计算机断层扫描（computed tomography，CT）是在计算机的辅助下利用X线通过物体后的吸收数据对物体的断面进行还原的影像设备。从1971年的第1代CT至今已经走过了40多年。在这40多年中，CT经历了从气体探测器到固体探测器，从单纯轴位扫描到螺旋扫描，从单排探测器到多排探测器的不断发展。临床应用从早期的头部到体部，直到现在的高分辨率心脏成像，从单纯地显示解剖结构到可以提供功能信息，乃至能量信息。40多年的历程，CT实现了快速的、革命性的发展。
第1代CT使用了笔形束和单一探测器。在每个探测角度，X线源和探测器通过沿直线平移来获得单个平面数据，完成每个平面测量后X线源和探测器一起旋转1°到达下一个角位置，开始下一套数据测量。这种系统的几何效率较差。第2代CT在此基础上将探测器的数量增加了6倍以上，缩短了数据采集时间。而第3代和第4代CT使用了大面积探测器，使得X线源和探测器之间的扇形能一次覆盖患者的横切面，这样就无需再通过X线源和探测器组合平移进行数据的采集，大大提高了数据采集的速度（图1-1～图1-4）。第3代和第4代CT的主要区别是在探测器的运动上。第3代CT的X线源和探测器被分别装在以患者为中心的系统的两个相对端，X线源和探测器围绕患者一起旋转，从而保证X线源和探测器在任何瞬间都保持相对静止。最新的第4代CT则采用静止探测器、旋转球管的方法，对其形成的扇形覆盖区进行数据采集。目前最常用的是第3代CT。
图1-1 第1代CT扫描仪
图1-2 第2代CT扫描仪
早期的第3代CT，X线源的电源及探测器的信号都是经过电缆传输的，这就决定了早期CT不能进行连续扫描，而只能进行轴位扫描。这种扫描模式在只有单排探测器的情况下显然很费时，特别是需要大范围显像时。近代的机型使用了滑环传输技术来传输电源和数据，使得机架转速得以提高，同时也使螺旋CT的扫描模式成为可能。1986年首次提出螺旋扫描模式概念，1989年应用于临床。螺旋CT使传统的单排CT扫描能力大为提高，能在一次屏气内完成较大范围的扫描，从而CT从切片成像模式进入了器官成像模式时代。虽然螺旋CT可以覆盖更大的扫描范围，但是单层探测器切片厚度制约了CT的空间分辨率和时间分辨率，如在胸腹大动脉研究中，感兴趣区包括整个胸部和腹部，需要覆盖45～60 cm，这就需要在血管内造影剂浓度相对稳定的阶段快速获取容积图像，即在20～40 s完成全部扫描，同时还可以减少呼吸伪影。如果期望层厚是2.5 mm，机器转速是0.5 s，螺距是1.0∶1，使用单排探测器则需要120 s才能完成覆盖长度为60 cm的扫描。另外，随着心脏病学的迅速发展，临床医师对冠状动脉成像提出了更高的要求。这些使得单排探测器中层厚和覆盖率的矛盾更加突出，也大大促进了CT由单排向多排发展的速度（图1-5）。1998年四排螺旋CT问世。多排CT的出现使得大器官显像和大范围的血管成像成为可能，特别是亚毫秒扫描速度的实现使得人们有可能对心脏精细结构进行显像和研究。16排CT的推出首次实现了亚毫米各向同性的分辨率，使CT在心脏显像中初步应用，并得到了长足发展。随着64排CT的开发，冠状动脉高质量成像可一次完成，并使大器官灌注成像成为可能，并在临床应用中广泛推广。
心脏CT成像是对CT设备性能的综合性考验。心脏血管结构细微，并以极快的频率搏动，这些特性对CT设备提出了巨大的挑战，它不仅需要设备具有极好空间及密度分辨率，而且还必须具备很高的时间分辨率。
图1-3 第3代CT扫描仪
图1-4 第4代CT扫描仪
CT图像时间分辨率是由机架的转速和图像重建算法来决定的。机架的转速越快则可获得的时间分辨率越高，但机架的转速在很大程度上受到设备硬件结构的限制，双球管的设计能提高机架的有效转速，从而使时间分辨率加倍。另一方面，心脏成像的时间分辨率还直接受心脏扫描重建方法的影响。心脏扫描重建方法主要可分为单扇区和多扇区重建法。单扇区重建法是利用回顾性心电门控获得的多排CT螺旋扫描原始投影数据，并用半重建技术进行图像重建；多扇区重建法是利用心电门控的同期信息，采集心率周期不同时段以及不同列探测器的数据，获得同一时相不同角度的原始数据来进行图像重建。常规的单扇区心脏重建法获得的时间分辨率是X线管旋转速度的1/2，多扇区重建法可以进一步提高图像的极限时间分辨率。如在0.4 s机架的转速下使用单扇区重建法可获得200 ms图像时间分辨率，而使用4扇区重建可以得到50 ms图像极限时间分辨率。最近，科学家还在研究利用迭代重建以及血管运动跟踪和冻结等方法去除心脏运动伪影，减少高心率对心脏扫描的影响。
CT图像的空间分辨率和密度分辨率同时间分辨率一样，可以影响CT冠状动脉成像的图像质量。CT冠状动脉成像需要对细小的心脏冠脉和带有支架的冠脉进行三维重建和重现，并需要对冠状动脉内的斑块进行显示。这些均需要CT具有较高的密度分辨率和各向同性的空间分辨率。良好的空间分辨率保证我们能对细小的冠脉进行成像，对冠脉的狭窄进行准确的测量，消除钙化对冠脉狭窄测量的影响，对冠脉支架和支架内再狭窄进行评估。而良好的密度分辨率可以提高那些与周围物质密度相近的斑块或病灶的显示率，提高诊断的灵敏度。
64排CT在心脏成像上的日趋成熟标志着CT进入了一个很高的平台期。人们开始谈论后64排时代。后64排时代CT设备发展的一部分精力仍然要放在开发更宽的探测器，更快的机架转速和更精准的成像技术上，并仍以提高心脏成像能力为标志。可以看出，这些努力和提高仍局限在提高图像形态学显像能力方面。但在经历了30多年形态学上的快速发展以后，科学家又将CT的发展拓向了功能学和组织结构学显像领域，希望成为后64排时代CT发展的新突破点。
能量CT是利用物质在不同X线能量下的特征性衰减系数获得比常规CT更多的影像信息。能量CT的开发和研究是CT技术研发的前沿领域，是期望利用CT成像中得到的能量信息进行功能性研究，并实现对物质组成的区分和定性分析。其实，能量CT成像的概念早在20世纪70年代CT诞生的初期就被提出来了，CT的鼻祖Hounsfield博士在1973年对CT的描述中就提到了用能量成像来确定物质组成，并进行定性分析。在70年代后期放射学界开展了早期双能量减影的临床研究和应用，但由于成像技术不够成熟，能量CT成像的临床应用沉寂了多年。但从70年代到80年代能量CT成像的物理基础研究取得了巨大进步，同时CT成像技术在硬件和软件方面也得到了整体发展，使能量成像的技术开发和临床应用再次成为人们关注的焦点，并逐步成为CT发展的主流方向之一，各大CT生产厂家也纷纷推出了能够进行能量CT成像的技术和设备。
图1-5 多排与单排CT探测器结构上的区别
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