中國CT發(fā)展回顧

李興東, 張兆田

(1. 中國計(jì)量科學(xué)研究院， 北京 100029; 2. 國家自然科學(xué)基金委員會， 北京 100085)

0 引言

經(jīng)典計(jì)算機(jī)斷層成像(Computerized Tomography，CT)在數(shù)學(xué)上是指通過一個(gè)函數(shù)的線積分或平面積分來重建該函數(shù)[1]，其典型和廣泛的應(yīng)用是利用不同角度的X射線透視成像來重建物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而形成X-CT技術(shù)[2]。X射線透視成像技術(shù)可觀測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的混疊影像，在醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)探測方面得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在二戰(zhàn)期間，該技術(shù)的發(fā)明及時(shí)地挽救了大量傷員的生命。但X射線透視成像獲得的是目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)混疊的成像結(jié)果，人眼無法從中可靠地辨識目標(biāo)內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息，而結(jié)合計(jì)算的X-CT技術(shù)則可以獲得目標(biāo)內(nèi)部無混疊的結(jié)構(gòu)信息，形成了真正的目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非侵入探測技術(shù)。因此，更加具有應(yīng)用價(jià)值。特別在醫(yī)療領(lǐng)域，X-CT為醫(yī)生準(zhǔn)確診斷病人健康狀況提供了變革性的技術(shù)支持。X-CT醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成功引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者從事CT理論與技術(shù)研究的熱潮，為醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測等領(lǐng)域帶來了蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。

CT技術(shù)不僅僅可以應(yīng)用于X射線透視成像模態(tài)。通過結(jié)合其他成像模態(tài)，CT技術(shù)可以發(fā)展成為各種各樣的非侵入探測技術(shù)。從激勵(lì)源角度來看，CT技術(shù)可分為X-CT、光學(xué)CT、電學(xué)CT、超聲CT、正電子發(fā)射CT(PET)和單光子發(fā)射CT(SPECT)等；從應(yīng)用場景角度來看，可分為醫(yī)學(xué)X-CT和非醫(yī)學(xué)CT(包括工業(yè)CT、顯微CT等)。CT是由目標(biāo)外部探測數(shù)據(jù)來重建目標(biāo)內(nèi)部信息奧秘，具有非接觸、無損和非侵入檢測特點(diǎn)。CT成像涉及醫(yī)療健康(臨床診斷和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物成像等)、無損檢測和結(jié)構(gòu)分析(飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片、火箭推進(jìn)器、發(fā)動機(jī)氣缸、管道損傷和電子器件等)、材料分析和評價(jià)(石油巖心結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料制備等)、安全檢查(武器、毒品和炸藥等)、考古(古動植物三維結(jié)構(gòu)成像)、地學(xué)成像(地震勘探和地質(zhì)構(gòu)造等)等眾多領(lǐng)域，具有廣泛應(yīng)用潛力。

經(jīng)典的CT積分投影可以表示為對一個(gè)未知函數(shù)的Radon變換，CT重建就是通過該Radon變換求解這個(gè)未知函數(shù)。在數(shù)學(xué)上，這樣的積分變換可以用第一類Fredholm積分方程表示，其中積分變換中的核函數(shù)是Radon變換中表達(dá)投影路徑的狄拉克函數(shù)。然而，核函數(shù)還可以取其他形式，從而描述更多的實(shí)際應(yīng)用場景。如果將應(yīng)用場景定義一個(gè)更為通用的范式，即用第一類Fredholm積分方程描述一個(gè)包含未知函數(shù)、已知激勵(lì)源和探測器的測量系統(tǒng)，此時(shí)積分方程的核函數(shù)可用來描述激勵(lì)源、探測器以及未知函數(shù)坐標(biāo)的幾何關(guān)系。針對不同的應(yīng)用場景，當(dāng)核函數(shù)為格林函數(shù)時(shí)，其積分方程求解對應(yīng)場景之一是地質(zhì)勘探中石油或礦體地震波層析成像問題；當(dāng)核函數(shù)描述電容電阻敏感函數(shù)時(shí)，其積分方程求解對應(yīng)場景之一是石油管道或流化床內(nèi)介質(zhì)含量的流動層析成像問題。經(jīng)典的CT重建也被稱為硬場重建問題，而非Radon變換的情形被稱為軟場重建問題。我國CT領(lǐng)域的早期研究就包含了硬場重建和多種類型的軟場重建問題。

鑒于CT技術(shù)的巨大應(yīng)用價(jià)值，活躍在不同區(qū)域的國內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)及其企業(yè)的研究人員追蹤C(jī)T領(lǐng)域的世界科技前沿、面向國家經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家關(guān)鍵行業(yè)無損檢測重大需求以及面向人民生命健康，積極投身CT理論與技術(shù)研究工作中，為我國在該領(lǐng)域的快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

