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CT发展编年史（1971～2021）：从黑白到彩色的50年！

来源：花匠小妙招时间：2024-11-10 14:37

来源：CT Clinical Evidence

1826年，世界上第一张黑白照片，由尼埃普斯拍摄于法国，被命名为View from the Window at Le Gras.

1905年，第一张高质量彩色照片由谢尔盖·米哈伊洛维奇·普罗库丁·戈尔斯基拍摄于佐治亚州查克瓦，被命名为Women who collect tea posing for photo.

实际上这种彩色照片是基于Tube切换实现的，即通过红、绿、蓝滤镜在玻璃板底片上进行多次黑白拍摄。然后用光投射系统在幻灯片演讲中以彩色形式呈现这些图像。

过了将近100年的时间，基于Detector或Sensor的彩色成像技术才成为主流。CT成像的发展技术大概经历了相同的发展历程——从黑白到彩色，从Tube-based到detector-based。

目前最高端的CT也已经实现了彩色成像，如：

2021年最佳影像设备——Best New Radiology Device in 2021:

Spectral CT 7500 spectral CTscanner, Philips Healthcare

2021年5月19日全球发布，2021年10月27日荣获“最佳影像设备奖”，成为史上最快获得业界广泛认可的超高端影像设备。该设备拥有全新的光谱影像链，首次实现了彩色光谱成像日常化无限制应用于各种体型成人及儿童全身各部位。

AuntMinnes是国际最知名、最公正、最权威的医学影像设备和系统评比机构，其每年公布的排名具有极其重要的行业指导意义！Minnie奖是基于Auntminie.com会员的提名，获奖者由放射学名人小组和Auntminie.com编辑通过两轮投票选出。自1999年以来，Minnies一直是放射学领域的首要奖项，其类别从最具影响力的放射学研究人员到最佳新型影像设备。

荣获2021年“最佳影像设备奖”的飞利浦“新一代”光谱计数CT心脏彩色成像——心肌缺血灶的直观显示。

荣获2021年“最佳影像设备Minnie奖”的飞利浦“新一代”光谱计数CT，为史上最快获得业界广泛认可的超高端影像设备。该设备拥有全新的光谱影像链，首次实现了彩色光谱成像日常化无限制应用于各种体型成人及儿童全身各部位。

那么，为什么一个发布仅仅5个多月的新产品会荣获2021年的最佳影像设备奖呢？带着这份殊荣它又将引领什么样的CT时代呢？接下来让我们一起来回顾下CT的发展历程，以及过去的这50年CT是如何从黑白成像发展到彩色成像的。

头颅时代（1971~1973）

一个伟大的发明——CT

第一例头颅CT扫描的诞生1971年，Godfrey Hounsfield在车库基于自己设计的CT原型机，完成了动物实验（牛）和人体实验（他自己），并于1971年10月1日，在温布尔登的阿特金森·莫利医院（Atkinson Morley’s Hospital in Wimbledon）成功进行了第一例临床患者头部CT扫描。

第一篇CT论文发表1972年4月在英国放射学研究院年会上Godfrey Hounsfield宣读了关于CT的第一篇论文，宣告了CT机的诞生。

第一次国际性CT展会1972年10月芝加哥北美放射年会上展出了这张让整个医学界震惊的脑部图像（如下图所示）以及完成该图像的计算机辐射X线头部成像设备，向世界隆重展示了CT，引起了医学界的轰动。

1972年芝加哥的北美放射年会上展出的第一例头部CT图像，患者来自温布尔登的阿特金森·莫利医院，临床怀疑脑部肿瘤，位置不明确，通过CT扫描，明确为脑囊肿，且囊肿大小，位置“一目了然”。

1973年，Godfrey Hounsfield首次提高了利用多个能量点可以区分不同的物质成分。在他的论文中描述了通过100kV和140kV扫描获得的两组图像可以区分单能量下无法区分的钙（Z=20)和碘（Z=53)，成为后来双源双能量CT的雏形。

全身时代（1974~1989）

从头部CT到全身CT

从头部扫描到全身扫描1974年，美国George Town医学中心的工程师莱德雷（Robert Ledley）首次设计出了全身CT扫描机。1975年，美国凯斯西储大学的Ralph Alfidi教授也率先开展了腹部CT成像方面的研究工作（如下图所示），在他们的努力下，CT的检查范围扩大到胸、腹、脊柱及四肢，开创了全身扫描的CT断层时代,这一时代又分为第一代CT机和第二代CT机两个阶段。

