從CT掃描儀到核磁共振成像技術(shù)

1、從CT掃描儀到核磁共振成像技術(shù)(圖)瀏覽： 606 -CT掃描儀人體內(nèi)臟器官發(fā)生了病變，如果醫(yī)生能看見病灶具體在哪里，有何癥狀，便可更好地對癥下藥，迅速、徹底地解除病人的痛楚。20世紀(jì)70年代中期，在世界各大城市的醫(yī)院里，先后出現(xiàn)了一種新式機(jī)器CT掃描儀。它的全稱叫電子計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影，CT是英文詞組Computerized Tomography的字母縮寫。這種機(jī)器就具有上述人們所希望的功能。 CT掃描儀的發(fā)明是在電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及和X射線被發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上獲得的。 1895年，德國物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，為人類利用X射線診斷與治療疾病開拓了新途

2、徑。但X射線拍攝出的物體照片只是平面圖像，看不出人體結(jié)構(gòu)的立體感，這在一定程度上妨礙了主治醫(yī)生對疾病的正確診斷。 1917年，奧地利年輕的數(shù)學(xué)家雷杜利用數(shù)學(xué)方法證實(shí)，一個(gè)立體的物體，如果能利用前后、上下、左右、深淺等幾個(gè)角度加以表現(xiàn)，則可以充分顯示出它的立體特征。雷杜的這一論點(diǎn)，成為CT技術(shù)發(fā)明和發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。 1938年，一個(gè)名叫法蘭克的放射學(xué)專家，開始實(shí)際驗(yàn)證雷杜的觀點(diǎn)，利用X射線診斷疾病，發(fā)明了一種被稱為X射線斷層攝影的診斷新技術(shù)。 有了電子計(jì)算機(jī)，有了X射線的斷層攝影技術(shù)，CT發(fā)明者就將它們巧妙地結(jié)合在一起。 20世紀(jì)60年代初，科學(xué)家奧特杜爾夫與美國塔費(fèi)茨大學(xué)生物學(xué)教授阿倫&#

3、183;科馬克設(shè)想，用高靈敏度的X射線檢測器來接受斷層掃描穿越過人體的X射線，把測得的大量數(shù)據(jù)輸入電子計(jì)算機(jī)處理，便可更好的分辨人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像?？岂R克堅(jiān)持了這方面的研究。而英國電子工業(yè)公司和英國中央實(shí)驗(yàn)研究所的戈弗雷·豪斯菲爾德后來居上，于1972年4月，在英國放射學(xué)會年會上首先宣布了研究CT機(jī)的報(bào)告，立刻轟動(dòng)了整個(gè)世界。隨后，科馬克也制成了CT機(jī)。豪斯菲爾德與科馬克這兩位科學(xué)家的杰出貢獻(xiàn)，最終為人類醫(yī)學(xué)事業(yè)創(chuàng)造出了一代嶄新的X射線診斷機(jī)CT機(jī)。 CT機(jī)的外形非常漂亮。一張帶有軟墊的檢查床宛如一輛推車，按動(dòng)電鈕，檢查床就會緩慢向前或向后移動(dòng)。在CT機(jī)身的一旁還有一個(gè)裝有電子計(jì)算機(jī)的

4、柜式控制臺，上邊安裝著大大小小的按鈕和開關(guān)?？刂婆_頂上豎放著一架電視顯示器。在控制臺的操縱下，CT機(jī)開始工作，顯示器屏幕上便會顯示出檢查結(jié)果的圖像。檢查工作完畢后，醫(yī)生還可以從CT機(jī)里取出拍攝好的X線照片，照片上的圖像與檢查過程中顯示器屏幕上顯示的一模一樣。 核磁共振機(jī)CT機(jī)發(fā)明至今的三十年時(shí)間里，就已經(jīng)更新?lián)Q代了好幾次。1972年，豪斯菲爾德和科馬克向世界展示的CT機(jī)，是第一代產(chǎn)品，完成一次掃描需用4分鐘5分鐘；而用兩個(gè)X射線管組成的第二代CT機(jī)產(chǎn)品，每次掃描僅需用30秒鐘120秒鐘；第三代CT機(jī)產(chǎn)品用多個(gè)X射線管組成，能夠用2.5秒完成一次掃描；到了第四代CT機(jī)，掃描時(shí)間減少到只需1秒鐘；