1 我國CT研究的發(fā)展歷史簡介

早在20世紀(jì)70年代末、80年代初，我國來自地學(xué)成像、X射線成像、微波成像、雷達(dá)成像以及超聲成像等多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者就開始從事斷層成像理論與應(yīng)用研究工作。以邱佩璋先生[3-4]為代表的一批學(xué)者先后在重力勘探區(qū)域場校正和地震層析成像等領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并取得了一系列成果[3-8]，為多個(gè)地質(zhì)探查、探礦和探油等實(shí)際應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，是國內(nèi)最早從事斷層成像研究的學(xué)者群體之一。在Radon變換性質(zhì)研究與CT重建算法方面，國內(nèi)也有許多早期的探索研究成果[9-16]。與此同時(shí)，國內(nèi)各領(lǐng)域的斷層成像研究還針對實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，以產(chǎn)學(xué)研并進(jìn)的方式取得了一批成果。其中，典型的工作包括：上海醫(yī)療器械研究所和上海計(jì)算技術(shù)研究所等單位于1982年聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)第一臺頭顱CT，并于1983年通過了技術(shù)鑒定[17-18]；南京工學(xué)院(現(xiàn)東南大學(xué))于1982年研發(fā)了第一臺微波CT實(shí)驗(yàn)裝置[19-20]，接著在1983年開發(fā)了第一臺超聲CT實(shí)驗(yàn)裝置[21]；西安交通大學(xué)于1983年研制成功了國內(nèi)第一臺相控陣掃描人體超聲斷層成像系統(tǒng)[22]；重慶大學(xué)于1989年成立了專門的工業(yè)CT研究中心；上海醫(yī)療器械廠等9個(gè)單位于1990年聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)第一臺全身CT系統(tǒng)[23-24]；清華大學(xué)于1991年開發(fā)了國內(nèi)第一臺微焦點(diǎn)CT系統(tǒng)[25-26]；受海軍某部委托，1999年中國計(jì)量科學(xué)研究院與清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院合作研制了檢測固體火箭發(fā)動機(jī)的實(shí)用工業(yè)CT系統(tǒng)；2000年，邱佩璋先生參加了由海軍有關(guān)部門組織的“固體火箭發(fā)動機(jī)無損檢測自動化系統(tǒng)”技術(shù)鑒定會，其中的高能X射線工業(yè)CT系統(tǒng)是我國大型工業(yè)CT發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)重要里程碑，北京信息工程學(xué)院(現(xiàn)北京信息科技大學(xué))團(tuán)隊(duì)參與了不完備數(shù)據(jù)圖像重建算法與軟件研制過程；等等。

國內(nèi)早期學(xué)者在不同的CT領(lǐng)域的研究工作中，逐漸形成了對CT理論共性問題研究的興趣，進(jìn)而開展交流和討論，并于1985年依托北京師范大學(xué)成立了國內(nèi)第一個(gè)CT理論與技術(shù)研究小組[27]。1986年該小組受國家地震局的委托，舉辦了“CT理論與技術(shù)講習(xí)班”，為此編纂了25萬字的講義，同年還舉辦了全國首次“CT理論與技術(shù)學(xué)術(shù)討論會”[27]。以此為契機(jī)，同年還依托北京信息工程學(xué)院組織成立了“CT理論與應(yīng)用研究會”，邱佩璋先生擔(dān)任首屆理事長。第二年1987年，研究會與地震科學(xué)聯(lián)合基金會合作主辦了國內(nèi)CT理論與技術(shù)領(lǐng)域的第一本期刊《CT理論與應(yīng)用研究》，并于該年第三季度發(fā)行了創(chuàng)刊號[28]。

CT理論和技術(shù)是一門面向?qū)嵺`應(yīng)用的科學(xué)研究領(lǐng)域，其發(fā)展除了本身有數(shù)學(xué)和信息科學(xué)交叉融合的特點(diǎn)以外，還離不開與各種應(yīng)用領(lǐng)域在物理、化學(xué)和生物學(xué)等方面的深度結(jié)合。因此，CT理論與應(yīng)用研究會積極尋找與合適的學(xué)術(shù)團(tuán)體進(jìn)行合作的機(jī)會，在發(fā)展自身的同時(shí)，也推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。體視學(xué)采用多維和多模態(tài)的成像方法來表征物體的物理、化學(xué)及生物的結(jié)構(gòu)和功能等屬性、并且圍繞這些屬性開展所需要的測量和分析工作，是一門成像與面向成像屬性進(jìn)行分析相結(jié)合的學(xué)科，與研究會的興趣點(diǎn)高度契合。因此，CT理論與應(yīng)用研究會于1997年掛靠中國體視學(xué)學(xué)會，更名為“CT理論與應(yīng)用分會”。至此，我國體視學(xué)界將CT理論和技術(shù)、圖像分析、生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科有機(jī)地聯(lián)系起來，有力地推動了相關(guān)學(xué)科及其交叉學(xué)科的發(fā)展。

近年來，以機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能為代表的現(xiàn)代信號處理理論的發(fā)展為成像科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域帶來了巨大進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)了多維、多模態(tài)成像與成像屬性分析等多領(lǐng)域交叉的融合計(jì)算和綜合分析，使不同維度信息得以整合和運(yùn)用，以達(dá)到智能化和高性能成像的目標(biāo)。自然而然地，國內(nèi)在該領(lǐng)域聚集了一大批多學(xué)科交叉融合的學(xué)者，在CT成像模態(tài)的多樣化和產(chǎn)學(xué)研用融合等方面有了更大的發(fā)展空間。因此，中國體視學(xué)學(xué)會于2020年成立了智能成像分會，該分會與CT理論與應(yīng)用分會互相補(bǔ)充和協(xié)作，進(jìn)一步推動了CT成像及其在各領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展。