第一代CT机第一代CT机采取旋转 /平移方式（rotate/translate mode)进行扫描和收集信息。由于采用笔形X线束和只有 1~ 2个探测器，所采数据少，所需时间长，图像质量差。

第二代CT机第二代CT机扫描方式跟上一代没有变化，只是将X线束改为扇形，探测器增至30个，扩大了扫描范围，增加了采集数据，图像质量有所提高，但仍不能避免因患者生理运动所引起的伪影 (Artifact）。

1975年，美国凯斯西储大学的Ralph Alfidi团队基于17cm孔径的EMI scanner，进行了体部不同器官的扫描，获得了不同的测量值（EMI values），为体部CT的临床应用奠定了基础。

1976年，Alvarez及Macovski双能理论模型诞生，并首次把线性衰减系数进一步分解为光电效应衰减+康普顿散射衰减，为后来能谱CT及光谱CT时代的技术发展奠定了坚实的理论基础。

容积时代（1989~1993）

从不连续扫描到连续扫描

螺旋扫描模式的诞生1989年，随着滑环技术的应用，一种不同于断层扫描模式的新的CT扫描技术——螺旋扫描模式（helical scan mode）诞生了。1990年，首篇螺旋CT的临床研究成果发表，开启了第一次容积扫描的革命，同时也带来了动态增强CT的大范围临床应用。CT技术也随之发展到了第三代，这是一次质的飞跃，也是CT发展史上一次重要的里程碑。

第三代CT机（后逐渐成为主流）第三代CT机的控测器激增至300~ 800个，并与相对的X线管只作旋转运动（rotate/rotate mode），收集更多的数据，扫描时间在 5s以内，伪影大为减少，图像质量明显提高。

第四、五代CT机（后逐渐被淘汰）第四、五代CT机严格意义上不是螺旋时代的产物，属于下一个CT时代。

1990年，首篇螺旋CT的临床研究成果发表，在持续曝光扫描的12s内，扫描床不再以步进的方式跟进，而是实现了持续不停地跟进。

快宽时代（1993~2015）

为了提高扫描速度，在第二代CT机（Figure 7）的基础上,开发了第三代和第四代CT机（Figure 8、Figure 9），其中第三代CT机后来逐渐成为主流。

从慢到快，从窄到宽

第四、五代CT机的探索心脏扫描问题使得CT逐渐演变发展出了四、五代CT机。第四代CT机控测器增加到1000~ 2400个，并环状排列而固定不动，只有X线管围绕患者旋转，即旋转/固定式 (rotate/stationary mode)，扫描速度快，图像质量高。第五代CT机将扫描时间缩短到50ms，解决了心脏扫描，是一个电子枪产生的电子束（electron beam）射向一个环形钨靶，环形排列的探测器收集信息。64层CT仅用0.33s即可获得病人的身体64层的图像，空间分辨率小于0.4mm，提高了图像质量，尤其是对搏动的心脏进行的成像。但是四、五代CT机并没有商业化。

第三代CT机成为主流在第三代CT机的基础上，CT技术在这一时代主要朝着更快和更宽两个方向发展。在快（提高时间分辨率）这一方面，1979年三源CT的概念被提出并获得专利（如下图所示），2006年双源CT的诞生，2009年飞利浦iCT诞生，基于领先的气垫轴承技术首次将CT的物理转速提高到0.27s。而在宽（提高覆盖范围）这一方面，从1992年第一台双排螺旋CT(Elscint Twin,首次实现了亚mm成像，CT从此真正实现了满足各向同性的三维成像）开始，探测器的宽度经过20多年快速的发展，最终发展到了16cm覆盖的宽体探测器CT 。

1979年，三源CT的概念被提出并获得专利，在第三代CT的基础上由同一个机架上三套独立的球管-探测器系统组成（Siemens patent by Franke ）。

双能时代（2006~2015）

从物理特征分析到化学特征分析

基于球管（Tube-Based)的双能量CT2006年，双源CT的诞生很好地解决了心脏扫描的问题，同时也重新开启了另一个CT发展方向——CT能量成像。利用两套球管-探测器系统分别在两个能量点成像后在图像数据域进行物质分解，从而实现了对不同物质成分的鉴别，从此CT实现了从单纯的物理特征分析到复杂的化学特征分析。这成为CT能谱时代的开端。后来，随着能谱CT的诞生又进一步实现了在投影数据域进行物质分解。

