CT（Computed Tomography），即计算机断层扫描，是一种医学影像技术。它使用X射线束对人体进行层析扫描，并借助计算机处理产生身体内部结构的详细图像。CT扫描以其快速、清晰的成像能力，广泛应用于各种疾病的诊断。

中文名：计算机体层摄影

外文名：Computed Tomography

所属分类：计算机科学，电子信息

发现时间：1963年

主要应用：医学检查、工业检测、安保检测

外文名简称：CT

重要发明人：弗雷·亨斯菲尔德

发明时间：1971年

CT（Computed Tomography，计算机断层扫描）是一种医学影像技术 ，它通过精确的X射线束和高灵敏度探测器对人体进行逐层扫描。通过计算机处理扫描得到的数据生成身体内部横断面、冠状面或矢状面的高分辨率图像。CT图像以不同的灰度反映器官和组织对X线的吸收程度，具有高密度分辨力，能够清晰地显示软组织和骨骼结构。CT广泛应用于临床诊断 、治疗规划和疾病监测，尤其在肿瘤、血管病变、创伤和感染的诊断上显示出极高的价值。

技术起源

CT技术的起源可以追溯到1895年，当时德国物理学家威廉·伦琴发现了X射线，这是医学影像学的重要里程碑。然而，X射线在检测重叠组织病变方面存在局限性。为了解决这一问题，1963年，美国物理学家艾伦·科马克提出不同组织对X线透过率差异的理论，为CT技术奠定了理论基础。

1967年，英国电子工程师戈弗雷·亨斯菲尔德独立于科马克的研究，开始研制一种新技术，旨在改进X射线的扫描和成像效果。1971年，亨斯菲尔德制造世界上第一台CT扫描装置，并在同年10月4日于伦敦的一家医院成功完成了首次头部检查。

发展历程

1972年，亨斯菲尔德在英国放射学年会上公布了CT扫描技术，标志着CT技术的正式诞生。1974年，全身CT扫描机研制成功，这使得CT技术的应用范围扩展到了胸、腹、脊柱及四肢。随后，CT技术经历了几代的发展。第一代CT机采用平移/旋转方式进行扫描，但由于技术和设备的限制，图像质量较差。第二代CT机通过改进X线束和增加探测器数量，提高了图像质量和扫描速度。第三代CT机进一步增加了探测器数量，并采用旋转/旋转方式，显著减少了扫描时间和伪影，提高了图像质量。第四代CT机通过固定探测器环状排列，仅让X线管围绕患者旋转，进一步提升了扫描速度和图像质量。第五代CT机通过电子束技术，实现了更快的扫描速度和更高的时间分辨率，特别适合心脏等动态器官的成像。

重大节点

1979年，亨斯菲尔德和科马克因在CT技术上的贡献共同获得了诺贝尔生理学或医学奖，这是对CT技术重要性的国际认可。

20世纪80年代末，螺旋CT的发明标志着CT技术进入了一个新的时代，螺旋CT通过连续旋转和检查床的移动，实现了更快的扫描速度和更好的图像质量。

1998年，多层螺旋CT的问世，使得CT扫描能够同时获取多个层面的图像，极大地提高了扫描效率和诊断能力。

阶段性成果

1971年，世界上第一台CT扫描仪的诞生，可以用于颅脑检查。

1974年，全身CT的研制成功，使得CT技术可以应用于全身各个部位的检查。

1997年，中国第一台具有自主知识产权的全身CT研制成功。

20世纪80年代末，螺旋CT的出现，使得CT技术在扫描速度和图像质量上都有了显著提升。

21世纪初，随着多层螺旋CT和宽锥束CT的发展，CT技术在心脏成像、三维重建和血管造影等方面取得了重要进展。

中国第一台具有自主知识产权的全身CT（苏瑞淇 摄）

成像原理

1.基本原理

CT是一种医学影像技术，它通过使用X射线对人体进行层析成像，生成身体内部结构的详细图像。CT扫描的基本原理是利用X射线束对人体特定厚度的层面进行扫描。X射线在穿透人体时，由于不同组织对X射线的吸收程度不同，探测器接收到的射线强度会有所变化。这些变化的射线信号被转换为电信号，并通过模拟/数字转换器转换为数字信号，然后输入计算机进行处理。