在上述工作推動下，同時(shí)也因?yàn)镃T理論和技術(shù)在國民社會各個(gè)領(lǐng)域的蓬勃應(yīng)用發(fā)展，國內(nèi)CT領(lǐng)域的研究隊(duì)伍越來越壯大，從80年代初期的數(shù)個(gè)研究團(tuán)隊(duì)到如今超百個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，研究隊(duì)伍從不足百人發(fā)展到上萬人；涉及的內(nèi)容涵蓋了CT理論和技術(shù)研究、核心器件和系統(tǒng)研發(fā)，以及產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣等各個(gè)方面。圖1展示了1990年以前國內(nèi)CT研究團(tuán)隊(duì)的地域分布[圖1(a)]，以及到目前為止，按Web of Science數(shù)據(jù)庫中論文統(tǒng)計(jì)數(shù)量計(jì)算的國內(nèi)CT研究團(tuán)隊(duì)活躍程度的地域分布[圖1(b)]。

圖1 我國CT研究團(tuán)隊(duì)的地域分布圖(a)1990年前國內(nèi)CT研究團(tuán)隊(duì)的地域分布；(b)當(dāng)前國內(nèi)CT研究活躍團(tuán)隊(duì)的地域分布

國內(nèi)CT理論與技術(shù)的研究在國際化方面也取得了長足的進(jìn)步。通過參加各類學(xué)術(shù)會議、團(tuán)隊(duì)間的人員互訪和學(xué)術(shù)交流、以及邀請著名學(xué)者訪問等形式，國內(nèi)CT理論和技術(shù)學(xué)術(shù)界與國際學(xué)術(shù)界之間建立了密切的聯(lián)系。在國際CT研究學(xué)術(shù)界中，華人學(xué)者的快速發(fā)展也為國內(nèi)學(xué)術(shù)研究的國際化帶來了積極的進(jìn)步因素。美國倫斯勒理工的王革教授、美國芝加哥大學(xué)的潘曉川教授、約翰霍普金斯大學(xué)的Benjamin Tsui教授、美國猶他大學(xué)的曾更生教授等為代表的一大批海外華人學(xué)者與國內(nèi)許多團(tuán)隊(duì)開展了富有成效的學(xué)術(shù)交流、合作，取得了豐富的學(xué)術(shù)成果。同時(shí)，隨著我國的科技進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)量眾多的人才在海外學(xué)成后歸來，進(jìn)一步充實(shí)了國內(nèi)CT領(lǐng)域的研究和開發(fā)力量，為國內(nèi)該領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研發(fā)展和繁榮做出了貢獻(xiàn)。

國內(nèi)CT領(lǐng)域的國際化發(fā)展的重要標(biāo)志之一是舉辦該領(lǐng)域內(nèi)的重要國際學(xué)術(shù)會議。放射和核醫(yī)學(xué)多維多模態(tài)圖像重建技術(shù)國際會議(Fully3D)是國際上CT/PET/SPECT等醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中相關(guān)理論研究、算法開發(fā)和應(yīng)用的首要國際會議，是各國高校、研究所和工業(yè)界專業(yè)人員普遍關(guān)注和積極參與的國際會議，每兩年舉辦一次，至今已經(jīng)舉辦16屆，基本上由美歐著名的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)主辦[29]。國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的長期共同努力和取得的成果得到了國際上的廣泛認(rèn)可，因而2009年第10屆和2017年第14屆會議分別在國內(nèi)清華大學(xué)和西安交通大學(xué)舉行，并且2017年會議還發(fā)布了中國CT領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r的報(bào)告[30]。這兩次會議的舉辦，進(jìn)一步提升了中國在該領(lǐng)域的國際影響力。

2 我國CT領(lǐng)域發(fā)展的特色情況簡介

CT領(lǐng)域的研究具有需求牽引和問題導(dǎo)向的特點(diǎn)，其理論與技術(shù)迭代演進(jìn)。我國在CT產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域從無到有、從弱到強(qiáng)，涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)品。限于文章篇幅和作者所知所限，下面僅介紹作者所了解的我國CT學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合領(lǐng)域的一些特色研究和開發(fā)工作，內(nèi)容并不涵蓋相關(guān)團(tuán)隊(duì)的全部工作。與此同時(shí)，我國在CT領(lǐng)域的關(guān)鍵器件和材料的研發(fā)工作，例如高性能球管和探測器等，也取得了長足的進(jìn)步，以上這些值得另文專題綜述，不列入本文綜述的范圍之內(nèi)。

