CT技術的發展與其在醫學上的應用

孔祥云，李尹岑

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心光電部，北京 100190）

1 前言

自20世紀70年代第一代CT設備問世以來，計算機斷層成像（Computed Tomography）技術一直持續迅猛發展，醫用CT設備是目前臨床上使用最多的檢測設備之一，在醫學領域的多個方面都具有廣泛應用。隨著CT技術的發展，為了保護其自身的經濟權益，世界各國的公司都在專利CT領域中進行不斷地競爭，積極建立自己的專利保護網，使得CT領域的專利申請量與日俱增。為了更好的對CT領域的專利申請進行審查，最基本的要求就是必須充分掌握該領域的現有技術，為此，本文對CT技術的原理、發展過程以及其在醫學上的相關應用進行了介紹。

2 CT技術簡介

2.1 CT技術原理

計算機斷層成像（Computed Tomography），簡稱CT，是利用被測物體對某種物理量（一般是X射線光強）的吸收與透過率的不同，應用靈敏度極高的儀器對被測物體進行測量，獲取投影數據，然后運用一定的數學方法，通過計算機重建該被測物體特定層面上的二維圖像以及根據一系列的該二維圖像重建三維投影的技術［1］，其依據的原理是1917年數學家Radon證明的理論——當已知所有入射角一的投影函數一二三時，可以恢復唯一的圖像函數一二 三。CT的特點是操作簡便，對病人來說無痛苦，其密度、分辨率高，可以觀察到人體內非常小的病變，直接顯示X線平片無法顯示的器官和病變，它在發現病變、確定病變的相對空間位置、大小、數目方面非常敏感而可靠。

2.2 CT技術發展簡介

1972年英國工程師Godfrey Hounsfield和美國物理學家Allan M.Comack將計算機技術和X線技術結合發明了計算機斷層成像技術，被譽為“CT之父”。兩年以后推出了第一臺商業化計算機斷層掃描系統-CT設備。它向醫生展示了顱腦的橫斷面圖像，提供了對診斷腫瘤、出血和梗塞很有價值的信息，這就是早期的“頭顱CT”［2］。 其后，CT技術的發展主線主要是掃描部位的變化、掃描方式的改進和掃描速度的提高、以及探測器排數的變化。具體而言，CT設備的發展大體上可以分為以下幾代。

第一代CT設備掃描和收集信息的方式主要是進行旋轉和平移。具體原理是：探測器和相對應的X線管兩者同時進行水平移動；接著繞著患者旋轉一度，進行掃描；直至旋轉180°收集到全部的數據。

第二代CT設備將原來的X線束變成了扇形，同時增加到30個探測器。這樣做進一步增加了掃描范圍，進而能夠采集更多的數據。第二代CT設備比第一代CT設備先進，主要體現在每一次能夠旋轉的角度是23°。這樣縮短了掃描的時間，但是仍然沒有完全消除在掃描的過程中，掃描患者的運動產生的偽影。

第三代CT設備的特點是增加了探測器的數量，增加到了300到800個；同時這些探測器和相對應的X線管只做旋轉運動。這樣設計的好處是能夠收集到更多的數據，大大減少了偽影的產生，使圖像的質量得到明顯提升。

第四代CT設備在第三代CT設備的基礎上，進一步增加了探測器的數量，多達1000至2400個。第四代CT設備只有X線管繞著患者旋轉。

第五代CT特點是掃描時間縮短到50ms，因而解決了心臟掃描的問題。其中主要結構是一個電子槍，所產生的電子束射向一個環形鎢靶，環形排列的探測器收集信息［3］。

2.3 CT設備簡介

CT設備主要由三大部分組成，即掃描部分、計算機系統以及圖像顯示和存儲系統。其中掃描部分由X射線源、探測器和掃描架構成，計算機系統用于儲存和計算掃描部分得到的掃描信息數據，而圖像顯示和存儲系統則是將計算機處理得到的重建圖像在顯示屏上顯示。