在CT成像过程中，选定的层面被分割成许多体积相同的小立方体，这些小立方体被称为体素（voxel）。每个体素的X射线衰减系数或吸收系数通过计算机计算得出，并被排列成一个数字矩阵。这个数字矩阵可以存储在磁盘或光盘中，并通过数字/模拟转换器转换为不同灰度的像素（pixel），最终按照矩阵排列构成CT图像。因此，CT图像是一种重建图像，每个体素的X射线吸收系数可以通过数学方法计算得出。

2.工作程序

CT的工作程序涉及以下几个关键步骤：首先，根据人体不同组织对X线的吸收和透过率的不同，使用高灵敏度仪器对人体进行测量。测量所获取的数据随后被输入到电子计算机中进行处理，最终生成人体被检查部位的断面或立体图像，从而能够发现体内检测部位的细小病变。

3.扫描方式

CT扫描方式经历了从最初的静态平移扫描到连续旋转扫描，最终发展到现代的螺旋CT扫描。现代CT扫描技术能够在短时间内完成连续层面扫描，避免了由于身体运动如呼吸运动造成的图像模糊，提高了图像质量。此外，螺旋CT扫描还可以实现三维重建，为临床提供更丰富的诊断信息。

4.图像重建

CT图像的重建通常采用多种数学算法，如直接反投影重建方法、滤波反投影算法（FBP）、直接傅立叶变换算法等。这些算法能够从投影数据中求解物体内部衰减系数的分布，从而无损地检测物体内部结构信息。图像重建是CT成像过程中的关键步骤，它直接影响到最终图像的质量和诊断的准确性。

设备构成

图1 CT设备组成

CT设备主要由扫描部分、计算机系统、图像显示与存储系统三个核心部分组成。

1.扫描部分

扫描部分是CT设备中直接与患者接触并进行成像的部分，它由以下几个关键组件构成：

X线管：这是产生X射线的装置。X线管能够发射出穿透人体组织的X射线束，是CT成像的基础。

探测器：探测器的作用是接收穿透人体后的X射线，并将其转换为电信号。随着技术的发展，探测器的 数量已经从最初的单个发展到多达4800个，这大大提高了成像的效率和质量。

扫描架：扫描架是支撑X线管和探测器的机械结构，它允许X线管和探测器围绕患者旋转，以获取不同角度的图像数据。

2.计算机系统

计算机系统是CT设备的“大脑”，负责处理由扫描部分收集到的数据。计算机系统的主要功能包括：

数据存储：将探测器收集到的电信号转换为数字数据，并存储在计算机系统中。

数据处理：利用复杂的算法对收集到的数据进行分析和计算，以重建出人体的横断面图像。

图像重建：计算机系统能够快速运算，实现图像的即时重建，这对于临床诊断具有重要意义。

3.图像显示与存储系统

图像显示和存储系统负责将计算机处理后的图像以直观的方式展现出来，并进行存储：

图像显示：处理后的图像可以在监视器上显示，供医生进行诊断分析。

图像存储：图像数据可以被存储在各种媒介上，如传统的胶片、数字磁盘或云存储系统中，以便于未来的参考和研究。

相关参数

CT值（Hounsfield Unit, HU）：CT值是衡量物质密度的指标，定义为某物质的线性衰减系数与水的线性衰减系数之差，再除以水的线性衰减系数，然后乘以分度因子。当分度因子取值为1000时，CT值的单位为亨氏单位（Hounsfield Units，HU）。不同组织具有不同的线性衰减系数，因此CT值也各不相同。例如，骨组织对X射线的吸收能力强，因此其CT值较高，而气体对X射线的吸收能力弱，因而其CT值较低。水的CT值定义为0 HU，作为衡量其他物质密度的参照标准。

分辨率：CT设备的分辨率分为三种：空间分辨率指影像中能够分辨的最小细节。密度分辨率指能显示的最小密度差别。时间分辨率指机体活动的最短时间间距。

层厚与层距：层厚指扫描层的厚度。层距指两层中心之间的距离。部分容积效应是指由于每层具有一定的厚度，可能包括密度不同的组织，因此，每一像素的CT值实际上是单位体积内各种组织的CT值的平均数，不能反映单一组织的真实CT值。