2.1 CT理論與方法研究

在傳統(tǒng)的CT重建算法研究方面，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)證明了SART算法的收斂性條件[31]，提出了一種基于Landweber的圖像重建通用迭代算法，證明了其收斂條件和對初值的依賴性[32]。北京交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)而給出了Landweber迭代方案收斂的充分必要條件、最優(yōu)和加速松弛策略[33]； 此外，該團(tuán)隊(duì)提出了連續(xù)型脊波變換的CT重構(gòu)公式[34]。北京信息科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)CT前向投影射線的對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一組對稱變換群來優(yōu)化投影矩陣和迭代重建算法的計(jì)算問題，據(jù)此提出了一種對稱塊迭代重建算法，可以同時(shí)提升每次迭代的計(jì)算速度和迭代算法的收斂速度[35]； 該團(tuán)隊(duì)還提出，用仿射Radon變換來描述從光場數(shù)據(jù)生成焦點(diǎn)堆棧數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了從焦點(diǎn)堆棧數(shù)據(jù)到光場圖像的重建算法，分析了重建性能問題，為光場圖像重建提供了新的計(jì)算思路[36]。上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)對多射線源快速成像進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了射線源為奇數(shù)的螺旋錐束CT的FBP精確快速重建算法[37]，為多源快速成像提供了理論基礎(chǔ)。大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種綜合平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的CT投影幾何校正模板和計(jì)算方法，提升了CT校正精度[38]。西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了利用HL一致性條件和約翰方程等CT投影的積分和局部等一致性條件來校正不理想的CT投影數(shù)據(jù)[39-40]，提出了基于字典學(xué)習(xí)和稀疏表示的低劑量CT統(tǒng)計(jì)迭代重建算法[41]。南方醫(yī)科大學(xué)團(tuán)隊(duì)在低劑量CT投影數(shù)據(jù)混合建模和迭代重建、灌注CT功能成像以及能譜CT等多方面，提出了一系列新的算法[42-44]。東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過多種學(xué)習(xí)策略，將有效特征信息引入CT逆問題求解，用于低劑量和不完備投影數(shù)據(jù)的重建[45-46]。中北大學(xué)團(tuán)隊(duì)在能譜CT重建方面，提出采用盲估計(jì)方法表示能譜特征，并結(jié)合多種先驗(yàn)信息提升表示能力，提升工業(yè)能譜CT的重建性能[47-48]。首都師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)先后提出了針對能譜CT圖像重建的E-ART、IFBP算法和針對有限角CT圖像重建的AEDS及其改進(jìn)算法[49-51]。北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)在特型材料的CT重建方面，提出了多項(xiàng)針對性的重建方法[52]。解放軍信息工程大學(xué)團(tuán)隊(duì)在稀疏表示約束的有限角重建和能譜CT重建等方面，做出了多項(xiàng)成績[53]。寧波大學(xué)團(tuán)隊(duì)在SPECT圖像重建的定量優(yōu)化分析方面，利用調(diào)和技術(shù)、復(fù)邊值和壓縮感知理論進(jìn)行了重建穩(wěn)定性與收斂性研究[54]?？傊?，在結(jié)合現(xiàn)代信號處理技術(shù)的CT重建研究中，國內(nèi)學(xué)者(不限于上述介紹的團(tuán)隊(duì))在國際學(xué)術(shù)界取得了有目共睹的大量優(yōu)秀成果。

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為CT重建算法的改進(jìn)提供了新的機(jī)遇，通過深度網(wǎng)絡(luò)對CT數(shù)據(jù)中隱變量的學(xué)習(xí)和多語義綜合表示，CT重建中低劑量和不完備投影重建等問題得到了新的解決方案。國內(nèi)學(xué)者在這一波學(xué)術(shù)浪潮中，走到了國際學(xué)術(shù)界的前列。四川大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于非線性子空間表示的低劑量CT圖像噪聲分離機(jī)理，首先將深度學(xué)習(xí)引入低劑量CT成像，提出了基于殘差自編碼卷積網(wǎng)絡(luò)[55]和感知生成對抗網(wǎng)絡(luò)等圖像恢復(fù)方法[56]，通過構(gòu)建可解釋性的深度網(wǎng)絡(luò)表示圖像內(nèi)在先驗(yàn)，構(gòu)建了一系列低劑量和不完備投影CT重建方法[57]。南方醫(yī)科大學(xué)團(tuán)隊(duì)側(cè)重于通過對噪聲建模和偽影表示建模來構(gòu)造低劑量和高分辨率重建方法[58-59]。東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)分別針對非局部特征先驗(yàn)、區(qū)別性特征學(xué)習(xí)以及全空間深度特征學(xué)習(xí)等方面，構(gòu)建了多個(gè)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)CT重建算法[60]。國內(nèi)其他的大部分團(tuán)隊(duì)也都在深度網(wǎng)絡(luò)CT重建方面，取得了各自的成果，這里不再一一列舉。

國內(nèi)團(tuán)隊(duì)在研究創(chuàng)新模態(tài)的CT成像技術(shù)方面也做出了優(yōu)異的成績。北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)與美國愛荷華大學(xué)合作者建立了生物熒光(Bioluminescence)CT成像的數(shù)學(xué)模型，并研究了其解的唯一性問題[61]。華中科技大學(xué)與海南大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)提出了一種高清晰度、高通量線照明調(diào)制光學(xué)層析成像，進(jìn)一步發(fā)展了高清熒光顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)，將全腦光學(xué)成像從高分辨率提升到高清晰度的新標(biāo)準(zhǔn)[62]，該成果入選了“中國光學(xué)十大進(jìn)展”應(yīng)用研究類。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出掃描光場迭代成像技術(shù)，突破了光場感知空間分辨率與角度分辨率間的矛盾，建立了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，將毫秒級活體三維亞細(xì)胞分辨率連續(xù)觀測時(shí)長從數(shù)分鐘提高到小時(shí)級，時(shí)空分辨率提升兩個(gè)數(shù)量級，光毒性降低三個(gè)數(shù)量級，為揭示神經(jīng)腫瘤免疫等新現(xiàn)象提供了新工具[63]。華中科技大學(xué)數(shù)字PET團(tuán)隊(duì)針對PET中高速閃爍脈沖采樣難題，提出了多電壓閾值采樣方法(MVT)[64-65]，發(fā)明了全數(shù)字PET技術(shù)，并開發(fā)了全數(shù)字PET整機(jī)系統(tǒng)[66]。山西大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對電子順磁共振成像(EPRI)提出了三維EPRI的拋物線濾波器的系列設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，發(fā)展了用于EPRI重建的全變分算法，為基于EPRI氧圖像的腫瘤精準(zhǔn)放療研究提供了技術(shù)支持[67-68]。西安交通大學(xué)與中山大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)提出編碼發(fā)光X射線成像和CT重建模式，采用納米技術(shù)制作可控發(fā)光的平板陣列X射線源器件，采用一系列發(fā)光模式照射成像目標(biāo)形成混疊的投影圖像，通過解混疊算法得到清晰和虛擬旋轉(zhuǎn)的平行光束X射線投影，用于X射線透視成像、Tomosynthesis和CT成像，該成像模態(tài)的優(yōu)勢在于革新傳統(tǒng)的高功率、高成本、高熱量和大體積的X射線球管為低功率、低成本、低熱量和小體積的平板X射線源器件，只需要少量的編碼發(fā)光照射，就可以得到平行X射線透視圖像和虛擬旋轉(zhuǎn)透視圖像，為未來的適形X射線成像和靜止適形CT模式提供了可能性。