5、最近，科學(xué)家正在研制超高速的第五代CT機(jī)，按設(shè)計(jì)僅需用1%秒的時(shí)間就能完成掃描，還可以捕捉到人體生理活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。 到了20世紀(jì)70年代末期，核磁共振成像技術(shù)使醫(yī)學(xué)革命更向前推進(jìn)了一步。它是通過使用一個(gè)強(qiáng)磁場中頻率極高的電波掃描人體，從而對人體內(nèi)部，特別是體液流動(dòng)過程的情況進(jìn)行成像觀察。 雖然CT機(jī)和核磁共振掃描儀這些高技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備制造成本十分昂貴，但它們的確使人類對疾病診斷的準(zhǔn)確性程度大大提高了，因而被譽(yù)為20世紀(jì)醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域所取得的最重大的突破之一。 CT成像的基本原理是什么？ml在x-ray穿透人體器官或組織時(shí)，由于人體器官或組織是由多種物質(zhì)成分和不同的密度所構(gòu)成 的，所以各點(diǎn)對x-

6、ray的吸收系數(shù)是不同的。為了便于分析，將沿著x-ray束通過的人體分割成許多小單元體（即體素），另每個(gè)體素的厚度相等，即為 l。設(shè)l足夠小，使得每個(gè)體素均勻，假定為單質(zhì)均勻密度體，每個(gè)體素的吸收系數(shù)為常值。 當(dāng)入射第一個(gè)體素的X線強(qiáng)度為I0時(shí)，透過第一個(gè)體素的X線強(qiáng)度I1為：I1=I0e-u1l， u1是第一個(gè)體素的吸收系數(shù)，對于第二個(gè)體素來說，I1就是入射的X線強(qiáng)度，設(shè)第二個(gè)體素的吸收系數(shù)為u2，X線經(jīng)第二個(gè)體素透射出的強(qiáng)度I2 為：I2=I1e-u2l，將I1的表達(dá)式代入上式，有I2=（I0e-u1l）e-u2l=I0e-（u1+u2）l，最后，第n個(gè)體素透射出的X線強(qiáng) 度I=In=I0

7、e-（u1+u2+.+un）l。將上式中的吸收系數(shù)進(jìn)行對數(shù)變換，并移至等號左邊得：u1+u2+.+un=-1/l*lnI /I0，從上式可以看出如果X線的入射強(qiáng)度I0，透射強(qiáng)度I和物體體素的厚度l均為已知，那么沿著X線通過路徑上的吸收系數(shù)之和u1+u2+.+un 就可以計(jì)算出來。為了建立CT圖像，必須先求出每個(gè)體素的吸收系數(shù)u1、u2.un。從數(shù)學(xué)角度上講，為求出n個(gè)吸收系數(shù)，需要建立n個(gè)或n個(gè)以上的獨(dú)立方程，因此，CT要從不同方向上進(jìn)行多次掃描，來獲取足夠的數(shù)據(jù)，建立求解吸收吸收系數(shù)的方程。計(jì)算機(jī)體層成像CT(Computered Tomography)是Hounsfield196

8、9年設(shè)計(jì)成功，1972年公諸于世的。CT不同于X線成像，它是用X線束對人體層面進(jìn)行掃描，取得信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而獲得的重建圖像。所顯示的是斷面解剖圖像，其密度分辨力明顯優(yōu)于X線圖像。從而顯著擴(kuò)大了人體的檢查范圍，提高了病變的檢出率和診斷的準(zhǔn)確率。CT也大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展。由于這一貢獻(xiàn)，Hounsfield獲得了1979年的諾貝爾獎(jiǎng)金。第一節(jié)CT的成像基本原理與設(shè)備一、CT的成像基本原理CT是用X線束對人體某部一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測器接收透過該層面的X線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂?，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog/digital converter）轉(zhuǎn)為數(shù)

9、字，輸入計(jì)算機(jī)處理。圖像形成的處理有如對選定層面分成若干個(gè)體積相同的長方體，稱之為體素（voxel），見圖1-2-1。掃描所得信息經(jīng)計(jì)算而獲得每個(gè)體素的X線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣圖1-2-1掃描層面體素及象素（digital matrix），見圖1-2-2。數(shù)字矩陣可存貯于磁盤或光盤中。經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（digital/analog converter）把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即象素（pixel），并按矩陣排列，即構(gòu)成CT圖像。所以，CT圖像是重建圖象。每個(gè)體素的X線吸收系數(shù)可以通過不同的數(shù)學(xué)方法算出。圖1-2-2數(shù)字矩陣

10、二、CT設(shè)備CT設(shè)備主要有以下三部分：掃描部分由X線管、探測器和掃描架組成；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將掃描收集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行貯存運(yùn)算；圖像顯示和存儲系統(tǒng)，將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理、重建的圖像顯示在電視屏上或用多幅照相機(jī)或激光照相機(jī)將圖像攝下。CT成像流程如圖1-2-3。圖1-2-3CT裝置示意圖掃描部分如圖1-2-4及圖1-2-5所示的幾種不同掃描方式。探測器從原始的1個(gè)發(fā)展到現(xiàn)在的多達(dá)4800個(gè)。掃描方式也從平移/旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)/固定，發(fā)展到新近開發(fā)的螺旋CT掃描（spiral Ct scan）。計(jì)算機(jī)容量大、運(yùn)算快，可達(dá)到立即重建圖像。由于掃描時(shí)間短，可避免運(yùn)動(dòng)，例如，呼吸運(yùn)動(dòng)的干

