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提到“看透”，什么會開始浮現在腦海？是魔法嗎？是超能力嗎？  圖片來源：pixabay 小編滿腦子都是前幾天去拍的牙片…想到那兩顆安靜“躺著”的智齒，小編已經開始emo了… 這才是真正的“看透”好吧！本來相安無事，一張牙片就暴露了兩顆隱形炸彈一般的“睡眠智齒”。  憑借印象回憶一下，那些醫學成像手段能穩穩的透過現象肉肉看本質病病？  作為醫生的“必出裝備”，這四大天王是——  圖片來源：pixabay、網絡 讓我看看有誰還傻傻分不清楚四大天王姓甚名誰？ 圖像由從黑到白不同的灰度的影像組成，工作中通常用不同的密度對應黑與白的就是X射線(X-ray)圖像了，其中，圖像是X線途徑上所有組織的總和投影。  圖片來源：pixabay 顯示范圍較小的斷面圖是B超圖像，圖片明暗不同的灰度反映了回聲的強弱，具有實時顯示、易受氣體和脂肪的干擾，影響圖象的質量等特點。  圖片來源：pixabay 圖片分辨率較高、可以直接進行水成像和直接進行血管成像的是核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱NMRI)。NMRI圖像上的黑白灰反映的是弛豫時間，多參數、任一層面成像也是NMRI的獨特的圖像特點。  圖片來源：網絡 這位由一定數目由黑到白不同灰度的象素按矩陣排列所構成，以不同灰度來表示層狀圖像的就是我們今天的主角——CT 成像(Computed Tomography)。  圖片來源：pixabay 時至今日，CT成像技術已經走過50個年頭，這項技術可以讓醫生看到病人的內部解剖結構，揭示許多急慢性疾病的存在痕跡或者身體損傷的細節。在CT與臨床放射學的結合結束了醫生依靠探索性手術進行診斷的時代。 比如這場死亡率300 %的手術…  CT成像技術簡介 CT 成像(Computed Tomography)，顧名思義，用計算機做X射線斷層攝影術。 即根據人體不同組織對X射線的吸收與透過率的不同，應用靈敏度極高的X射線儀器對人體斷面進行透射測量，然后將測量所獲取的數據輸入電子計算機。 電子計算機對數據進行處理后，就可獲得人體被檢查部位的斷面或立體的圖像，發現體內被攝部位的細小病變。  圖片來源：pixabay CT成像是在無創且無任何不適的情況下對人體各部位進行檢查，顯示內部結構，也就是我們前面所說的“看透”。另外，相對于X射線成像，CT成像對軟組織的分辨能力更高，存儲也較為方便。 在CT成像數據采集過程中，X射線管產生一束相對均勻的x射線，入射光子數為S0。光束沿z軸平行，這樣只暴露出被掃描部位的橫截面。X射線被患者的身體所衰減，呈指數形式：  其中t是患者組織的厚度，μ是光束收到線性衰減系數的總和，反應被掃描部位對X射線的衰減能力。 探測器會將透射信號進行收集，這些CT測量值會被轉換為投影值（Projection Values）： 投影值P用于重建CT圖像的數據，該過程被稱為濾波反射投影（Filtered Back Projection）。P與μ呈正相關關系，這意味著圖像中的灰度值在依賴于μ而不是取決于入射強度S0。因此，CT圖像沒有曝光過少的問題。 而CT成像的不足之處則是在監測過程中會產生電離輻射、難以分辨密度變化小的病變部位、如果在監測過程中人體運動或者攜帶金屬會產生偽影。 CT機的組成 圖片來源：pixabay 一臺完整的CT機通常包含掃描系統、X射線發生系統、計算機及圖像重建系統、圖像顯示、記錄和存儲系統等組成部分。 其中X線發生系統包括高壓發生器、x射線管、冷卻系統及準直器等。主要用于產生一個穩定的、高度準直的x射線束，即扇形束。（補充TIP：X射線是由于原子中的電子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的粒子流，是波長介于紫外線和γ射線之間的電磁輻射。） 圖片來源：網絡 而CT機產生X射線的過程則是通過高壓發生器提供一個穩定的直流高壓，通常為100 – 140 kV，該直流高壓的大小直接影響X射線的能量值。在成像過程中，需要X射線能量保持穩定，準確的提供被掃描部位對X射線的吸收程度，因此，穩定的直流高壓至關重要。 X射線管是在高壓下運行的真空二極管，包括用于發射電子的燈絲，作為陰極和用于接受電子轟擊的靶材，作為陽極。陰極發射的電子經過加速撞擊靶材，撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X 光光譜的連續部分，被稱為韌致輻射。 