气间隔）均可根据需要进行调整。SureView等软件会计算合适的螺距，通常设置为0.5到2.0之间的值。

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切片准直：沿 Z 轴的分辨率

图像分辨率（沿 Z 轴或患者体轴）也可通过准直调整，以适应特定的诊断任务。5 至 8 毫米厚的切片与标准腹部检查完全一致。然而，精确定位小骨骨折碎片或评估细微的肺部变化则需要使用薄切片（0.5 至 2 毫米）。切片厚度由什么决定？

准直的定义是沿患者身体纵轴（Z轴）获取薄或厚的切片。医生可以使用准直器限制X射线管发出的辐射束的扇形发散。准直器开口的大小可以调节射线以宽或窄的光束到达患者身后探测器的通道。缩小辐射束可以提高沿患者Z轴的空间分辨率。准直器不仅可以位于射线管出口处，还可以位于探测器正前方，即从X射线源侧面观察时位于患者“后方”。

准直器孔径相关系统在患者后方配备一排探测器（单层），可生成 10 毫米、8 毫米、5 毫米甚至 1 毫米的层厚。使用极薄层厚的 CT 扫描称为“高分辨率 CT”（HRCT）。如果层厚小于 1 毫米，则称为“超高分辨率 CT”（UHRCT）。UHRCT 用于检查岩骨，层厚约为 0.5 毫米，可显示穿过颅底或鼓室中听小骨的细小骨折线。对于肝脏，高对比度分辨率可用于检测转移瘤，因此需要层厚稍厚的层厚。

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探测器放置方案

单层螺旋技术的进一步发展带来了多层（多螺旋）技术的引入，该技术使用的探测器并非一排，而是多排，这些探测器位于与X射线源相对的Z轴方向垂直的位置。这使得同时从多个断面收集数据成为可能。

由于辐射呈扇形发散，探测器排必须具有不同的宽度。探测器的排列方案是，探测器的宽度从中心向边缘逐渐增加，从而允许获得不同的厚度和切片数量组合。

例如，16 层扫描检查可以使用 16 个高分辨率薄层（对于西门子 Sensation 16 而言，即 16 x 0.75 毫米技术）或 16 个两倍厚度的切片进行。对于髂股 CT 血管造影，最好在一次扫描中沿 Z 轴获取一个体积切片。在这种情况下，准直宽度为 16 x 1.5 毫米。

CT扫描仪的发展并未止步于16层。使用配备32排和64排探测器的扫描仪可以加速数据收集。然而，切片厚度的趋势会导致患者受到更高的辐射剂量，这需要采取额外的、且已经可行的措施来降低辐射暴露。

在检查肝脏和胰腺时，许多专家倾向于将切片厚度从10毫米降低到3毫米，以提高图像清晰度。然而，这会使噪声水平增加约80%。因此，为了保持图像质量，需要额外增加球管的电流强度，即将电流强度（mA）提高80%，或者增加扫描时间（mAs乘积增加）。

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图像重建算法

螺旋CT还有一个额外的优势：在图像重建过程中，大部分数据实际上并非在特定切片中测量。相反，该切片之外的测量值会与切片附近的大部分值进行插值，从而成为切片特定的数据。换句话说：切片附近的数据处理结果对于重建特定切片的图像更为重要。

由此引出一个有趣的现象。患者剂量（以 mGy 为单位）定义为每转 mAs 除以螺旋螺距，而每幅图像的剂量等于每转 mAs，不考虑螺旋螺距。例如，如果设置为每转 150 mAs，螺旋螺距为 1.5，则患者剂量为 100 mAs，每幅图像的剂量为 150 mAs。因此，使用螺旋技术可以通过选择较高的 mAs 值来提高对比度分辨率。这样一来，可以通过减小切片厚度来提高图像对比度和组织分辨率（图像清晰度），并选择螺距和螺旋间隔长度来降低患者剂量！这样一来，无需增加剂量或 X 射线管的负荷即可获得大量切片。

将获得的数据转换为二维（矢状面、曲线面、冠状面）或三维重建时，这项技术尤为重要。

来自探测器的测量数据会逐个剖面，以与X射线实际衰减相对应的电信号形式传输至探测器电子装置。电信号被数字化后，发送至视频处理器。在图像重建的这一阶段，采用“流水线”方法，包括预处理、滤波和逆向工程。

预处理包括为图像重建准备采集数据而进行的所有校正。例如，暗电流校正、输出信号校正、校准、径迹校正、辐射加固等。这些校正旨在减少射线管和探测器运行过程中的差异。

滤波使用负值来校正逆向工程中固有的图像模糊。例如，如果不进行滤波，扫描并重建一个圆柱形水模体，其边缘将非常模糊。如果将八条衰减曲线叠加起来重建图像，会发生什么情况？由于圆柱体的某些部分由两条叠加的曲线测量，因此得到的是星形图像，而不是真实的圆柱体。通过在衰减曲线的正分量之外引入负值，该圆柱体的边缘会变得清晰。