11、擾，可提高圖像質(zhì)量；層面是連續(xù)的，所以不致于漏掉病變，而且可行三維重建，注射造影劑作血管造影可得CT血管造影（Ct angiography，CTA）。超高速CT掃描所用掃描方式與前者完全不同（圖1-2-5）。掃描時(shí)間可短到40ms以下，每秒可獲得多幀圖像。由于掃描時(shí)間很短，可攝得電影圖像，能避免運(yùn)動(dòng)所造成的偽影，因此，適用于心血管造影檢查以及小兒和急性創(chuàng)傷等不能很好的合作的患者檢查。圖1-2-4不同的掃描方式（I）圖1-2-5不同的掃描方式（II）第二節(jié)CT 圖像特點(diǎn)CT圖像是由一定數(shù)目由黑到白不同灰度的象素按矩陣排列所構(gòu)成。這些象素反映的是相應(yīng)體素的X線吸收系數(shù)。不同CT

12、裝置所得圖像的象素大小及數(shù)目不同。大小可以是1.0×1.0mm，0.5×0.5mm不等；數(shù)目可以是256×256，即65536個(gè)，或512×512，即262144個(gè)不等。顯然，象素越小，數(shù)目越多，構(gòu)成圖像越細(xì)致，即空間分辨力（spatial resolution）高。CT圖像的空間分辨力不如X線圖像高。CT圖像是以不同的灰度來表示，反映器官和組織對X線的吸收程度。因此，與X線圖像所示的黑白影像一樣，黑影表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如肺部；白影表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如骨骼。但是CT與X線圖像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力（dens

13、ity resolutiln）。因此，人體軟組織的密度差別雖小，吸收系數(shù)雖多接近于水，也能形成對比而成像。這是CT的突出優(yōu)點(diǎn)。所以，CT可以更好地顯示由軟組織構(gòu)成的器官，如腦、脊髓、縱隔、肺、肝、膽、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖圖像背景上顯示出病變的影像。x 線圖像可反映正常與病變組織的密度，如高密度和低密度，但沒有量的概念。CT圖像不僅以不同灰度顯示其密度的高低，還可用組織對X線的吸收系數(shù)說明其密度高低的程度，具有一個(gè)量的概念。實(shí)際工作中，不用吸收系數(shù)，而換算成CT值，用CT值說明密度。單位為Hu（Hounsfield unit）。水的吸收系數(shù)為10，CT值

14、定為0Hu，人體中密度最高的骨皮質(zhì)吸收系數(shù)最高，CT值定為+1000Hu，而空氣密度最低，定為-1000Hu。人體中密度不同和各種組織的CT值則居于-1000Hu到+1000Hu的2000個(gè)分度之間（表1-2-1）。表1-2-1體組織CT值（Hu）由表1-2-1可見人體軟組織的CT值多與水相近，但由于CT有高的密度分辨力，所以密度差別雖小，也可形成對比而顯影。CT值的使用，使在描述某一組織影像的密度時(shí)，不僅可用高密度或低密度形容，且可用它們的CT值平說明密度高低的程度。CT圖像是層面圖像，常用的是橫斷面。為了顯示整個(gè)器官，需要多個(gè)連續(xù)的層面圖像。通過CT設(shè)備上圖像的重建程序的使用，還可重建冠狀

15、面和矢狀面的層面圖像。第三節(jié)CT 檢查技術(shù)患者臥于檢查床上，擺好位置，選好層面厚度與掃描范圍，并使掃描部位伸入掃描架的孔內(nèi)，即可進(jìn)行掃描。大都用橫斷面掃描，層厚用5或10mm，特殊需要可選用薄層，如2mm。患者要不動(dòng)，胸、腹部掃描要停止呼吸。因?yàn)檩p微的移動(dòng)或活動(dòng)可造成偽影，影響圖像質(zhì)量。CT檢查分平掃（plain CT scan）、造影增強(qiáng)掃描（contrast enhancement,CE）和造影掃描。（一）平掃是指不用造影增強(qiáng)或造影的普通掃描。一般都是先作平掃。（二）造影增強(qiáng)掃描是經(jīng)靜脈注入水溶性有機(jī)碘劑，如60%76%泛影葡胺60ml后再行掃描的方

