计算机体层成像

计算机体层成像(computed tomography，CT)作为影像学检查方法之一，在临床上有着不可替代的作用。

自1998年，多层螺旋CT开始了真正意义的起步，主要表现在同步扫描的能力越来越强(4层/圈—6~8层/圈—10~16层/圈—32~40层/圈—64层/圈)，扫描速度越来越快(0.5 s—0.42 s—0.37 s—0.33 s)，图像分辨率越来越高(以Z轴分辨率为例：1 mm—0.75 mm—0.6 mm—0.33 mm)。

时至今日，CT扫描的速度和分辨率均以达到前所未有的水平，极大程度上满足临床各种检查的需要，多层螺旋CT(包括64层及更多层数、排数的单源CT)在临床上一直面临着难以逾越的问题: ①在高心率及不规则心率情况下无法实现有效的心脏成像(时间分辨率需要低于100 ms)当机架旋转一圈时的时间最短达到0.33 s时，对机械制造业来说已经达到了一个新的极限速度，其高速旋转的离心力达到28 G，心脏成像的时间分辨率达到165 ms。

而为了适应心率的波动情况，特别是在高心率和心率失常的情况下，时间分辨率需要小于100 ms，此时相应的机架旋转时间须在0.2 s左右，离心力则将达到75 G[1,2]，而这是单源CT难以达到和维持的。

②一次扫描难以完成整个器官的扫描：目前所有的多层螺旋CT均采用在扫描方向上(Z轴)的多排亚毫米级的探测器组合，单圈扫描的最大覆盖范围仅为20~40 mm，难以完成整个器官的瞬间扫描。

尤其对心脏等运动器官的扫描时，其采集方式为螺距小于1(pitch值一般为0.2-0.4)即多实相重叠扫描方式，需要多圈次的扫描来产生容积数据用于图像重建，但是通过这种方式无法观察到整个器官随时间变化的血流灌注情况，而且图像的空间分辨率难以进一步提高到常规X线平片的水平。

③难以最大的容积覆盖速度和足够的功率来完成高清晰的成像：现在临床上越来越多需要大范围、高速度、超薄层的扫描。

既往常常不得不在上述三者之间根据实际情况做出选择和妥协，因为单源CT扫描功率有限，即使其功率值越来越大，但是实际的有效功率值和储备值并无明显提高。

例如对肥胖患者的扫描常需要加大扫描剂量以取得高质量的薄层图像，但往往需要牺牲扫描速度或范围。

④对组织结构的区分能力不够：密度分辨率是CT成像的主要优势，也是CT成像原理的基本出发点。

对于单源CT来说，密度是其分辨组织的唯一依据。

如果失去密度对比，就难以进行诊断和鉴别诊断。

2005年底推出的双源CT(dual source CT)将CT的时间分辨率提高到了83 ms，解决了某些心律失常患者难以进行冠状动脉CT成像的问题，大大拓宽了冠状动脉CT的应用范围。

从此超越了扫描层数(或探测器排数)的简单累加(这是过去数年内CT技术的主要竞争点)，重新定义和诠释了CT的概念，它全面拓展了CT的临床应用，将影像诊断领域推向了一个令人惊喜的高度!1 双源CT的结构和成像原理CT技术的发展按X射线束的形状及扫描方式不同，被公认为经历了以下5次重大的技术变革：①单束平移-旋转方式; ②窄扇形束-平移旋转方式; ③宽扇形束-旋转方式; ④宽扇形束静止-旋转方式; ⑤电子束[3]。

目前广泛应用于临床多层螺旋CT均为单能量，虽然扫描速度得到了极大的提高，但限度与问题仍然存在,即使是64层螺旋CT,其扫描速度也只能达到接近极限的0.33 s,而有效的心脏成像的时间分辨率应<0.1 s,因此冠状动脉的成像必须严格控制心率至60~65次，对心律不齐和心率超过90次的患者,图像质量会受到一定影响,需要在检查前服用降心率药物，而对于重度冠状动脉钙化或金属支架植入后再狭窄评估,64层螺旋CT的空间分辨力显得力不从心，虽然软件中的多扇区重建及由心动周期的叠加来达到部分提高时间分辨力的作用,但要彻底解决该问题则需要CT机加速度的彻底提高，现在64层CT机0.33s/360°，旋转速度的离心力为28 G，如果要实现心脏最佳扫描及理想时间分辨力则需要小于100 s，则机架的旋转速度0.2 s/360°,而其离心力为75 G,这样巨大的离心力使其在技术上的实现是个难题[1,2]。

此外,单源在鉴别不同的组织密度上仍有一定的限度,不能充分区分病变的组织特性,使临床诊断存在一定的难度。

双源CT通过两个射线源和两个探测器来采集图像,通过双源不同能量下的数据采集,即两个射线源以不同的能量设置来工作,成像的时间分辨率达到83 ms，低于心脏成像所需的0.1 s,这样的时间分辨率足以使心脏尤其是冠状动脉成像不再受心率的影响,也不需要在检查前控制心率，使得双源CT的冠状动脉成像已经满足了进入临床常规应用的必备条件，且曝光剂量比传统少50%，在显示图像的细节方面也有明显的提高。

另外X线球管采用Straton零兆金属球管其体积和重量只是常规玻璃球管的1/4，通过电磁偏转线圈控制电子束使管电流得到实时控制[4,5]。

双源CT整机基本构成包括2个主机电气柜(1主1辅)、机架、检查床、水冷系统、成像控制系统图像重建系统及图像后处理系统等[6]。

核心部分主要是2套既相互独立,又相互联系的数据采集系统。

主要有2个相互独立的高压发生器A和B,2个Straton零兆金属球管A 和B,2组超高速稀土陶瓷探测器和2套相对应的数据采集装置A和B组成，除2套探测器因受机架内可利用有效空间的限制,横向上的长度不同,故而导致有效探测野(FOV)不同外,其余同类部件完全相同。