图像质量、工作流程、辐射剂量的限制这一时代主要的能谱成像技术有以下3种，均为基于球管进行能量成像的技术，无法实现“同源、同时、同向”这一能量成像的基本要求，也未能实现能谱成像的临床常规化，主要受限于图像质量和检查流程，以及辐射剂量（特别是KV切换系统）。

基于球管的双能量CT技术：分别为双源、快速管电压切换、滤片分离技术。

光谱时代（2016~2021）

从黑白单参数到彩色多参数

彩色光谱CT2016年，全球首台基于双层探测器的光谱CT诞生，通过空间上对等的上、下两层探测器分别接收高、低能量的X线光子，实现探测器端的能量解析和彩色光谱成像。

新一代光谱计数CT2021年，该技术进一步发展到100kVp光谱成像及80cm大孔径和新型球面宽体光谱探测器。其中该新型探测器进一步提高了探测器端计算解析X光能量的能力，精准区分高低能级。该技术主要带来三个方面的优势：

（1）低噪声：40~200keV的图像噪声恒低,目前是噪声最低的CT技术。

（2）低辐射剂量：基于全新的光谱影像链，首次实现了100kVp光谱成像，目前是辐射剂量和造影剂用量最低的CT能量成像技术。

（3）心脏彩色光谱成像：新型光谱探测器结合新的心脏成像平台，是目前心脏彩色光谱成像最佳的设备。

半导体光子计数CT2021年，另一个重要里程碑是另一项基于探测器的光谱CT技术——半导体光子计数CT开始走向临床，该技术主要带来三个方面的优势：

（1）低噪声：光子计数CT在一定程度上降低了电子噪声，所以理论上讲图像噪声也会很低，但是目前的光子计数CT仍然面临挑战，当光子数量超过109/s时会出现计数错误（如pile-up或charge sharing）的情况。实际上光子计数的图像噪声确实较以往的双能CT有所降低，但是并没有像双层探测器技术一样可以达到所有能级恒低的水平，能级下限40keV的噪声仍然会成倍增加。

（2）高空间分辨率：可能需要更高的辐射剂量来维持图像质量。

（3）分子影像学：理论上讲可进行多造影剂检查及分子影像的探索，但除了碘和钆都仅限于动物实验，因为其依赖于金纳米颗粒等分子类药物的临床化推广后才能应用起来，目前该类药物的临床化还有很长的路要走。

基于探测器的光谱CT技术：分别为双层光谱探测器技术和半导体光子计数CT技术。

2021年瑞士Zurich大学发表的半导体光子计数CT噪声表现：40keV的噪声最高，分别是90keV和常规CT图像（EID-CT和T3D）的两倍左右。

快速kV切换CT的图像噪声在40keV时增高363%（KVSCT）；双源双能CT的图像噪声在40keV时增高265%（DSCT）; 半导体光子计数CT的图像噪声在40keV时增高至约200%（PCCT）; 双层探测器光谱CT40~200keV的图像噪声恒低（DLCT）,目前仍然是噪声最低的CT技术。

自1971年CT诞生以来，经过50年的发展实现了从扫描速度慢、分辨率低的黑白成像逐渐发展到了扫描速度快和分辨率高的彩色成像。

总结：自1971年CT诞生以来，经过50年的发展实现了从扫描速度慢、分辨率低的黑白成像逐渐发展到了扫描速度快和分辨率高的彩色成像（如上图所示）。

未来CT发展的方向一定是能量成像；CT能量成像的未来也必然是基于探测器的；目前基于探测器进行能量成像的主要技术有两种（1）双层光谱探测器技术；（2）半导体光子计数探测器。在当前背景下，双层光谱探测器技术的实现方式在临床与科研的应用仍然是领先的，未来只有在分子影像学/分子药物可常规临床应用时，光子计数的技术才能体现价值，并且从目前刚刚走向临床的光子计数CT的一些研究成果不难发现，相比于已经成熟应用于临床的双层光谱探测器技术，光子计数CT的优势并不明显，甚至还存在一些不足。所以在这个崭新的光谱时代，最佳影像设备奖的殊荣给到全球首台宽体绿色光谱CT也是必然的。

参考文献

1.Sir Godfrey Hounsfield Engineer whoinvented computed tomography and won the Nobel prize for medicine. BMJ 2004;329:687

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