CT是以X线束从多位方向沿着头部某一选定横断层层面进行扫描,探测透过的X线量,数字化后,经计算机计算而得出该选定层面组织各个单位容积的吸收系数,然后重建图像。
CT装置由扫描装置、计算机、图像显示与储存和操作台几部分组成。
扫描装置是由能发射X线进行扫描的X线管和接受透过扫描层面X线的探测器所组成。X线管用旋转阳极X线管,而探测器则用高压氙气电离室或用锗酸铋(bismuth germanate,Bi4Ge3OL2,BGO)晶体和光电倍增管组成。探测器的数目与排列依扫描方式而不同。
计算机应具有储存与检索大量数据和高速运算的功能。为储存图像的数据,还须辅助储存装置,现常配用磁盘或激光盘。
显示装置用阴极射线管,多用黑白电视屏,灰阶表现能力多为16个梯度。显示于电视屏幕上的CT图像可用多组光学摄影机摄影,记录在胶片上。
X线管对准具有一定厚度。例如10mm的选定层面,在旋转同时发射X线进行扫描,与X线管相对的探测器接受透过层面的X线信息。这些信息经模拟/数字转换器(analog/digital conuerter)转换成数字储存于磁盘中。由计算机运算而获得该层面每一个单位容积,称之为体素(uoxel)的吸收系数,并排列成矩阵,即数字矩阵(digital matrix),储存于磁盘中。
数字矩阵实际是一组数字化图像,须经数字/模拟转换器将每一个吸收系数转换成一个模拟灰度的单位面积,称之为像素(pixel),而于电视屏幕上由这些像素组成该层面的CT图像。
螺旋CT扫描原理:传统的CT扫描装置,是以供电电缆向X线管球等部件实施供电的,因此,每一层面扫描时,总是需要背着电缆周而复始地进行运动,并需要急加速、急减速和停止,每两层扫描之间须耽搁5~10s。滑环CT设备在连续转动的CT心脏部,采用了高度可靠的滑环结构。扫描时CT的心脏部只圆滑地向一个方向平稳转动,可以实施稳定的快速扫描。螺旋CT扫描时,X线管球及探测器连续360°旋转并产生X线束,与此同时,检查床也在纵轴方向连续匀速转动,短时间内对体轴方向进行大范围的扫描,也可以说是大容量扫描,获得容积扫描数据,每360°的床移为一典型层厚,被扫描区域X线束所运行的轨迹呈螺旋状。
(一)CT值与CT图像
1.CT图像 CT图像是由一定数目的由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列而成。这些像素是以不同灰度反映相应体素的吸收系数。显然,像素越小,数目越多,则组成的图像越细致。像素的大小与数目因CT装置不同而异。常用的是256×256或512×512个,螺旋CT可达1 024×1 024。
2.CT值 如前所述,CT图像是由像素所组成,而像素反映体素的吸收系数,因此,可用吸收系数来说明不同组织密度的高低。在实际工作中并不用吸收系数这一绝对值,而是用相对值,即CT值来表示(表5-1)。CT值用Hounsfleld单位(Hu),水的CT值为0Hu,人体中密度最高的骨为+1 000Hu,最低的空气为-1 000Hu。
表5-1 正常人体组织的CT值(Hu)
3.窗宽与窗位 窗宽(window width)与窗位(window leuel)是图像观察技术。通过调节窗宽和窗位可获得欲观察组织的最佳灰度,使之显示最为清楚。窗宽是指图像由白至黑16个灰阶所包括的CT值范围。窗位则为窗宽中心,亦即灰阶中心的CT值(表5-2)。加大窗宽,图像层次增多,但各组织间的对比降低;而减小窗宽,层次减少,但不同组织间的对比增加。
表5-2 耳鼻咽喉常用窗宽、窗位调节范围
4.部分容积效应 CT图像上,组织密度可用CT值说明,如果在该层面内某一组织,其厚度小于该层面的厚度,则所测的CT值不能真实反映该组织的CT值。这就是部分容积效应(partial volume effect)。如果该组织的密度高于该层面组织,则所测CT值小于实际CT值。相反,如果密度低于该层面组织,则所测CT值大于实际CT值。因此,评价小于层面厚度组织的CT值时,要注意部分容积效应的影响。
(二)图像后处理技术