逆向工程将卷积扫描数据重新分配到二维图像矩阵中，显示损坏的切片。此过程逐个剖面进行，直至图像重建过程完成。图像矩阵可以被认为是一个棋盘格，但由 512 x 512 或 1024 x 1024 个元素（通常称为“像素”）组成。逆向工程使每个像素都具有精确的密度，在显示器屏幕上显示为从亮到暗的不同灰度。屏幕区域越亮，像素内组织（例如骨骼结构）的密度就越高。

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电压效应（kV）

当检查的解剖区域具有高吸收能力时（例如头部、肩胛带、胸椎或腰椎、骨盆或肥胖患者的 CT 检查），建议使用更高的电压或更高的 mA 值。通过在 X 射线管上选择高电压，可以增加 X 射线的硬度。因此，X 射线更容易穿透具有高吸收能力的解剖区域。此过程的积极一面是，患者组织吸收的辐射低能量成分会减少，而不会影响图像采集。对于儿童检查和追踪 KB 团块时，建议使用低于标准设置的电压。

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管电流（mAs）

电流（以毫安秒 (mAs) 为单位）也会影响患者接受的辐射剂量。体型较大的患者需要更高的射线管电流才能获得良好的图像。因此，体型较胖的患者接受的辐射剂量会高于体型明显较小的儿童。

骨骼结构较强的区域（例如肩胛带和骨盆）对辐射的吸收和散射能力更强，因此需要的管电流比颈部、瘦人的腹部或腿部等部位更高。这种依赖性在辐射防护中被积极利用。

扫描时间

应选择尽可能短的扫描时间，尤其是在腹部和胸部，因为心脏收缩和肠道蠕动可能会降低图像质量。降低患者不自主运动的可能性也能提高CT成像质量。另一方面，可能需要更长的扫描时间才能收集足够的数据并最大限度地提高空间分辨率。有时，选择延长扫描时间并降低电流是为了延长X射线管的使用寿命。

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3D重建

由于螺旋断层扫描能够收集患者整个身体区域的数据，骨折和血管的可视化效果显著改善。目前已使用几种不同的三维重建技术：

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最大强度投影 (MIP)

MIP 是一种从 2D 或 3D 数据集中提取高信号体素的数学方法。体素是从以不同角度采集的数据集中选择出来的，然后投影为 2D 图像。通过小步改变投影角度，然后快速连续地（即动态视图模式）显示重建图像，可以获得 3D 效果。该方法常用于增强血管成像。

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多平面重建（MPR）

这项技术能够重建任何投影的图像，无论是冠状面、矢状面还是曲线面。MPR 在骨折诊断和骨科领域都是一种宝贵的工具。例如，传统的轴向切片并不总是能提供完整的骨折信息。使用 MPR 可以更有效地检测出非常薄的骨折，即使没有骨折碎片移位或皮质板断裂。

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表面阴影显示，SSD

该方法重建高于亨斯菲尔德单位（Hounsfield unit）阈值的器官或骨骼表面。成像角度的选择以及假设光源的位置是获得最佳重建效果的关键（计算机计算并从图像中去除阴影区域）。骨骼表面清晰地显示了多平面重建（MPR）显示的桡骨远端骨折。

3D SSD 也用于手术规划，例如创伤性脊柱骨折的病例。通过改变图像角度，可以轻松检测胸椎的压缩性骨折并评估椎间孔的状况。椎间孔可以通过多种不同的投影进行检查。矢状面 MPR 图像可显示移位至椎管内的骨碎片。

解读 CT 扫描的基本规则

• 解剖方向

显示器上的图像不仅仅是解剖结构的二维表示，还包含有关 X 射线平均组织吸收的数据，以 512 x 512 元素（像素）矩阵表示。切片具有一定的厚度（dS _），是相同大小的长方体元素（体素）的总和，组合成一个矩阵。此技术特征是部分容积效应的基础，如下所述。所获得的图像通常是从下方（从尾部）观察的。因此，患者的右侧在图像的左侧，反之亦然。例如，位于腹腔右半部分的肝脏显示在图像的左侧。而位于左侧的器官，如胃和脾，则显示在右侧图像中。身体的前表面（在本例中为前腹壁）显示在图像的上部，而带有脊柱的后表面显示在图像的底部。传统射线照相术采用相同的成像原理。

• 部分容积效应

放射科医生确定切片厚度 (dS ₎。对于胸腔和腹腔的检查，通常选择 8-10 毫米；对于颅骨、脊柱、眼眶和颞骨锥体，通常选择 2-5 毫米。因此，结构可以占据整个切片厚度，也可以仅占据其中的一部分。灰阶上体素着色的强度取决于其所有组成部分的平均衰减系数。如果结构在整个切片厚度上具有相同的形状，则其轮廓将清晰可见，例如腹主动脉和下腔静脉的情况。

当结构未占据切片的整个厚度时，就会出现部分容积效应。例如，如果切片仅包含部分椎体和部分椎间盘，则它们的轮廓不清晰。当切片内部器官变窄时，也会出现同样的情况。这就是肾极、胆囊和膀胱轮廓不清晰的原因。