双源由两套球管和相对应的两组探测器构成的两套数据采集系统组成,两套数据采集系统呈90°交叉安装在旋转的机架上,一套探测器覆盖整个完整的扫描野(直径为50 cm),而另一套探测器因受机架空间的限制,仅能覆盖中心视野(直径为26 cm)。

每一组探测器包括40排探测器,中间32排的准直宽度为0.6 mm,而两边外围的8排探测器准直宽度为1.2 mm。

每一组探测器纵向覆盖的等中心宽度为28.8 mm，实际应用的组合为32 mm×0.6 mm和24 mm×1.2 mm，通过Z轴的飞焦点技术,2个连续以0.6 mm准直宽度获取的32层读取数据,可组合成等中心取样厚度为0.3mm的64层投影,以这种方式每次旋转每组探测器,可获得层厚为0.6 mm的重叠64层图像[7]。

机架旋转的最短时间为0.33 s，常用于冠状动脉的数据采集，还有旋转时间为0.5 s和1.0 s可供选择。

每个球管的最大峰值输出为80 kW，可单独调节管电压和电流。

两个球管的管电压和电流可以完全相同，进行单独重建以提高时间分辨率，也可将两组X线源/探测器组合获得的数据叠加，获得高质量的图像,两个球管的管电压和电流也可完全不同,因此,可进行双能量数据采集,可利用不同能量的线以及组织相对应的值变化,得出能体现组织化学成分的所谓组织特性图像,有利于机体组织的区分定性[8]。

双源CT具有78 cm的大机架孔径及200 mm的扫描范围,扩展了临床的应用范围。

机架运动部分和诸多螺旋一样,也是采用了碳刷和低压滑环技术,但与它们不同的是旋转部分采用了电磁直接驱动技术,在相关软件控制下实现了3种旋转方式：330 ms/360°、500 ms/360°和1 000 ms/360°。

电磁直接驱动在大大降低机械运动噪音的同时,又能在极短的时间内达到心脏检查时330 ms/360°的最高旋转速度,缩短了扫描时间,提高了工作效率。

双源CT有两种工作模式,即单源模式和双源模式,均可通过控制台进行相关设置。

单源模式时主要数据采集与重建系统工作,数据采集与重建系统处于关闭状态。

此时与一台普通64层机无异,即由球管A发射射线,经受检者衰减后被探测器A接收,然后再经相应的图像处理和重建后产生相应部位的CT图像。

1次扫描(即1个采集周期)球管和探测器组至少要旋转180°才能获得足够的数据,重建出图像,最多可获得64层图像。

定位像及头颈部、胸腹部及四肢等一些常规平扫、增强扫描常采用单源模式。

双源模式时,2套数据采集与重建系统同时工作,2套球管与探测器组合,各自独立发射及接收射线,独立完成图像处理,但在图像重建时,由2套采集系统获得的数据既可以重建出2组独立的图像,也可以重建出1组融合的图像,前者1个采集周期与单源模式相同,即球管和探测器组至少要旋转180°，主要用于骨骼及钙化的分离，鉴别组织与胶原成分等;后者1个采集周期球管和探测器组只需旋转90°,由2组数据采集系统获得的2组数据经相应的数学运算、组合后即可实现单源下旋转180°的效果,但时间分辨率提高了1倍,主要用于心脏等时间分辨率要求极高的检查[6]。

2 双源CT的临床应用2.1 冠状动脉成像理想的心脏成像最好是在心动周期的舒张期[9]，而心率越快，舒张期则越短。

如果使用单源CT，X射线源/探测器系统就必须在心脏舒张期获得180°的数据投影才能完成图像重建。

现在通过双源CT扫描仪，每组X射线源/探测器组合只需要转动90°，就可以采集到质量很高的心脏图像。

64层螺旋CT心脏扫描中,由于钙化或运动导致的图像质量下降使不能用于诊断的冠状动脉节段高达12%[10],其主要原因是时间分辨率不够导致空间分辨率降低而使图像模糊。

要想使图像质量不受心脏搏动的影响其时间分辨率必须达到100 ms。

从成像原理上讲，必须获得180°的数据才能得到满意图像,这需要机架的旋转速度达到0.2 s/360°，其离心力高达75 G，而目前的机械工业装备水平无法达到。

双源CT的双路数据采集系统使每个球管只需旋转90°就能得到高质量的心脏成像,时间分辨率提高至单扇区83 ms。

因此,不需控制心率就能完成冠状动脉成像。

临床研究证实[11],双源CT在无需控制心率的前提下可以清楚显示管径≥1.5 mm的冠状动脉的2~3级分支,可准确判断狭窄的程度,尤其是对重度狭窄的敏感性和特异性较高。

Matt等[12]的研究证实,在所有冠状动脉节段中,不同心率和图像质量之间没有发现有意义的相关性;心率变化(心律不齐)和图像质量之间在右冠状动脉和左前降支均未发现有意义的相关性,但在回旋支有相关(P<0.05)。

双源冠状动脉造影总的图像质量可在较大的心率范围和心率变化范围内满足诊断,只有在心率快且不齐时,图像质量才有降低,但仍能满足诊断。

Scheffel等[13]对30例心率为47~102次/min的冠心病患者在不进行心率控制的条件下,采用双源CT 行冠状动脉成像,98.6%的冠状动脉细节段达到诊断要求,对冠状动脉严重狭窄的敏感性、特异性、阳性和阴性预测值达到96.4%、97.5%、85.7%和99.4%。