近年来由于CT设备的更新,计算机软件技术的不断开发利用和快速运算处理技术的进步,CT扫描图像的后处理上也取得很大的进步。螺旋CT的原始容积资料输入工作站后,可内插重建任意数量的重叠图像,然后按临床需要进行多种模式的图像重建。较为成熟和常用的重建技术有:多层面重建术(multiplanar reconstruction,MPR),其中包括曲面重建术(curved multiplanar reformation,CMPR);多层面容积重建术(multi planar-volume reconstruction,MPVR)包括最大密度重建(maximum intensity projection,MIP)、最小密度重建(minimum intensity projection,MinP)和平均密度重建(average intensity projection,AIP);表面遮盖法重建技术(surface shaded display,SSD);仿真内镜重建技术(virtual endoscopy,VE),又称腔内三维表面重建术(internal 3Dshaded surface reconstruction):容积重建术(volume rendering)。MPVR(MIP、MinF、AIP)、SSD和VE均为三维重建技术,MPR属二维重建技术。
1.多层面重建技术(CMPR)及曲面重建技术 在横断面图像上按要求任意划线,然后沿该划线将横断面上二维体积元厚层面重组,即可获得该平面的二维重建图像,主要包括冠状面、矢状面和任意角度斜位图像。由于为容积扫描并经小间隔重建处理,所得到的多层面图像绝非常规CT扫描重建图像可以比拟,而堪与MRI的冠状面、矢状面等图像相媲美,并克服了单纯横断面图像的不足,对病灶的定位和空间关系的判断有重要意义。主要用于了解解剖关系复杂的区域,在本科已用于面神经管、额鼻峡的解剖研究(图5-1)。
2.多层面容积重建技术(MPVR) 从不同角度或沿某一平面将原始容积资料中选取的三维层块,采用平均、最大或最小密度投影法进行运算而得到的图像称为MPVR。其观察或显示角度可任意预定,将三维解剖以二维图像从不同角度反映出来(图5-2,图5-3)。
(1)最大密度投影(MIP):最大密度投影是将径线所通过的容积组织或物体中每个像素的最大强度值进行投影,该技术普遍应用于CTA和MRA。就CT而言,最大强度代表CT的最大密度(CT值),故一般称为MIP。MIP是取每个像素的最大CT值进行投影,反映组织的密度差异,故反衬度很高。临床上广泛应用于具有相对高密度的组织和结构,如显影的血管、骨骼以及明显强化的软组织占位病灶等。对于密度差异甚小的组织结构以及病灶则难以显示。
图5-1 为同一患者重建的鼻冠状位和矢状位CT图像
图5-2 “额鼻峡”曲面重建
图5-3 脑血管CTA(最大密度投影)
(2)最小密度投影(MinP):它是在某一平面方向上对所选取的三维组织层块中的最小密度进行投影,主要用于气道的显示,偶尔也用于肝脏增强后肝内扩张胆管的显示。
3.表面遮盖法再现技术(SSD) 按表面数学模式进行计算处理。将超过预设的CT阈值的相邻像素连接重组成图,图像表面有明暗之区别,该技术广泛应用于骨骼系统,如颅面部、骨盆脊椎等解剖结构复杂的部位。空间立体感强,解剖关系清晰,有利于病灶的定位。应用较多的如鼻骨骨折、颅底骨折、茎突过长、听小骨重建等。
4.仿真内镜显示技术 仿真内镜显示技术为近年来开发的软件重建技术,依靠导航方法可以显示管腔内改变,故称为仿真内镜技术(VE)。应用得较多的脏器为结肠、支气管、鼻窦以及血管等。
5.容积再现(VR)技术 容积再现(VR)技术可获得真实的三维显示图像,它将每个层面容积资料中的所有体积元加以利用,VR重建要求工作站中的计算机有足够大的容量,方能处理所有的容积资料,通过功能转换软件,调整三维图像中插入的体积元数量、明亮度和灰阶度,根据要求可任意显示高密度的血管。该技术已广泛用于术前评估颅底、颈部肿物和血管的关系(图5-4、图5-5)。
图5-4 颅底VR像
图5-5 颈部血管VR像
(三)CT扫描方法
1.平扫 耳鼻咽喉CT扫描多用轴位,扫描范围及扫描基线依扫描部位而不同。常用扫描基线①听眦线:从外眼眦到耳屏上;②听眶上线:从眶上嵴到耳屏上缘;③听眶下线:从眶下嵴到耳屏下缘;④听鼻线:从鼻翼根部到外耳孔。有时加冠状位,冠状位扫描患者取仰卧位或俯卧位,头过伸,使听眦线与床的长轴平行,瞳间线与头矢状面垂直。各部位扫描基线及方法详见各章节。
2.增强扫描 经静脉给予水溶性碘造影剂使病变组织X线吸收率增加,加大了正常与病变组织间灰阶的差别,从而提高了病变的显示率。
常用造影剂:①离子型造影剂,如60%~76%的泛影葡胺或碘肽葡胺;②非离子型造影剂,如碘酒醇(欧乃派克)、碘帕壁(碘必乐)、优维先、伊所显等。
给药方法:①一次性注射或集团注射法,即将某一剂量的高浓度造影剂加压快速注入静脉,给药后立即进行扫描;②静滴法,以20~30ml/min的速度注入300mg/ml 100ml后扫描;③蛛网膜下隙给药,腰穿注入水溶性造影剂做椎管或脑室造影。
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