2.2 CT應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)

我國CT領(lǐng)域發(fā)展的顯著特點(diǎn)之一是面向具體應(yīng)用需求，同時(shí)進(jìn)行理論和算法研究及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。經(jīng)過長期不懈努力，我國CT應(yīng)用領(lǐng)域取得了大量優(yōu)秀成果和產(chǎn)業(yè)成功的范例。

清華大學(xué)工程物理系輻射成像團(tuán)隊(duì)面向?qū)嶋H設(shè)備開展不完備數(shù)據(jù)CT、能譜CT、相襯CT和X射線熒光CT等成像理論和算法研究，研制了國內(nèi)首個(gè)大型裝備缺陷輻射檢測系統(tǒng)，研制出多個(gè)世界首創(chuàng)的CT檢測系統(tǒng)，包括X射線液體安全檢測系統(tǒng)、高能雙能大型集裝箱CT系統(tǒng)和基于碳納米管冷陰極分布式X射線源的靜態(tài)CT智能安檢系統(tǒng)等，部分產(chǎn)品已經(jīng)遠(yuǎn)銷世界各地。該團(tuán)隊(duì)在X射線成像和CT領(lǐng)域的成果已經(jīng)獲得多項(xiàng)國家技術(shù)發(fā)明和科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)。

重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)理論與實(shí)踐結(jié)合，產(chǎn)學(xué)研合作，1989年就成立了工業(yè)CT研究中心，是我國最早專業(yè)從事CT技術(shù)產(chǎn)學(xué)研工作的單位之一。該中心針對300～2500 mm、1～10 μm和250～500 nm等不同尺度的被測物體研制γ射線、低能X射線和高能加速器X射線系列CT檢測設(shè)備，主持制定工業(yè)CT圖像測量國家標(biāo)準(zhǔn)，為航天、航空、鐵道、汽車、冶金、石油以及工業(yè)和國防部門等提供了專業(yè)CT設(shè)備和重要的檢測服務(wù)，科研成果曾獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

中國科學(xué)院高能物理研究所團(tuán)隊(duì)研制了十多種類型的CT系統(tǒng)，包括：基于光子計(jì)數(shù)探測器的小動物能譜顯微CT，用于一類大尺寸板狀物的高分辨三維成像的CL設(shè)備；在探測器研發(fā)方面，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了多款CT探測器并于近期完成了四閾值光子計(jì)數(shù)探測器的讀出芯片及模塊研發(fā)；相關(guān)技術(shù)也得到了實(shí)際應(yīng)用。

華中科技大學(xué)數(shù)字PET團(tuán)隊(duì)與瑞派寧科技有限公司和銳世醫(yī)療科技有限公司合作實(shí)現(xiàn)全數(shù)字PET的研制和產(chǎn)業(yè)化，建立了系統(tǒng)和完整的技術(shù)體系，分別在科學(xué)儀器和醫(yī)療裝備實(shí)現(xiàn)了分辨率和計(jì)數(shù)率等PET核心性能指標(biāo)的突破，可望支撐和開拓質(zhì)子束觀測和氧地圖繪制等全新應(yīng)用。首臺臨床全數(shù)字PET于2018年通過國家創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批，2019年獲中國醫(yī)療器械注冊證。成果入選“2019年中國十大科技進(jìn)展新聞”、“十大年度中國醫(yī)學(xué)重大進(jìn)展”。

首都師范大學(xué)CT團(tuán)隊(duì)是較早進(jìn)入工業(yè)CT產(chǎn)學(xué)研領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)之一，他們針對國防應(yīng)用需求開發(fā)了多種類型的工業(yè)CT設(shè)備，在工業(yè)CT的視野擴(kuò)展、圖像偽影校正、超分辨率成像以及GPU加速計(jì)算等方面都做出了出色的成績[69]。該團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，與合作方聯(lián)合創(chuàng)建了三英精密儀器股份有限公司等企業(yè)，先后成功開發(fā)了X射線三維顯微CT、板狀物顯微分層CT、多功能工業(yè)CT和全巖心CT等特色成像設(shè)備，并已廣泛應(yīng)用于石油地質(zhì)、化工材料、生物農(nóng)業(yè)、微電子以及國防等高新技術(shù)行業(yè)。

中北大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制了高動態(tài)X射線CT成像設(shè)備，針對特定尺寸的工業(yè)和國防部件，研究針對性的成像掃描模式和重建算法以及相關(guān)的圖像分析方法，解決了特別裝備的結(jié)構(gòu)檢測、工件缺陷檢測和材料組分結(jié)構(gòu)分析等方面的難題，為國防建設(shè)做出了重要的貢獻(xiàn)。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院CT成像團(tuán)隊(duì)研究了低劑量CT重建和智能化雙能CT分解算法等核心關(guān)鍵技術(shù)；先后研制了高分辨顯微CT、大視野口腔CT、低劑量靜態(tài)乳腺CT和快速相襯CT等一批高端成像裝備和系統(tǒng)；對新型鈣鈦礦半導(dǎo)體X射線直接轉(zhuǎn)化的CMOS探測器技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)等方面進(jìn)行了有益探索。