X射線產生原理 | 圖片來源【1】 通過提升加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出，外層電子躍遷回內層填補空穴， 同時放出波長在0.1 nm左右的光子。 由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，對應于釋放的光子的能量，形成了X光譜中的特征線，被稱為特性輻射。 冷卻系統負責將X射線管在產生的熱量迅速散掉，保證X射線管的連續工作。 準直器會“雕琢”前述產生的X射線，使之呈束狀排列，具有調節掃描厚度的能力。 X射線束對被掃描部位的截面進行掃描，其強度和組織密度不同，導致透射的X射線產生相應的吸收和衰減。 探測器將會收集投影信號P，代表了一個物體在x射線源和探測器之間的路徑上的x射線衰減總量。為了重建CT圖像，對投影值進行數學過濾后，沿獲取方向進行反投影。反投影完成后，就會獲得被掃描部位的橫截面圖像。 CT成像技術進化史 為目前醫療提供巨大幫助的CT成像技術是如何成長起來，一步步“升級打怪”，走向“透視巔峰”的呢？ CT成像技術的可以說是一場引起轟動的跨界聯名—— 大約在1957年，塔夫斯大學的科馬克（Allan Macleod Cormac）發明了一種計算X線在人體內的輻射特性的方法，為CT的發明奠定了理論基礎。隨后，在1963年制造了CT原型機。 隨后，在20世紀60年代末，由雷達操作員轉行的電氣工程師戈弗雷·亨斯菲爾德(Godfrey Hounsfield)開發了第一臺X射線CT掃描儀。最早的第一代CT掃描機于1971年安裝在溫布爾頓（Winbledon）醫院，已有50年的歷程。 最早的CT機采用了將X射線管和一個X射線探測器相對安裝在一個剛性可移動的機架上，也就是患者的頭部被放置的位置。 早期的機械結構 | 圖片來源【2】 這種設計受到了機械結構質量的限制，測量速度很慢，一次完整的腦部掃描包含6張圖像，大約需要30分鐘，在這個過程中，需要患者保持靜止。 為了克服掃描速度慢的問題，加寬X射線束和采用彎曲的探測器結構等技術方案逐步被運用到了實踐當中。 彎曲的探測器結構 | 圖片來源【2】 X射線管被固定在與彎曲的探測器陣列相對的位置，一起圍繞患者頭部旋轉。這種安排大大縮短了掃描時間。 在1999年，探測器得到了進一步的發展，迭代為帶有16個1.25 mm探測器陣列的集成單元，這樣的擴展會加寬X射線束的寬度，從而增大立體角，進一步提高了掃描效率。 CT機的重要部件——X射線管也面臨著各種各樣的應用需求挑戰，最早的X射線管散熱速度很慢，同樣限制了CT技術的時間長度。為了滿足應用需求，具有熱容量大、散熱率高等優點的球管應運而生，為連續高速的掃描保駕護航。 球管 | 圖片來源：網絡 在對投影值P的處理中，引入了新的算法——迭代重建（IR）方法，可以獲得數據更為純凈（低噪聲）的圖像。美中不足的是，這種算法的重建時間較長，甚至會達到幾小時，未來需要更加高效的算法來提升CT成像技術的效率。 如今，CT成像技術被廣泛的運用于臨床醫學領域，用于提供心臟、肺部、腎臟等各個身體部位的截面圖像。 除了醫療領域外，CT成像技術已經被擴展到了更加廣闊的使用場景：CT技術可以在像素尺寸低于20 nm的情況下生成微小樣本的圖像，例如寶石和果蠅等；而對于大型系統，CT技術可以用于評估核彈頭、掃描火箭組件和渦輪葉片等航空部件的缺陷。 我們期待未來的CT技術能具有更加精細的分辨率、更快的掃描速度和對環境更強的適應能力，成為成像領域更為強大、便捷、高效的工具，為我們創造更大的價值。 參考文獻 [1] Roque R . X-ray imaging using 100 μm thick Gas Electron Multipliers operating in Kr-CO2 mixtures. 2018. [2] J. Boone, C. McCollough. Physics Today 74, 9, 34 (2021) [3] G. N. Hounsfield, Br. J. Radiol. 46, 1016 (1973). [4]李真林.臨床實用型CT發展趨勢[J].中國醫療設備,2020,35(06):178-179. [5]王鵬躍. 發展工業互聯網，CT準備好了嗎？[N]. 中國工業報,2020-03-25(004). [6]李旭峰.CT成像技術的發展與應用分析[J].世界最新醫學信息文摘,2018,18(79):33 39. [7]陳飛,秦偉,時飛躍,趙環宇,林強.CT在放射治療中的發展歷程[J].中國醫療設備,2013,28(12):7-9. 編輯：Norma |
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