第1章 心血管系统CT成像基本技术、成像原理及进展

节 心血管系统CT技术的发展历史

Hounsfield博士发明CT时，CT只能用于头部扫描。台体部CT机是Robert S.Ledley设计的ACTA(automatic computerized transverse axial)扫描仪，这台扫描仪的探测器上有30个光电倍增管，需9次平移/旋转完成一次扫描。自台CT机问世以来，CT技术迅猛发展，扫描速度从早的几百秒缩短到亚秒，层厚从10mm减小到0.625mm，而探测器排数则从单排增加到64排、128排、256排、320排。在螺旋CT诞生之前，根据CT发展的时序和结构特点，CT机大致分成五代，而发展到螺旋扫描CT机后，则不再以代划分，统称为螺旋CT。

代CT机为旋转/平移扫描方式，属头颅专用机，具有一个球管和一个探测器(图1-1A)。第二代CT机也属于旋转/平移方式，但是使用较小角度的扇形X线束，并采用多个探测器单元(图1-1B)。第三代CT机由一个球管(扇形X线束：30°～60°)及单排探测器(600～1000探测单元)组成。与前二代CT机不同的是，它不需要平移运动，每旋转一周(360°)即可获得一个层面图像(图1-1C)。第四代CT机的扫描方式只有球管在旋转，此类CT机具有更多的探测器，分布在360°的圆周上。扫描时，探测器固定，球管围绕患者做360°的旋转(图1-1D)。前四代CT机上都无法开展心脏扫描。

图1-1 代至第四代CT机的成像示意图

20世纪80年代初，第五代CT机，即电子束CT(EBCT)机，使冠状动脉的CT成像得以实现，当时的电子束CT机大多数只能做一些无创性的冠状动脉钙化评价，其他应用如冠状动脉狭窄的评估等仍非常有限。电子束CT机的X线产生方式与传统的X线机不同。电子束CT机由一个电子枪、偏转线圈和处于真空中的环形排列的4个钨靶组成(图1-2)。扫描时，电子束沿X线管轴向加速，电磁线圈将电子束聚焦，并利用磁场使电子束瞬时偏转，分别轰击4个钨靶。这种方法产生的旋转X线穿透人体后由两组探测器接收，这两组探测器平行排列于扫描机架上部210°范围内。图像重建过程则和普通CT机基本相同。电子束CT机的特点是扫描速度很快：50～100毫秒/层，适用于心脏领域的诊断。

图1-2 第五代CT机的成像示意图

尽管EBCT有极大的影响，但这项技术也受到诸多的限制。随着螺旋CT的迅速发展，EBCT已逐渐销声匿迹。

1989年在旋转/旋转扫描技术的基础上，人们通过采用滑环技术和连续进床的理念，开发出螺旋CT。文献报道早利用螺旋CT进行心脏扫描是在1992年，通过1秒/周旋转、2mm层厚、30s连续的螺旋扫描得到原始数据，采用投影角度每次增加45°的数据进行图像重建，终得到120幅时间上连续的图像。从这120幅图像中，心脏舒张期的图像数据被提取出来并在Z轴方向上排序，然后用三维容积再现(VR)重建出冠状动脉影像。用这种重建方式得到的图像虽然空间分辨率有较大局限性，但这是人们次看到的三维CT冠状动脉图像。此后，通过提高球管旋转速度，引入心电(ECG)门控技术和三维容积重建，螺旋CT的图像质量得到进一步改善。1999年，4排螺旋CT被研发出来，旋转速度提高到0.5秒/周，冠状动脉图像质量得到进一步提高，心脏CT进入多排螺旋CT的高速发展期。之后在短短的几年内，相继推出了8排、16排、32排、40排和64排。64排螺旋CT是CT心脏成像的一个里程碑。64排螺旋CT可以在不到5s的时间内完成心脏扫描，使心脏CT成为临床常规(图1-3)。如今的多排螺旋CT已经发展到320排，可以在一个心动周期内完成全心扫描。但是宽体探测器存在锥形束伪影问题，使宽体探测器的图像质量受到极大的挑战。

图1-3 64排CT心脏VR图像

64排螺旋CT采集的心脏CTA图像，清晰显示冠状动脉及其2～3级分支，清晰显示支架(此图为左前降支和左回旋支的支架)

目前GE(general electric)公司推出的Revolution CT具备16cm宝石宽体探测器、0.28秒/周的球管旋转速度、29ms的有效时间分辨率、0.23mm的空间分辨率、自适应迭代重建技术(ASiR-V)和多物质能谱等优势，并限度地减轻了锥形束伪影及散射线伪影的干扰(图1-4)。

图1-4 宽体探测器CT的锥形束伪影

A.传统宽体探测器Z轴16cm轴扫，体模，冠状位图像可见明显的锥形束伪影及散射线干扰伪影；B.Revolution CT宽体探测器Z轴16cm轴扫，体模，冠状位图像，锥形束伪影及散射线干扰伪影明显减少

在心脏成像上，Revolution CT可以做到任何心率、心律下，使用一次轴扫实现一站式心脏成像(在一个心动周期中，采集全期相数据，同时获得心脏影像解剖和心功能信息)。其优点在于：彻底消除错层伪影、提高心肌灌注评价的性、减少碘对比剂用量，甚至可以在自由呼吸的情况下完成心脏扫描。

西门子公司推出了第三代双源CT(SOMATOM Force CT)，它具备0.25秒/周的机架旋转速度、双球管、双探测器、66ms物理单扇区时间分辨率等特点，覆盖范围突破了探测器宽度的限制，达到了80cm。另外，秉承了第二代双源大螺距的特色，扫描速度达到73.7cm/s，实现了高清、低辐射、超快速CT成像，可以在任意心率或心律不齐的状态下进行心血管CTA成像(图1-5)，对于无法服药控制心率的患者，采用大螺距螺旋扫描或前瞻性心电门控技术轴扫；对于心律不齐或需进行心功能评估、心肌灌注成像的患者，采用回顾性心电门控技术联合螺旋扫描，在心血管成像方面也具有广阔的应用前景。

图1-5 高心率患者的冠状动脉CTA成像

A.心脏VR图像；B.冠状动脉树VR图像；C.冠状动脉树MIP图像；D.右冠状动脉CPR图像；E.左前降支CPR图像；F.左回旋支CPR图像；G.心电图显示患者心率为88～103次/分，图像采集时心率为98次/分，单个心动周期完成全心成像[该病例的对比剂(350mgI/ml)用量：45ml/s，注射速率：4.5ml/s，有效辐射剂量：0.59mSv]