窗宽与窗位：窗宽（WW）和窗位（WL）是用于调整图像对比度和亮度的参数。窗宽是CT图像上显示灰阶所包含的CT值范围，而窗位是该范围的中心点。选择合适的窗宽和窗位对于观察特定组织或病变至关重要。

视场（Field of View, FOV）：视场分为扫描野（SFOV）和显示野（DFOV）。扫描野是X线扫描时的范围，显示野是数据重建形成的图像范围，通常扫描野大于显示野。

管电压和管电流：管电压（KV）和管电流（mA）共同决定了X线的硬度和光子数量。增大管电压可以增加X线的穿透力，而增大管电流量则增加辐射剂量。在面对不同年龄、体型的患者时，需要合理选择这些参数以确保图像质量和患者安全。

矩阵：CT矩阵用于重建图像，常见的有256×256，512×512等几种，其中512×512矩阵是常用的。

噪声：噪声是指在一个均匀物体被扫描时，每个像素的CT值围绕一个平均值波动的现象。噪声的大小取决于辐射强度，也就是达到探测器的X-Ray量子数。强度越大，噪声越低。噪声还受X线管的管电压、管电流、予过滤及准直器孔径等因素的影响。

信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）：信噪比是信号与噪声的比值。适当减少噪声能使图像质量更佳，提高信噪比是提高图像质量的重要手段。

扫描方式

CT的扫描方式分为平扫、增强扫描、造影扫描、螺旋CT扫描、双能量CT扫描和快速CT扫描六种。

1.平扫（Plain CT Scan）

平扫是最基本的CT扫描方式，它不涉及使用任何造影剂。在平扫中，患者简单地置于CT扫描仪中，X射线管和探测器围绕患者旋转，收集穿透身体后的射线数据。平扫通常作为初步检查，用于观察骨骼、肺部等结构，以及在没有使用造影剂的情况下评估患者的病情。

2.增强扫描（Contrast Enhancement, CE）

增强扫描是使用造影剂来提高图像对比度的一种扫描方式。造影剂通常是含碘的水溶性有机化合物，它通过静脉注射进入患者体内。造影剂会集中于血管中，随着血液循环，可以增强特定器官或组织在CT图像中的可见性。增强扫描对于检测血管病变、肿瘤、炎症等具有重要价值。

增强扫描主要有两种方法：

团注法：快速注入造影剂，以获得器官或病变区域的高对比度图像。

静滴法：持续缓慢地注入造影剂，适用于长时间观察血流动态。

3.造影扫描（Contrast CT Scan）

造影扫描是在进行CT扫描之前，先对特定的器官或结构进行造影。这通常涉及到将造影剂直接注入到感兴趣的解剖区域，如脑池、关节腔等。造影扫描可以清晰地显示这些区域的结构，以及可能存在的病变。例如，脑池造影CT扫描涉及将造影剂注入脑池，然后进行CT扫描，以清晰显示脑池及其中可能存在的小肿瘤。

4.螺旋CT扫描（Spiral CT Scan）

螺旋CT扫描是一种先进的扫描技术，它允许CT扫描仪在患者平移通过机器的同时连续旋转，并收集数据。这种扫描方式可以快速生成整个体积的数据，减少了运动伪影，并且允许三维图像重建。

5.双能量CT扫描（Dual-Energy CT Scan）

能量CT扫描是一种使用两种不同能量水平的X射线进行扫描的技术。这种方法可以提供关于组织成分的更多信息，有助于区分不同类型的组织和物质，常用于鉴别尿路结石的类型或评估肌肉和脂肪的分布。

6.快速CT扫描（Rapid CT Scan）

快速CT扫描技术可以在短时间内完成扫描，适用于需要快速诊断的情况，如急诊室中的创伤评估或小儿患者的检查。

图像特点

全腹部CT图谱

1.灰度表示法

CT图像由不同灰度的像素组成，这些像素按照矩阵排列构成图像。每个像素代表一个体素（voxel）的X线吸收系数。体素的大小和数量决定了图像的清晰度和细节程度。像素越小，数量越多，图像的空间分辨率越高。

2.高密度分辨力

与X线图像相比，CT图像的最大优势是其高密度分辨力。CT能够区分密度非常接近的不同组织，如软组织结构，这是X线图像难以做到的。CT图像中的黑白灰度不仅表示组织的吸收程度，还能通过CT值（Hounsfield units, Hu）进行量化，显示组织内部的细微结构和差异。

