2022年放射学诊断史上的里程碑电子计算机X射线断层成像.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 放射诊断学史上新的里程碑电子运算机 X射线断层成像 〔CT〕 摘要：本文通过对电子运算机 X 射线断层成像 〔CT〕 技术的创造过程的描述,呈现了科学创造在交叉学科取得重大成就的典型范例,对我们的科研将产生有益的启示；关键词：像素重建图像数- 模转换器电子运算机X 射线断层成像1895 年年底,德国物理学家伦琴在做阴极射线管试验时发觉了X 射线；几天以后,伦琴的夫人偶然看到了手的 X 射线造影,从今就开创了用 X 射线进行医学诊断的历史；传统的 X 射线装置尽管在外形学诊断方面起了划时代的作用,但有其明显的缺点； 1914 年,有人曾设想出采纳 X 射线管与胶片作同步反向运动的方法得到断层照片； 1917 年奥地利的雷唐在数学上给出证明：从物体投影的无限集合中可以重建出物体的图像； 44 年后,美国理论物理学家科马克为将图像重建原理应用于医学解决了技术上的理论问题； 1967 年,英国电气工程师豪恩斯菲尔德依据科马克的设想,胜利地设计创造了 CT 的基本组成部分,并于 1971 年将第一台 CT 安装于英国阿特金森—莫利医院； 1972 年 4 月豪恩斯菲尔德和神经放射学家阿姆勃劳斯在英国放射学会年会上公布了临床试验的第一例脑肿瘤照片,从而宣告了CT 的产生； 1979 年的诺贝尔奖基金会打破惯例,将该年度的生理学或医学奖授予豪恩斯菲尔德和科马克这两位没有任何专业医学经受的科学家；1 传统的 X射线摄片原理及其缺陷X 射线的发觉,使人们立刻意识到它的医学价值,并很快用于医学临床方面的透视、摄片和造影；传统的X 射线摄片,是将病人受检查部位置于X 射线管球与胶片之间固定不动；当X 射线穿过人体时,由于人体的密度高低不同,吸取射线的多少也不同,从而造成感光胶片出现颜色的黑白程度不同；依此来对病变组织状况作出判定；（如图 1）设强度为I；的 X 射线,穿过厚度为d 的物体后,由于物体对X 射线的吸取或衰减作用,X 射线强度变为I,其衰减符合以下公式：（ 1）II0ed其中 μ 为吸取系数或衰减系数；可见其强度变化打算于μ d 乘积,即从I 的变化不能同时定出μ 和 d 的大小,只能定出两者的乘积来而无法明白病变组织的厚度和质地；由于传统的 X 射线摄片的影像是身体各层组织前后重叠的复合影像,被遮挡、重叠的病灶有时显示不清,从而人们又创造了断层摄影装置；断层摄影装置可选定身体某一层面的组织结构作为显示对象,进行多方位摄影,使该层面显示清楚,而使前后与之重叠的组织阴影模糊（如图 2）；图中 X 射线管球与 X 射线胶片在曝射时呈相反方向移动, A 点为选定层面中的一点,在曝射过程中固定在 A ＇,而 B 点（选定层面上方的一点）就在胶片上移动而影像模糊（ B＇）；把欲观看的身体层面高度作为轴心,在摄片时 X 射线管球与胶片呈相反方向移动,就选定层面的某一点 A 在移动过程始终固定在一点上；而上下层面的各点（如 B 点）,就因在曝射过程中不断移动而成模糊阴影；但不管是一般 X 射线摄片仍是断层摄影,都是将人体的立体形象（即三维景物）显示在二维的胶片或荧光屏上,不同深度方向上的信息重叠在一起,引起混淆；而且传统的 器,如充气的肺,而对肝、胰等软组织内的差异就无法辨别；仍存在着X 射线摄影装置只能区分密度差别大的脏 X 射线所用的剂量较大等问题；为了克服影像重叠的缺点,人们力求查找更新的思路, CT 就是在这样的背景下产生的；2 