東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國內(nèi)早期的活體小動物顯微CT成像系統(tǒng)，采用球管和探測器組合旋轉(zhuǎn)的掃描模式以便于活體目標(biāo)成像，實(shí)現(xiàn)了對小動物組織和器官清晰成像，與醫(yī)學(xué)科研人員進(jìn)行合作，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究方面發(fā)揮著重要的作用[70]。

北京友誼醫(yī)院團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)等合作，攻克了小焦點(diǎn)和大功率X射線發(fā)生器難題，研究了從數(shù)據(jù)校正和運(yùn)動補(bǔ)償?shù)街亟ǖ年P(guān)鍵算法，在此基礎(chǔ)上成功研制了分辨尺度達(dá)50 μm的雙源-雙探測器耳科專用CT儀器，為耳科疾病研究和臨床診療創(chuàng)新提供了利器，研究成果獲得了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。目前，該成果已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，獲得了國家醫(yī)療儀器三類注冊證。

2.3 CT產(chǎn)業(yè)發(fā)展

中國CT理論與技術(shù)發(fā)展從無到有、從有到優(yōu)，CT產(chǎn)業(yè)發(fā)展也是如此。經(jīng)過幾十年三代人的不懈努力，中國CT事業(yè)得到長足發(fā)展，部分進(jìn)入國際CT先進(jìn)行列。目前，國內(nèi)著名的醫(yī)學(xué)CT企業(yè)有聯(lián)影、東軟醫(yī)療、大醫(yī)集團(tuán)、有方醫(yī)療、瑞派寧、朗視和納米維景等，非醫(yī)學(xué)CT廠商有同方威視、真測科技、三英精密、固鴻科技、丹東奧龍、日聯(lián)科技和深圳卓茂等。

國產(chǎn)醫(yī)療CT設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化以東大阿爾派(現(xiàn)為東軟醫(yī)療)在1997年開發(fā)和投入市場的CT-C2000系統(tǒng)[71]為起點(diǎn)(更多的信息請參見[72-73])，之后一直保持增長態(tài)勢，到目前為止，以聯(lián)影和東軟醫(yī)療為代表的國內(nèi)大型醫(yī)療CT生產(chǎn)廠商已經(jīng)能夠開發(fā)640層的多排螺旋CT，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到4～5圈/秒。與此同時(shí)，高性能探測器和大熱容量液態(tài)金屬軸承球管等核心部件也能夠自主開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。在國家政策和重點(diǎn)專項(xiàng)資金的支持下，企業(yè)和學(xué)術(shù)界產(chǎn)學(xué)研互相合作，國內(nèi)CT的功能和性能在人工智能重建及分析技術(shù)的幫助下得到了進(jìn)一步的提升。

非醫(yī)學(xué)CT包括各種工業(yè)CT、檢測和測量用CT以及用于科學(xué)研究的特種CT等。與醫(yī)學(xué)CT具有相對統(tǒng)一的性能標(biāo)準(zhǔn)和工作模式不同，非醫(yī)學(xué)CT是面向任務(wù)的CT設(shè)備，呈現(xiàn)出多樣化的工作模式和性能標(biāo)準(zhǔn)。例如，用于大型金屬結(jié)構(gòu)件檢測的兆伏級CT、用于板型材料檢測的分層CT和用于精密測量的納米CT等等。因?yàn)椴煌蝿?wù)的特殊性，CT的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、X射線光源和探測器選擇和研制以及重建和分析算法均需要特別定制完成，形成了眾多的細(xì)分市場。同時(shí)，在我國CT事業(yè)發(fā)展的早期，存在著諸多的產(chǎn)業(yè)空白區(qū)域。隨著國內(nèi)CT事業(yè)的發(fā)展，我國逐漸涌現(xiàn)了一大批高新科技企業(yè)，基本上滿足了國內(nèi)市場的需要，有的甚至遠(yuǎn)銷海外。其中，源自清華大學(xué)工物系的同方威視，其產(chǎn)品牢固占據(jù)了各種X射線安檢行業(yè)的大部分市場，并且拓展到了170個(gè)國家和地區(qū)，已經(jīng)形成了在X射線安檢行業(yè)的國際知名品牌。源自重慶大學(xué)工業(yè)CT無損檢測教育部工程研究中心的真測科技，是我國最早進(jìn)入工業(yè)CT產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的單位之一，為我國CT工業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

雖然國內(nèi)醫(yī)學(xué)CT產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了長足的發(fā)展，仍然無法改變國際GPS巨頭(GE、Philips、Siemens)的產(chǎn)品占據(jù)大部分市場的局面，國內(nèi)產(chǎn)品的年銷售數(shù)量一直徘徊在不到40%的數(shù)量(2019年數(shù)據(jù))。近兩年情況有所改善，2022年國內(nèi)品牌CT總銷量超過了50%，但64排以上高端CT的市場占有率依舊較低。這個(gè)事實(shí)說明，中國在醫(yī)學(xué)CT設(shè)備相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品方面的研發(fā)任務(wù)依然艱巨。在工業(yè)CT產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，雖然國內(nèi)產(chǎn)品的市場占有率優(yōu)于醫(yī)療CT，但主要部件，例如高功率和微焦點(diǎn)球管以及高性能探測器，依然依賴進(jìn)口。美歐最新發(fā)布的“瓦森納協(xié)定”版本中，用于工業(yè)無損檢測的高性能球管和探測器被列入對華禁運(yùn)的清單中[74]。因此，我們需要加強(qiáng)CT領(lǐng)域的基礎(chǔ)和核心技術(shù)的研究工作，一方面在現(xiàn)有的技術(shù)軌道上趕超發(fā)達(dá)國家，另一方面也要研究創(chuàng)新的CT成像模態(tài)，獨(dú)辟蹊徑地發(fā)展更優(yōu)異的CT成像技術(shù)，為我國在成像領(lǐng)域趕超世界先進(jìn)水平做貢獻(xiàn)。

