光谱CT：从理论到实践

作者简介

雷军强 主任医师，教授，博士研究生导师。兰州大学第一医院副院长，甘肃省放射影像临床医学研究中心主任，甘肃省智能影像工程中心主任，甘肃省卫生系统领军人才。中华医学会放射学分会腹部学组副组长，中国医师协会放射医师分委员，中国数字医学专业委员会委员，中国研究型医院学会肿瘤影像专委会副主任委员，甘肃省医学会放射学分会副主任委员，甘肃省医师协会放射医师分会副主任委员，甘肃省循证医学专委会副主任委员，《磁共振成像》《实用放射学杂志》《中国临床医学影像杂志》等多种期刊编委。主持国家自然科学基金 1 项，省部级科研课题 4 项。获甘肃省科技进步奖一等奖、二等奖、三等奖各 1 项，医学进步奖二等奖 2 项、三等奖 4 项，兰州市科技进步奖二等奖 1 项。参与《中国痛风诊疗指南》《类风湿关节炎诊疗指南》等 8 部指南的制订。主编专著 3 部，教材 1 部，以第一作者及通讯作者身份在 SCI 期刊及中文核心期刊发表论文 160 余篇。 窦 郁 医学博士，主任医师，副教授，硕士研究生导师。日本顺天堂大学顺天堂医院访问学者。中国卒中学会医学影像分会委员，中国妇幼保健协会母胎影像医学专业委员会委员，甘肃省医学会放射学分会神经学组副组长，甘肃省医师学会整合医学医师分会肿瘤专业委员会委员。主持及参与国家自然科学基金 1 项，甘肃省自然科学基金 1 项，兰州市科技计划项目 1 项。获甘肃省科技进步奖三等奖 1 项，甘肃省皇甫谧中医药科技奖二等奖 1 项，甘肃省医学科技奖三等奖 2 项，兰州市科技进步奖二等奖 1 项。主编教材 1 部，参编专著 3 部，以第一作者及通讯作者身份在 SCI 期刊及中文核心期刊发表论文 20 余篇。

内容简介

第 1 章? CT 发展史及能量成像原理 X 线是 19 世纪末物理学的三大发现之一，标志着现代物理学的诞生。1895 年 11 月 8 日，德国实验物理学家伦琴（Wilhelm Konrad Rontgen，1854—1923）首次发现了 X 线，并用 X 线拍摄了他夫人的手，而且显示出了骨骼结构。X 线的发现为诸多科学领域提供了一种行之有效的研究手段，对 20 世纪以来的物理学，以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。其中 CT的发明被认为是伦琴发现 X 线以来医学影像领域最伟大的发明。自 CT 发明以来，该技术应用到医学临床已有 50 余年的历史，经历了从最早只能扫描头部到用于全身各个部位检查，从单排非螺旋 CT 到多排螺旋 CT，从黑白灰度成像到彩色光谱成像的不同变化。以下内容将对 6 个不同时代和发展阶段进行简要回顾，并对 CT 能量成像的原理进行简要介绍。 一、CT 发展史 （一）头颅时代（1971—1973）：从发明到头部临床应用 CT 是传统 X 线摄影和计算机技术结合的产物，标志着影像检查技术进入一个新的划时代阶段。第一例头颅 CT 扫描诞生于 1971 年，豪斯费尔德（Godfrey Hounsfifield）在车库基于自己设计的 CT 原型机，完成了动物实验（牛）和人体试验（他自己），并于 1971 年 10 月 1 日，在阿特金森·莫利医院（Atkinson Morley’s Hospital）成功进行了第一例临床患者扫描，扫描采取笔形 X 线以旋转 / 平移方式（rotate/translate mode）进行，由于只有 1～2 个探测器，所以采集数据少，扫描时间长，图像质量差。在此之前，他的共同发明人科马克（Allan McLeod Cormack）曾使用拉动变换（radon transform）及其逆变换从理论上描述了放射性 X 线扫描仪和图像重建方法。豪斯费尔德和科马克的研究获得了 1979 年诺贝尔生理学或医学奖。 1972 年 4 月，在英国放射学研究院年会上，豪斯费尔德宣读了关于 CT 的第一篇论文，宣告了 CT 机的诞生。1972 年 10 月在芝加哥北美放射年会上首次展出了让整个医学界为之震惊的脑部 CT 图像（图 1-1），同时还展出了完成该图像的计算机辅助 X 线头部成像设备，第一次向世界隆重展示了 CT，引起了医学界的轰动。1973 年，豪斯费尔德首次提出利用多个能量点可以区分不同物质成分。在他的论文中描述了通过 100kV 和140kV 扫描获得的两组图像，以区分单能量下无法区分的钙（Z=20）和碘（Z=53），成为后来双能量 CT 的雏形。 （二）全身时代（1974—1989）：从头部应用到全身应用 1974 年，美国乔治城大学医学中心的工程师莱德雷（Robert Ledley）首次设计出了全身CT扫描机，将 X 线束改为扇形，探测器增至 30 个，扩大了扫描范围，增加了采集数据，图像质量有所提高，但仍不能避免因患者生理运动所引起的伪影（artifact）。 1975 年，美国凯斯西储大学的阿尔菲迪（Ralph Alfifidi）教授也率先开展了腹部 CT 成像方面的研究工作，其研究团队基于 17cm 孔径的EMI 扫描仪（scanner），进行了体部不同器官的扫描，获得了不同的测量值，为体部 CT 的临床应用奠定了基础。在他们的努力下，CT 的检查范围扩大到胸、腹、脊柱及四肢，开创了全身扫描的 CT 断层时代。 1976 年，阿尔瓦雷斯（Alvarez）和马科夫斯基（Macovski）首次完整地提出了双能量理论模型，将线性衰减系数（attenuation coeffiffifficient）进一步分解为光电效应（photoelectric effffect）和康普顿散射（compton Scattering），为后来能谱CT 和光谱 CT 时代的技术发展奠定了坚实的理论基础。 （三）容积时代（1989—1993）：从不连续扫描到连续扫描 1989 年 CT 在旋转 / 平移方式的基础上，首次采用了滑环技术和连续进床扫描，使扫描装置可沿着一个方向作连续旋转，配以连续进床，扫描轨迹呈螺旋状，因而得名为螺旋扫描模式（helical/spiral scan mode）。由于测器激增至 300～800 个，与相对的 X 线管只作旋转运动（rotate/rotate mode），扫描时间在一次屏气时间内，呼吸运动伪影大为减少，图像质量明显提高，螺旋扫描模式是 CT 技术发展的一个重要里程碑，标志着一种不同于传统断层扫描模式的全新的 CT 扫描技术诞生了。 1990 年，关于螺旋 CT 的首篇临床研究成果发表，开启了第一次容积扫描的革命，同时使动态增强 CT 大范围应用于临床，在持续曝光扫描的同时，扫描床不再以步进的方式跟进，而是实现了持续不停地跟进。这种 CT 技术被命名为第三代 CT，由于螺旋扫描模式带来的质的飞跃，第三代 CT 后来逐渐成为主流技术。随着呼吸运动伪影问题的解决，心脏搏动伪影又成为另一个难题。 本书通过大量翔实的病例资料及影像图片，全方位展示了光谱 CT 成像在全身肿瘤、心脏、颅脑等不同部位多种疾病影像诊断中的创新应用及优势，尤其是对结晶沉积、金属伪影等的纠偏处理，为影像检查开辟了新的理念。