3 CT技術在醫學中的應用

3.1 CT心臟成像

CT技術在醫學檢測中應用廣泛，但軸向掃描CT無法完成對運動器官的掃描成像，而多層螺旋CT則完善了這一不足。多層CT通過所謂扇形、斑狀掃描，通過多列探測器共同采集同一層面的數據，完成重建，使得圖像的時間分辨率縮短，可到百余毫秒甚至幾十毫秒。最新的64層螺旋CT，每幅圖像分辨率時間只需0.25-0.4s，完成全心臟掃描只需5s即可，同時能夠看清軟、硬斑塊及支架，而且其對于心臟冠狀動脈成像的準確率接近100%。

3.2 CT血管成像

多層螺旋CT在醫學中的血管檢測領域具有重要應用。它可完成大范圍的血管掃描，能完成從顱內到頸部、從心臟主動脈弓到下肢的大范圍的血管圖像重建，可用于了解掃描部分血管是否存在血管畸形、狹窄和側支循環的現象，甚至可以用于判斷腫瘤或者炎變等是否存在對血管的侵蝕和推移的不良情況。另外，由于多層螺旋CT的掃描速度快和時間分辨率高，其應用在血管成像中，使得操作簡單、安全、快速而且無創傷，成為目前無創傷性血管成像的又一主要技術，而且它還可以部分或基本取代傳統的血管造影技術。

CT血管造影三維重建中采用的血管造影智能跟蹤技術，是通過向血管中注入造影劑，造影劑隨著血液循環到達器官（如腦、腎臟和肝臟），當到達檢測器官區域的造影劑與設定的閾值相等時，啟動掃描機制，從而得到最佳動脈期圖像、最佳靜脈期圖像和平衡時的圖像。通過這種技術手段可完成對動脈瘤、動靜脈畸形、腦血管狹窄等多種腦血管患者的血管造影檢查，再通過計算機適當處理，得到清晰準確的三維腦血管重建圖像，用于病變情況分析診斷。CT血管造影三維重建技術能夠全方位顯示血管圖像，同時具有微創、準確、價格低廉的特點，可用于手術計劃定制、術前定位和隨訪，在腦血管手術中發揮著重要的作用［4］。

3.3 CT中樞神經系統疾病的診斷

CT技術在診斷中樞神經系統的疾病方面，也具有較高的應用價值。對顱內腫瘤、膿腫和肉芽腫、寄生蟲病、外傷性血腫與腦損傷、腦梗塞與腦出血以及椎管內腫瘤與椎間盤脫出等一系列病診斷效果好，且結果可靠。因此，除顱內動脈瘤、腦血管造影、血管發育異常和腦血管閉塞等疾病，以及了解腦瘤的供血動脈情況時還用腦的X線造影診斷以外，其他如氣腦、腦室造影等均已很少使用。而螺旋CT掃描，既可以做到三維實時顯示，而且可以獲得比較精細和清晰的血管重建圖像（即CTA），是很有希望取代常規的腦血管造影的一項技術。

3.4 CT胸部疾病診斷

CT技術在診斷胸部疾病方面也有著非常重要的應用。現代的CT設備分辨率越來越高，因此在胸部疾病診斷方面越來越顯示出其優越性。通常采用造影增強掃描以明確縱隔和肺門有無腫塊或淋巴結增大、支氣管有無狹窄或阻塞，對原發和轉移性縱隔腫瘤、淋巴結結核、中心型肺癌等的診斷，都有很大的幫助。同時CT技術也能夠很好地顯示肺內間質和實質性的病變。CT技術還能夠清晰地顯示膈、胸膜、胸壁的病變。

4 結束語

迄今，CT技術仍然在不斷地迅猛發展著，具有日新月異的變化。作為該領域的相關審查人員，應當時刻關注和學習CT領域的新技術和新發展，充分掌握該領域的現有技術，以便做好該領域的專利審查工作。

［1］李國榮，李永耀.工程CT技術的發展與應用［J］.延安職業技術學院學報，2012，26（3）：90-99.

［2］顧孝同.國內工程CT技術的發展與應用［J］.工程地球物理學報，2006，4（3）：278-282.

［3］高麗娜，陳文革.CT技術的應用發展及前景［J］.CT理論與應用研究，2009，18（3）：99-109.

［4］張蓓.CT血管成像的基本原理及臨床應用［J］.國外醫學臨床放射學分冊，1995（5）：270-273.