我國工業(yè)CT設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有明顯的產(chǎn)學(xué)研用特點(diǎn)。大部分情況下，源自高校和重點(diǎn)科研單位的成果應(yīng)用到特定的實(shí)際場合后，形成產(chǎn)學(xué)研良性循環(huán)，繼而帶動科研人員、核心技術(shù)以及資本進(jìn)入市場經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)了各類工業(yè)CT領(lǐng)域的迅速發(fā)展，逐項(xiàng)填補(bǔ)了我國在工業(yè)CT產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的眾多空白，踐行了中央提出的堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢的指導(dǎo)方針，在發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了對科技人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新和突破。我國在工業(yè)CT產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)歷，將對其他產(chǎn)學(xué)研用領(lǐng)域的發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3 國家自然科學(xué)基金委員會對成像領(lǐng)域的資助情況

國家自然科學(xué)基金委員會(以下簡稱“基金委”)成立于1986年，是支持中國基礎(chǔ)研究的主要渠道之一，成像研究是其中的重要支持領(lǐng)域之一。根據(jù)2017年的資料，基金委資助有關(guān)成像領(lǐng)域項(xiàng)目年均超過700項(xiàng)，年均資助經(jīng)費(fèi)超過5.2億元。獲資助項(xiàng)目涉及培養(yǎng)創(chuàng)新人才的青年基金、優(yōu)秀青年基金和杰出青年基金，鼓勵(lì)探索與競爭的面上項(xiàng)目，推動學(xué)科發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目和重大項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流的國際合作項(xiàng)目，提升儀器研制能力的儀器設(shè)備研制項(xiàng)目等。

基金委于1998年設(shè)立“科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究?？睢?，資助學(xué)科發(fā)展前沿所急需的重要科學(xué)儀器的創(chuàng)新性研制或改進(jìn)。2011年，根據(jù)國家科學(xué)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略布局，面向科學(xué)前沿和國家需求，以科學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，設(shè)立了“重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)”。2014年，自然科學(xué)基金委將“科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究?？睢焙汀爸卮罂蒲袃x器設(shè)備研制專項(xiàng)”整合為“國家重大科研儀器研制項(xiàng)目”，同時(shí)，每年預(yù)算增加到10億元經(jīng)費(fèi)支持儀器設(shè)備研制項(xiàng)目研究，基金委對具有重大創(chuàng)新儀器設(shè)備研制工作的支持從此得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。

根據(jù)在國際知名網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫Web of Science上檢索的結(jié)果，通過對“CT Reconstruction Algorithm”為主題進(jìn)行檢索，可以很容易地看到，受到NSFC支持的發(fā)表論文數(shù)量與美國NSF和NIH資助論文的數(shù)量比例已經(jīng)達(dá)到63%。這個(gè)數(shù)據(jù)可以充分地說明，國家自然科學(xué)基金對CT成像領(lǐng)域的研究給予了及時(shí)支持，發(fā)揮了基礎(chǔ)研究引領(lǐng)作用。

基金委在該領(lǐng)域多年持續(xù)的科學(xué)基金資助，培養(yǎng)了一批成像領(lǐng)域的優(yōu)秀科研人才和研究隊(duì)伍，在國際上形成了一定的影響力，相關(guān)研究成果服務(wù)于國家重大需求和人民健康。

在基金委的資助工作中，國內(nèi)幾乎全部CT研究團(tuán)隊(duì)都受到了面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目的支持，部分優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)也受到了重點(diǎn)/重大項(xiàng)目的支持，其中成績優(yōu)異的研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)還受到了基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的支持；部分青年人獲得國家優(yōu)秀青年基金和國家杰出青年基金項(xiàng)目等資助。與此同時(shí)，CT成像領(lǐng)域中的重要?jiǎng)?chuàng)新均具有理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)。因此，基金委的重大科研儀器研制項(xiàng)目也在此發(fā)揮了重要作用，國內(nèi)CT領(lǐng)域已經(jīng)取得的重要成果大部分都得到了該類型項(xiàng)目的支持。

最近五年，圍繞中央在科學(xué)家工作會議上提出的“四個(gè)面向”，CT領(lǐng)域相關(guān)研究得到了進(jìn)一步關(guān)注，在成像機(jī)理、器件研制、系統(tǒng)集成和典型場景應(yīng)用等方面的理論與技術(shù)迭代演進(jìn)，分別獲得了來自數(shù)理科學(xué)部、化學(xué)科學(xué)部、生命科學(xué)部、地球科學(xué)部、工程與材料科學(xué)部、信息科學(xué)部和醫(yī)學(xué)科學(xué)部等項(xiàng)目資助，資助項(xiàng)目數(shù)和資助強(qiáng)度逐年提升。2021年新成立交叉科學(xué)部和成果轉(zhuǎn)化中心，進(jìn)一步助力于推動CT等交叉領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展。值得關(guān)注的是，信息科學(xué)是研究信息的產(chǎn)生、獲取、存儲、傳輸、處理顯示及其創(chuàng)新應(yīng)用的學(xué)科，與CT成像有天然的聯(lián)系。希望科研人員圍繞國防工業(yè)和人民健康等重大需求，探索“卡脖子”技術(shù)背后的基礎(chǔ)科學(xué)問題，不斷開拓創(chuàng)新，積極促進(jìn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)原創(chuàng)性科研儀器研制與應(yīng)用。