CT 的产生名师归纳总结 1 / 4 第 1 页,共 4 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 早在 1917 年奥地利数学家雷唐就曾从数学上奠定了 被重视,直至 20 世纪 70 岁月初才重见天日；CT 的基本原理,惋惜他的论文发表后的多年里始终没美国理论物理学家科马克（A ． M ． Cormark ）曾于1955 年受聘到南非开普敦市一家医院照管放射科工作；由于依据南非的法律,医生在应用放射性同位素和其他物理治疗时,必需有物理学家在场监督；科马克当时在开普敦高校物理系任讲师,虽然他当时教的是理论物理学,但他很快对癌的放射治疗和诊断产生了爱好；他发觉当时的医生在运算放射剂量时,是把非均质的人体当作均质看待的；这是不能确定适当的放射剂量的；他认为要改进放射治疗的程序设计,应把人体构造和组成特点用一系列前后相继的切面图像表现出来；他运用多种材料、多种外形的物体直至人体模型作试验,同时进行理论运算；在雷唐成就的基础上经过近 10 年的努力,他最终解决了运算机断层扫描技术的理论问题,于 1963 年第一建议用 X 射线扫描进行图像重建,并提出了精确的数学推算方法；CT 英文意思是 X-ray Computed Tomography,中文全称是“ X 射钱电子运算机扫描术” ； CT 的基本原理是：取一高度准直的、极细的笔状 X 射线束,围绕人体某一部分作断面扫描,未被吸取的光子穿透人体后被检测器接收,作为模拟信号输入,经过数学处理和运算后重建图像；由前面 〔1〕式可知,当 X 射线穿过物体后将发生衰减,衰减符合以下公式： I I 0 e d , 其中 μ 为吸取系数或衰减系数；人体组织的 μ 是不匀称的,但假如将人体匀称分解成很多足够小的方块,每个小块组织（称为体素）的 μ 可以看作是匀称的；假如能测定每个体素的吸取系数,就可重建出人体某一断面的 X 射线吸取系数分布图,即 CT 图像；图像上对应体素的小单元,称为像素；CT 设备是以测定人体组织对 X 射线的吸取系数为基础的,目的是将待测组织中各断层上各小单元的吸取系数全部求出,并用图像表达出来；图 〔3〕中,给出了一个沿 Z 方向切出来的待测体的断层面（设在 O-xy 平面2上）,此断层面的厚度为△ t；在这面上再按面积 t 划分成很多小方块,每个小名师归纳总结 第 2 页,共 4 页- - - - - - - 2 / 4 精选学习资料 - - - - - - - - - 方块作为一个单元,就设每个单元的吸取系数μi正是待求量；现假定在x 方向和 y 方向上都被分成了100 等分,即一共分成了100× 100 个单元（称为像素）,就有104个未知量 μ i 要测量；现让一窄束X 射线穿过待测体（见图4）,测量被物体吸收后的强度I,可得到如下方程：II0exp〔it〕 〔2〕 i其中 ni 1 2 3 n 1ln I 0 〔3〕 i 1 t I按以上假定, n=100,即（ 3）式中包含了 100个未知量；为了得到断面上全部 μ i值,必需将 X 射线源（连同探测器）沿着与 X 射线束垂直的 y 方向逐步平行移动,逐次测量,每次移动步长为△ t,一次扫描可得 100 个方程；这样仍远远不够,仍必需将 X 射线源和探测器系统绕圆心转动,每转过一个角度,类似上面,再沿着与X 射线束垂直的方向移动,逐次测量,步长仍为△ t,就一次扫描又可得 100 个方程；依据要求要转动 99 次,最终可得 100× 100 个代数方程；通过运算机可解出全部 10 4 个像素的 μ i值；利用运算机屏幕上的不同颜色或不同灰度（对单显屏幕）来表示 μ i大小,于是就可看到一幅待测体的“ 切片” 图像；利用病变组织与正常组织有不同的 μ 值,即可以将病变部分显示出来；这就是 CT 技术的基本原理；在完成一次断层扫描后,可在 z 方向再前进△ t 距离,换到另一个新的断层面,再重复以上的测量,获得新断层面的图像；依次在 z 方向不断前进,最终可获得待测体的全部 μ i（x, y,z）数据；经运算机作图像处理后,就可获得沿任何方向的切片图像,并可显示三维立体图像；与科马克不同,英国电气工程师豪斯菲尔德〔G．Hounsfield〕 始终从事工程技术的讨论工作,受聘于电器乐器工业有限公司后,又转向从事电子运算机的设计工作；科马克的讨论成果给了他很大的启发和信心；在科马克等人讨论的基础上,豪斯菲尔德挑选了 CT 机作为讨论的课题,开头了多年的艰苦攻关； CT 图像重建的数学处理方法（模—数转换、对比度增强和数—模转换）与其娴熟的运算机技术结合起来,最终在 1969 年首次设计胜利了一种可用于临床的断层摄影装置（见图 5 为电子运算机 X 射线断层成像装置示意图）,并于 1971 年 9 月正式安装在伦敦的阿特金森—莫利医院里；1972 年他与神经放射学家阿姆勃劳斯合作,首次胜利地为一名英国妇女诊断出脑部的肿瘤,获得了第一例脑肿瘤的照片；同年,他们在英国放射学会上发表了第一篇CT 论文,这篇论文受到了医学界的高度重视,被誉为继 X 射线以后放射诊断学史上又一个里程碑,从今,放射诊断学进入了一个崭新的时代；3 CT 的前景和胜利的启示CT 的创造,被称为影像诊断学史上具有划时代意义的一件大事,自从1972 年完成首例胜利的诊断后,现己进展成为全世界正规医院必备的诊断仪器,它能区分出吸取系数相差千分之五的差别,也就是说稍微的病变也能反映出来,比 X 光透视辨论率要高出一个数量级以上；豪斯菲尔德最初研制的 CT 扫描仪只能用于人脑的检查,时间约需 1 分钟至 4 分钟；此后 20 多年来, CT 装置很快得到推广,并获得了极大的进展；从第一台 CT机问世至今, CT 已从第 1 代进展至第 5 代,其各项性能和速度都有了很大提高；扫描时间从 4 分钟到 5 分钟缩名师归纳总结 第 3 页,共 4 页- - - - - - - 3 / 4 精选学习资料 - - - - - - - - - 短到 1 秒钟甚至更短,最新式的 CT 机扫描速度可达每秒双层（横断面图像）,可以跟上血液在器官和组织中的流淌,对心脏作动态检查； 1974 年莱德利设计胜利全身 CT 装置,进一步扩大了 CT 的检查范畴,取得了更大的效益；不仅如此, CT 作为一种技术,既有坚实的数学理论为依靠,又有现代微电子与运算技术相支撑,己在工业生产,地球物理讨论,农业、林业和环境爱护方面都已取得了令人瞩目的成果,并呈现了美好的前景；CT 是医学诊断史上把电子运算机、X 射线和医学诊断最胜利地结合的典范,作为理论物理学家的科马克具有能够从事实中把握问题关键的直觉,他用美丽的物理模型和精深的数学技巧对传统的诊断模式进行完全的理 论改造,而作为电气工程师的豪斯菲尔德却用自己富有创建的技术构思和创造家的精湛才能,使科马克的理论 设想完善无缺地在技术上得以再現；他们的胜利,为科学创造在交叉学科取得重大成就树立了最光辉的范例；参考书目：〔1〕 J．K．T．Lee, S．S． Sagel &R．J．Stanley, Computed Body Tomography With MRI Correlation ,2nd ed, R。