• 结节状结构和管状结构的区别

能够区分肿大和病理改变的淋巴结与横截面上的血管和肌肉至关重要。仅凭一张切片很难做到这一点，因为这些结构具有相同的密度（和相同的灰度）。因此，始终需要分析位于头部和尾部相邻的切片。通过指定给定结构在多少个切片中可见，可以解决我们看到的是肿大淋巴结还是或长或短的管状结构的难题：淋巴结仅在一两个切片中可见，而不会在相邻的切片中显示。主动脉、下腔静脉和肌肉（例如髂腰肌）在整个头尾方向的一系列图像中均可见。

如果怀疑某个切片上有增大的结节形成，医生应立即比较相邻的切片，以明确判断该“形成物”在横截面上是简单的血管还是肌肉。这种方法也很好，因为它可以快速确定私密体积的影响。

• 密度测定法（测量组织密度）

例如，如果无法确定胸腔内的液体是积液还是血液，测量其密度有助于鉴别诊断。同样，密度测定法也可用于肝脏或肾脏实质的局部病变。然而，不建议仅根据单个体素的评估就得出结论，因为这种测量结果不太可靠。为了提高可靠性，有必要扩大由局部病变、任何结构或液体体积中的多个体素组成的“感兴趣区域”。计算机会计算平均密度和标准差。

应特别注意不要遗漏硬化伪影或部分容积效应。如果病变未覆盖整个切片厚度，则密度测量会包含邻近结构。只有当病变填充整个切片厚度 (dS) 时，才能正确测量其密度_。在这种情况下，测量更有可能涉及病变本身，而不是邻近结构。如果 dS 大于病变直径（例如小病变），则在任何扫描层面都会导致部分容积效应。

• 不同类型织物的密度等级

现代设备能够覆盖4096种灰度，这些灰度以亨斯菲尔德单位（HU）为单位，代表不同的密度等级。水的密度被任意设定为0 HU，空气的密度则设定为-1000 HU。显示器屏幕最多可显示256种灰度。然而，人眼只能分辨大约20种。由于人体组织密度谱的范围远大于这些相当狭窄的界限，因此可以选择和调整图像窗口，以便只显示所需密度范围的组织。

平均窗口密度水平应尽可能接近被检查组织的密度水平。由于肺部空气流通较多，因此最好在低HU设置的窗口中进行检查；而对于骨组织，则应显著提高窗口密度水平。图像对比度取决于窗口宽度：较窄的窗口对比度更高，因为20种灰度仅覆盖密度范围的一小部分。

值得注意的是，几乎所有实质器官的密度水平都在 10 至 90 HU 之间的狭窄范围内。肺是个例外，因此如上所述，必须设置特殊的窗口参数。对于出血，必须考虑到最近凝结的血液的密度水平比新鲜血液高约 30 HU。然后，在陈旧出血区域和血栓溶解区域，密度再次下降。在标准窗口设置下，蛋白质含量超过 30 g/L 的渗出液不易与漏出液（蛋白质含量低于 30 g/L）区分开来。此外，必须要说的是，例如在淋巴结、脾脏、肌肉和胰腺中，密度重叠程度高，仅根据密度评估无法确定组织身份。

总而言之，需要注意的是，正常组织密度值也因个体而异，并会受到循环血液和器官中造影剂的影响而发生变化。后者对于泌尿生殖系统的研究尤为重要，尤其涉及造影剂的静脉注射。在这种情况下，造影剂会迅速被肾脏排泄，导致扫描过程中肾实质密度增加。这种效应可用于评估肾功能。

• 在不同的窗口中记录研究

获得图像后，需要将其转写到胶片上（制作硬拷贝）以记录检查结果。例如，在评估胸部纵隔和软组织的状况时，会设置一个窗口，以便肌肉和脂肪组织以灰色阴影清晰可见。在这种情况下，使用中心为 50 HU、宽度为 350 HU 的软组织窗口。因此，密度从 -125 HU（50-350/2）到 +225 HU（50+350/2）的组织显示为灰色。所有密度低于 -125 HU 的组织（例如肺）均显示为黑色。密度高于 +225 HU 的组织为白色，其内部结构无法区分。

如果需要检查肺实质，例如在排除结节性病变的情况下，应将窗口中心缩小至-200 HU，并增加窗口宽度（2000 HU）。使用此窗口（肺窗）可以更好地区分低密度的肺结构。

为了在大脑的灰质和白质之间实现最大对比度，应选择特殊的脑窗。由于灰质和白质的密度仅略有不同，因此软组织窗口应非常窄（80-100 HU）且对比度高，其中心应位于脑组织密度值的中间（35 HU）。在这样的设置下，无法检查颅骨，因为所有密度高于 75-85 HU 的结构都显示为白色。因此，骨窗的中心和宽度应明显更高 - 分别约为 +300 HU 和 1500 HU。只有使用骨窗才能看到枕骨中的转移瘤，而使用脑窗则无法看到。另一方面，脑部在骨窗中几乎不可见，因此脑物质中的小转移瘤不会被注意到。我们应该始终记住这些技术细节，因为在大多数情况下，所有窗口中的图像都不会转移到胶片上。进行检查的医生会查看所有窗口屏幕上的图像，以免错过重要的病理迹象。

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