3.CT值量化

CT图像中，组织的密度通过CT值来量化，CT值反映了组织对X线的吸收程度。水的CT值定义为0 Hu，提供了一个参考点，使得CT图像能够定量地反映组织的密度差异。

4.层面图像

CT图像是层面图像，最常用的是横断面图像。通过连续的层面图像，可以完整地显示整个器官的结构。此外，借助CT设备上的图像重建程序，还可以重建出冠状面和矢状面的图像，为医生提供多角度的观察视角。

5.空间分辨率

CT图像的空间分辨率指的是图像中可区分的最小细节。较高的空间分辨率意味着图像的细节更加清晰。然而，CT的空间分辨率通常不如X线图像高，这是因为CT图像的像素大小和数量会影响其空间分辨率。

6.密度分辨率

密度分辨率是CT图像另一个重要的质量指标，它描述了图像中能显示的最小密度差异。CT的密度分辨率通常很高，这使得CT成为检测小病变和区分细微密度差异的理想选择。

7.图像后处理技术

CT图像的后处理技术包括多平面重建（MPR）、曲面重建（CPR）、多平面容积再现（MPVR）、表面遮盖显示（SSD）、容积再现技术（VR）、仿真内窥镜（CTVE）和血管探针技术（VP）等，这些技术可以提供更丰富的诊断信息和更直观的图像显示。

优势与缺点

CT图像技术由于其独特的诊断价值，在医疗领域得到了广泛的应用。以下是CT图像的一些主要优势：

高密度分辨率：CT图像能够区分人体组织之间微小的密度差异，这使得它在检测和诊断疾病方面非常有效。

快速扫描能力：CT扫描速度快，通常只需几分钟即可完成，这对于急诊情况尤其重要，可以迅速为医生提供诊断信息。

多排螺旋CT技术：随着技术的进步，多排螺旋CT已经发展到了320排，这大大提高了扫描的速度和效率。

PET/CT技术：CT与PET（正电子发射断层扫描）的结合，即PET/CT，在临床上得到了广泛应用，尤其在肿瘤诊断上显示出极高的价值。

先进的图像重建技术：现代CT扫描仪配备有先进的图像重建技术，能够提供清晰的横断面图像，有助于医生进行准确的诊断。

多平面成像：CT扫描可以重建出多平面的图像，如冠状面、矢状面，为医生提供更全面的诊断视角。

定量分析能力：CT图像可以进行定量分析，测量组织的X射线吸收衰减值，为诊断提供精确数据。尽管CT图像技术具有许多优势，但也存在一些局限性和缺点：

成本高昂：CT设备相对昂贵，导致检查费用较高，这可能限制了其在某些地区的普及。

辐射暴露：CT扫描使用的是X射线，存在一定的辐射暴露，对于怀孕妇女和儿童等敏感人群需要特别谨慎。

软组织对比度：尽管CT的密度分辨率高，但其软组织对比度不如MRI，这在神经系统和盆腔解剖结构的显示上可能成为限制。

定性诊断限制：CT在某些部位的检查中，尤其是定性诊断方面，仍有一定的限度，因此不宜将其视为常规诊断手段。

技术要求高：CT扫描需要专业的操作和解读，对技术人员和医生的技能要求较高。

对某些病变的诊断能力有限：对于某些病变，如胃肠道黏膜层及肌层的病变，CT检查可能容易漏诊。

图像质量受多种因素影响：CT图像的质量可能受到患者体型、配合程度以及设备性能等多种因素的影响。

医学检查

CT检查在医学诊断中扮演着极其重要的角色。特别是在中枢神经系统疾病的诊断中，CT能够提供高价值的检查结果，广泛应用于诊断颅内肿瘤、脓肿、寄生虫病、外伤性血肿、脑损伤、脑梗塞、脑出血以及椎管内肿瘤和椎间盘脱出等疾病。此外，CT血管造影（CTA）能够生成精细的血管重建图像，有望取代传统的脑血管造影。

在头颈部疾病的诊断中，CT也非常有价值，能够发现眶内占位病变、鼻窦早期癌、中耳小胆脂瘤、听骨破坏与脱位等病变。对于胸部疾病，高分辨率CT的应用日益显示出优越性，尤其在诊断纵隔肿瘤、淋巴结结核、中心型肺癌等病症时可以提供重要帮助。