4 發(fā)展建議

CT技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜精密的系統(tǒng)，涉及關(guān)鍵模塊有射線源、探測器、CT系統(tǒng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)預(yù)處理、重建和分析算法等。每個(gè)模塊都與CT系統(tǒng)的成像質(zhì)量密切相關(guān)，頗有“牽一發(fā)動全身”的關(guān)聯(lián)。所以必須結(jié)合系統(tǒng)需求、問題導(dǎo)向和系統(tǒng)考慮等思考CT設(shè)計(jì)與制造的問題。主要發(fā)展建議：

探索電磁波與物質(zhì)相互作用新機(jī)理，研究CT成像新機(jī)制；發(fā)展新型射線源技術(shù)，研制高效靈敏探測器；面向重要場景應(yīng)用，發(fā)展軟硬件協(xié)同技術(shù)，研究高效成像算法；探索噪聲抑制技術(shù)和干擾利用技術(shù)，基于目標(biāo)數(shù)據(jù)模型與成像模型，提升智能成像水平和能力；基于射線源非單色性，研究多能譜高分辨成像技術(shù)；研究利用射線與物質(zhì)作用相位變化占優(yōu)特性的相位成像技術(shù)；鼓勵(lì)多學(xué)科融合，面向生物及材料等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)問題，發(fā)展個(gè)性化檢測技術(shù)；需求牽引目標(biāo)導(dǎo)向，從系統(tǒng)角度研究成像理論，發(fā)展多模式成像技術(shù)，提高實(shí)時(shí)高分辨能力。面向人民健康，發(fā)展低劑量高效安全的檢測成像儀器設(shè)備。

致謝

在文稿組織過程當(dāng)中，中國體視學(xué)學(xué)會CT理論與應(yīng)用分會、《CT理論與應(yīng)用研究》雜志毛國敏、北京信息科技大學(xué)邱鈞教授等提供了豐富的歷史材料；在文稿完成過程當(dāng)中，首都師范大學(xué)張朋教授、西安交通大學(xué)牟軒沁教授等給出了建設(shè)性的意見，西安交通大學(xué)牟軒沁教授參與完成了稿件修訂。感謝國家自然科學(xué)基金委信息中心提供的探測與成像領(lǐng)域數(shù)據(jù)資料；感謝有關(guān)單位的專家在百忙之中提供的進(jìn)展材料。

后記

在邱佩璋先生逝世一周年之際，我們謹(jǐn)以此文緬懷邱先生對發(fā)展CT理論和技術(shù)所做出的重要貢獻(xiàn)。

邱佩璋先生生于1927年，1951年上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)系畢業(yè)后進(jìn)入中科院數(shù)學(xué)所，師從吳新謀先生從事偏微分方程研究。1957年響應(yīng)國家號召支邊建設(shè)內(nèi)蒙古大學(xué)數(shù)學(xué)系。1984年調(diào)入北京信息工程學(xué)院，并創(chuàng)建應(yīng)用數(shù)學(xué)研究室。邱佩璋先生倡導(dǎo)理論與實(shí)踐相結(jié)合，1980年代開始從事CT理論與應(yīng)用研究，1985年組織成立了北京第一個(gè)CT興趣小組，與北京師范大學(xué)羅承忠教授和地震局郭履燦研究員等組織CT理論、波動方程反問題和雷達(dá)成像等討論班，并在北京信息工程學(xué)院開設(shè)了第一屆CT理論與技術(shù)輔導(dǎo)課程。1986年8月，邱佩璋先生與郭履燦、羅承忠和吳律等人共同組織召開了第一屆CT理論與應(yīng)用學(xué)術(shù)討論會，并成立了CT聯(lián)絡(luò)會籌備組。同年12月，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會CT理論與應(yīng)用研究會成立，邱佩璋先生當(dāng)選該研究會首任理事長。

邱佩璋先生是我國最早開展CT理論與應(yīng)用研究的重要學(xué)術(shù)帶頭人之一，組織領(lǐng)導(dǎo)了我國CT理論與應(yīng)用研究的早期工作和相關(guān)國家級科研項(xiàng)目。邱先生也是《CT理論與應(yīng)用研究》期刊的主要?jiǎng)?chuàng)建人之一。1987年8月，我國第一本CT雜志《CT理論與應(yīng)用研究論文集》(試刊第一期)出版，1989年12月《CT理論與應(yīng)用研究》正式發(fā)刊。邱佩璋先生在學(xué)會發(fā)展與變革時(shí)期發(fā)揮了重要的推動作用，與郭履燦和陳惟昌等專家學(xué)者一起卓有成效地推進(jìn)了學(xué)會的發(fā)展壯大。1997年，學(xué)會更名“中國體視學(xué)學(xué)會CT理論與應(yīng)用分會”。該分會將CT理論與應(yīng)用、圖像分析、生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科有機(jī)地聯(lián)系起來，推進(jìn)了學(xué)科交叉融合與發(fā)展，為推動我國CT理論研究和應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。