藏在你身体里的“幻影”，竟然能用它看清……
提到“看透”，什么会开始浮现在脑海？是魔法吗？是超能力吗？
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小编满脑子都是前几天去拍的牙片…想到那两颗安静“躺着”的智齿，小编已经开始emo了…
这才是真正的“看透”好吧！本来相安无事，一张牙片就暴露了两颗隐形炸弹一般的“睡眠智齿”。
凭借印象回忆一下，那些医学成像手段能稳稳的透过现象肉肉看本质病病？
作为医生的“必出装备”，这四大天王是——
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让我看看有谁还傻傻分不清楚四大天王姓甚名谁？
图像由从黑到白不同的灰度的影像组成，工作中通常用不同的密度对应黑与白的就是X射线(X-ray)图像了，其中，图像是X线途径上所有组织的总和投影。
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显示范围较小的断面图是B超图像，图片明暗不同的灰度反映了回声的强弱，具有实时显示、易受气体和脂肪的干扰，影响图象的质量等特点。
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图片分辨率较高、可以直接进行水成像和直接进行血管成像的是核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI)。NMRI图像上的黑白灰反映的是弛豫时间，多参数、任一层面成像也是NMRI的独特的图像特点。
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这位由一定数目由黑到白不同灰度的象素按矩阵排列所构成，以不同灰度来表示层状图像的就是我们今天的主角——CT 成像(Computed Tomography)。
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时至今日，CT成像技术已经走过50个年头，这项技术可以让医生看到病人的内部解剖结构，揭示许多急慢性疾病的存在痕迹或者身体损伤的细节。在CT与临床放射学的结合结束了医生依靠探索性手术进行诊断的时代。
比如这场死亡率300 %的手术…
CT成像技术简介
CT 成像(Computed Tomography)，顾名思义，用计算机做X射线断层摄影术。
即根据人体不同组织对X射线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的X射线仪器对人体断面进行透射测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机。
电子计算机对数据进行处理后，就可获得人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内被摄部位的细小病变。
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CT成像是在无创且无任何不适的情况下对人体各部位进行检查，显示内部结构，也就是我们前面所说的“看透”。另外，相对于X射线成像，CT成像对软组织的分辨能力更高，存储也较为方便。
在CT成像数据采集过程中，X射线管产生一束相对均匀的x射线，入射光子数为S0。光束沿z轴平行，这样只暴露出被扫描部位的横截面。X射线被患者的身体所衰减，呈指数形式：
其中t是患者组织的厚度，μ是光束收到线性衰减系数的总和，反应被扫描部位对X射线的衰减能力。
探测器会将透射信号进行收集，这些CT测量值会被转换为投影值（Projection Values）：
投影值P用于重建CT图像的数据，该过程被称为滤波反射投影（Filtered Back Projection）。P与μ呈正相关关系，这意味着图像中的灰度值在依赖于μ而不是取决于入射强度S0。因此，CT图像没有曝光过少的问题。
而CT成像的不足之处则是在监测过程中会产生电离辐射、难以分辨密度变化小的病变部位、如果在监测过程中人体运动或者携带金属会产生伪影。
CT机的组成
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一台完整的CT机通常包含扫描系统、X射线发生系统、计算机及图像重建系统、图像显示、记录和存储系统等组成部分。
其中X线发生系统包括高压发生器、x射线管、冷却系统及准直器等。主要用于产生一个稳定的、高度准直的x射线束，即扇形束。（补充TIP：X射线是由于原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射。）
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而CT机产生X射线的过程则是通过高压发生器提供一个稳定的直流高压，通常为100 – 140 kV，该直流高压的大小直接影响X射线的能量值。在成像过程中，需要X射线能量保持稳定，准确的提供被扫描部位对X射线的吸收程度，因此，稳定的直流高压至关重要。
X射线管是在高压下运行的真空二极管，包括用于发射电子的灯丝，作为阴极和用于接受电子轰击的靶材，作为阳极。阴极发射的电子经过加速撞击靶材，撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X 光光谱的连续部分，被称为韧致辐射。
X射线产生原理 | 图片来源【1】
通过提升加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出，外层电子跃迁回内层填补空穴， 同时放出波长在0.1 nm左右的光子。
由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，对应于释放的光子的能量，形成了X光谱中的特征线，被称为特性辐射。
冷却系统负责将X射线管在产生的热量迅速散掉，保证X射线管的连续工作。
准直器会“雕琢”前述产生的X射线，使之呈束状排列，具有调节扫描厚度的能力。
X射线束对被扫描部位的截面进行扫描，其强度和组织密度不同，导致透射的X射线产生相应的吸收和衰减。
探测器将会收集投影信号P，代表了一个物体在x射线源和探测器之间的路径上的x射线衰减总量。为了重建CT图像，对投影值进行数学过滤后，沿获取方向进行反投影。反投影完成后，就会获得被扫描部位的横截面图像。
CT成像技术进化史
为目前医疗提供巨大帮助的CT成像技术是如何成长起来，一步步“升级打怪”，走向“透视巅峰”的呢？
CT成像技术的可以说是一场引起轰动的跨界联名——
大约在1957年，塔夫斯大学的科马克（Allan Macleod Cormac）发明了一种计算X线在人体内的辐射特性的方法，为CT的发明奠定了理论基础。随后，在1963年制造了CT原型机。
随后，在20世纪60年代末，由雷达操作员转行的电气工程师戈弗雷·亨斯菲尔德(Godfrey Hounsfield)开发了第一台X射线CT扫描仪。最早的第一代CT扫描机于1971年安装在温布尔顿（Winbledon）医院，已有50年的历程。
最早的CT机采用了将X射线管和一个X射线探测器相对安装在一个刚性可移动的机架上，也就是患者的头部被放置的位置。
早期的机械结构 | 图片来源【2】
这种设计受到了机械结构质量的限制，测量速度很慢，一次完整的脑部扫描包含6张图像，大约需要30分钟，在这个过程中，需要患者保持静止。
为了克服扫描速度慢的问题，加宽X射线束和采用弯曲的探测器结构等技术方案逐步被运用到了实践当中。
弯曲的探测器结构 | 图片来源【2】
X射线管被固定在与弯曲的探测器阵列相对的位置，一起围绕患者头部旋转。这种安排大大缩短了扫描时间。
在1999年，探测器得到了进一步的发展，迭代为带有16个1.25 mm探测器阵列的集成单元，这样的扩展会加宽X射线束的宽度，从而增大立体角，进一步提高了扫描效率。
CT机的重要部件——X射线管也面临着各种各样的应用需求挑战，最早的X射线管散热速度很慢，同样限制了CT技术的时间长度。为了满足应用需求，具有热容量大、散热率高等优点的球管应运而生，为连续高速的扫描保驾护航。
球管 | 图片来源：网络
在对投影值P的处理中，引入了新的算法——迭代重建（IR）方法，可以获得数据更为纯净（低噪声）的图像。美中不足的是，这种算法的重建时间较长，甚至会达到几小时，未来需要更加高效的算法来提升CT成像技术的效率。
如今，CT成像技术被广泛的运用于临床医学领域，用于提供心脏、肺部、肾脏等各个身体部位的截面图像。
除了医疗领域外，CT成像技术已经被扩展到了更加广阔的使用场景：CT技术可以在像素尺寸低于20 nm的情况下生成微小样本的图像，例如宝石和果蝇等；而对于大型系统，CT技术可以用于评估核弹头、扫描火箭组件和涡轮叶片等航空部件的缺陷。
我们期待未来的CT技术能具有更加精细的分辨率、更快的扫描速度和对环境更强的适应能力，成为成像领域更为强大、便捷、高效的工具，为我们创造更大的价值。
参考文献
[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)
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编辑：Norma
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