16、法。血內(nèi)碘濃度增高后，器官與病變內(nèi)碘的濃度可產(chǎn)生差別，形成密度差，可能使病變顯影更為清楚。方法分團(tuán)注法、靜滴法和靜注與靜滴法幾種。（三）造影掃描是先作器官或結(jié)構(gòu)的造影，然后再行掃描的方法。例如向腦池內(nèi)注入碘曲侖810ml或注入空氣46ml行腦池造影再行掃描，稱之為腦池造影CT掃描，可清楚顯示腦池及其中的小腫瘤。第四節(jié)CT分析與診斷在觀察分析時(shí)，應(yīng)先了解掃描的技術(shù)條件，是平掃還是增強(qiáng)掃描，再對每幀CT圖像進(jìn)行觀察。結(jié)合一系列多幀圖像的觀察，可立體地了解器官大小、形狀和器官間的解剖關(guān)系。病變在良好的解剖背景上顯影是CT的特點(diǎn)，也是診斷的主要根據(jù)，大凡病變夠大并同鄰近組織有足夠的密度差，即可顯影。根

17、據(jù)病變密度高于、低于或等于所在器官的密度而分為高密度、低密度或等密度病變。如果密度不均，有高有低，則為混雜密度病變。發(fā)現(xiàn)病變要分析病變的位置、大小、形狀、數(shù)目和邊緣，還可測定CT值以了解其密度的高低。如行造影增強(qiáng)掃描，則應(yīng)分析病變有無密度上的變化，即有無強(qiáng)化。如病變密度不增高，則為不強(qiáng)化；密度增高，則為強(qiáng)化。強(qiáng)化程度不同，形式亦異，可以是均勻強(qiáng)化或不均勻強(qiáng)化或不均勻強(qiáng)化或只病變周邊強(qiáng)化，即環(huán)狀強(qiáng)化。對強(qiáng)化區(qū)行CT值測量，并與平掃的CT值比較，可了解強(qiáng)化的程度。此外，還要觀察鄰近器官和組織的受壓、移位和浸潤、破壞等。綜合分析器官大小、形狀的變化，病變的表現(xiàn)以及鄰近器官受累情況，就有可能對病變的位

18、置、大小與數(shù)目、范圍以及病理性質(zhì)作出判斷。和其他成像技術(shù)一樣，還需要與臨床資料結(jié)合，并同其他影像診斷綜合分析。CT在發(fā)現(xiàn)病變、確定病變位置及大小與數(shù)目方面是較敏感而可靠的，但對病理性質(zhì)的診斷，也有一定的限制。第五節(jié)CT診斷的臨床應(yīng)用CT診斷由于它的特殊診斷價(jià)值，已廣泛應(yīng)用于臨床。但CT設(shè)備比較昂貴，檢查費(fèi)用偏高，某些部位的檢查，診斷價(jià)值，尤其是定性診斷，還有一定限度，所以不宜將CT檢查視為常規(guī)診斷手段，應(yīng)在了解其優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，合理的選擇應(yīng)用。CT診斷應(yīng)用于各系統(tǒng)疾病有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢，參考圖1-2-6。CT檢查對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷價(jià)值較高，應(yīng)用普遍。對顱內(nèi)腫瘤、膿腫與肉芽腫、寄生蟲病、外傷性

19、血腫與腦損傷、腦梗塞與腦出血以及椎管內(nèi)腫瘤與椎間盤脫出等病診斷效果好，診斷較為可靠。因此，腦的X線造影除腦血管造影仍用以診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、血管發(fā)育異常和腦血管閉塞以及了解腦瘤的供血?jiǎng)用}以外，其他如氣腦、腦室造影等均已少用。螺旋CT掃描，可以獲得比較精細(xì)和清晰的血管重建圖像，即CTA，而且可以做到三維實(shí)時(shí)顯示，有希望取代常規(guī)的腦血管造影。CT對頭頸部疾病的診斷也很有價(jià)值。例如，對眶內(nèi)占位病變、鼻竇早期癌、中耳小膽指瘤、聽骨破壞與脫位、內(nèi)耳骨迷路的輕微破壞、耳先天發(fā)育異常以及鼻咽癌的早期發(fā)現(xiàn)等。但明顯病變，X線平片已可確診者則無需CT檢查。圖1-2-6CT圖像少支膠質(zhì)細(xì)胞瘤增強(qiáng)，右額、頂葉有一較大不規(guī)則腫塊，強(qiáng)化不均，周圍有低密度水腫區(qū) 星形細(xì)胞瘤增強(qiáng)，左額頂葉有一不均勻強(qiáng)化腫塊，不規(guī)則，內(nèi)有未有強(qiáng)化的低密度區(qū)，周圍有低密度水腫區(qū)，中線結(jié)構(gòu)右移 胸腺增生平掃，胸腺區(qū)有一分葉狀密度均一病灶，仍呈胸腺狀，主動(dòng)脈受壓右移 肝膿腫平掃，肝右葉有一低密度灶類圓形，中心部密度更低為膿腔，周