对于心脏及大血管的检查，CT能够很好地显示心包病变、心腔及心壁的情况，尤其对于冠状动脉和心瓣膜的钙化、大血管壁的钙化及动脉瘤改变等病症具有显著的诊断价值。

在腹部及盆部疾病的诊断中，CT的应用也非常广泛，主要用于肝、胆、胰、脾、腹膜腔及腹膜后间隙以及泌尿和生殖系统的疾病诊断，尤其对于占位性病变、炎症性和外伤性病变等具有重要价值。

工业检测

CT技术在工业检测中也发挥着重要作用，特别是在无损检测和逆向工程中。工业CT技术能够探测气孔、夹杂、针孔、缩孔、分层等各种常见缺陷，并能精确测定这些缺陷的尺寸和位置。与其他常规无损检测技术相比，工业CT技术具有更高的空间和密度分辨率，能够生成材料缺陷的三维图像，对于工程陶瓷结构尺寸、材料均匀性、微孔率的精确测量以及微裂纹、夹杂物、气孔、异常大晶粒等缺陷检测具有极高的研究和应用价值。

安保检测

CT设备还被广泛应用于安保领域，如航空运输、港湾运输、大型货物集装箱案件装置等的检测中。CT技术在此领域的应用能够对潜在的威胁进行快速而准确的检测，提高安全性和效率。

未来发展方向

CT技术的未来发展将聚焦于提高成像质量、降低辐射剂量、增强功能成像能力以及实现多模态成像融合等方面。

1) 提高成像质量：未来的CT设备将通过采用更先进的探测器技术和图像重建算法，实现更高分辨率的成像，以更清晰地辨识微小病变。

2) 降低辐射剂量：通过优化扫描参数和使用更智能的剂量调节系统，未来的CT扫描将显著减少患者接受的辐射剂量，特别是对儿童和需要反复扫描的患者。

3) 功能成像：CT技术将与生物学、物理学和计算机科学的交叉领域合作，发展功能成像技术，如CT灌注成像，以评估组织血流和代谢状态。

4) 多模态成像融合：CT将与MRI、PET等其他成像技术相结合，提供更全面的解剖和功能信息，为疾病的诊断和治疗提供更多维度的数据。

5) 人工智能应用：人工智能将在CT图像的重建、分析和解释中发挥更大作用，提高诊断的准确性和效率。

6) 便携式和低成本设备：便携式和低成本CT设备的研发将使高质量医疗服务更加普及，特别是在偏远地区和资源有限的环境中。

最新研究进展

1) 双能量CT：不同的组织或物质对于不同能量的X射线具有不同的吸收特性。通过使用两个不同的X射线能量，双能量CT能够提供关于组织成分的更多信息，有助于区分不同的物质。

2) 迭代重建技术：迭代重建技术通过复杂的算法改善图像质量，同时降低辐射剂量，是当前CT领域的一个重要研究方向。

3) 人工智能在CT中的应用：AI技术被用于提高CT图像的诊断准确性，自动化图像分析，以及优化扫描协议。

4) CT引导的微创手术：CT图像可以用于引导微创手术，提高手术的精确性和安全性。

5) 移动CT扫描：移动CT扫描设备的开发使得CT扫描能够在更广泛的场合下使用，包括急救现场和偏远地区。

类似概念辨析

在医学影像领域，CT与其他成像技术相比具有不同的特点和应用范围：

X射线成像：传统的X射线成像是二维的，而CT扫描能够提供三维的图像，并且能够重建出不同层面的图像。

MRI（磁共振成像）：MRI利用磁场和无线电波成像，对软组织的成像优于CT，但MRI对骨骼的成像不如CT清晰。

PET（正电子发射断层扫描）：PET扫描主要用于观察身体的功能和代谢过程，如癌症的早期发现，而CT则更侧重于解剖结构的成像。

SPECT（单光子发射计算机断层成像术）：SPECT与PET类似，用于功能成像，但使用的是单光子而非正电子。

超声成像：超声成像是一种无辐射的成像技术，适用于观察动态器官，如心脏和胎儿，但穿透力有限，对骨骼和空气界面下的成像效果不佳。