请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
立即注册
 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

医维线上

搜索
医维线上 首页 资讯 影像设备 查看内容

1968-2018,回溯CT发展50年

2019-1-3 15:30| 查看: 26| 评论: 0|来自: 器械之家

摘要: 1979年,发生了一件"奇怪"的事。皇家卡罗林外科医学研究院诺贝尔奖评审委员会决定将当年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给两个没有任何医学背景的人:塔夫斯大学的科马克(Allan M.Cormack)英国电器与乐器工业有限公 ...

1979年,发生了一件"奇怪"的事。

皇家卡罗林外科医学研究院诺贝尔奖评审委员会决定将当年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给两个没有任何医学背景的人:

塔夫斯大学的科马克(Allan M.Cormack)

英国电器与乐器工业有限公司(EMI)的工程师豪斯费尔德 (Godfrey Newbold Hounsfield)

两人不仅互不相识,而且都没有博士学位,据说当时诺贝尔奖金评议会的54名评议员推翻了选拔委员会提出的人选,这在当时引起了极大的轰动,在场等候的记者甚至都没有拿到两位获奖人的英文版介绍。


科马克和豪斯菲尔德(图片源自诺贝尔奖官方网站)


究竟什么样的成就让诺贝尔医学奖项颁发给两个没有医学背景的人呢?

颁奖词写得清楚,表彰他们为发展CAT做出的贡献


诺贝尔奖颁奖词(图片源自诺贝尔奖官方网站)


如果你是业内人士,应该知道了,这个被称作CAT的设备,就是我们在医院里运用最为广泛的计算机断层扫描仪(Computer Tomography),简称CT。

CT的发明被认为是伦琴发现X光以来医学影像领域最伟大的发明。


最初的梦想


自从伦琴发现X射线以来(参见 “如果我迷了路,不要在大路上找我。”--伦琴发现X射线123周年),技术的不断进步催生了一系列新的应用,但对于许多疾病,常规X线图像并不能提供肯定的扫描结果,因为最终获得的是所有照射身体结构的重叠影像。所以医生们很快有了一个新的梦想——如果能够获得没有结构叠加的断层图像那就完美了。


Siemens-Introskop传统体层扫描机,1934年


传统的体层扫描机诞生于20世纪30年代初,生成了第一批没有出现叠加的人体切面图像。

例如,Siemens-Introskop的工作原理如下:

X线胶片和射线管围绕待扫描人体部分移动。在旋转中心,射线聚焦并产生清晰的人体结构照片,但这个区域之外的图像是模糊的。


获得1979年诺贝尔生理学或医学奖的豪斯菲尔德更为人熟知。

另一位获奖人科马克1924年生于南非,1944年毕业于开普敦大学。

大约在1957年,科马克发明了一种计算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,但是由于经费紧张,科马克没能制造自己的原型机。

之后科马克移民美国,成为图菲斯大学的物理学教授,并在1963年制造了CT原型机

1966年科马克加入美国国籍。


科马克制造的CT原型机,1963年(图片源自网络)


豪斯菲尔德1919年出生于英国的科学之城诺丁汉郡,1951年进EMI公司。

在不知道科马克研究成果的情况下,1961年研究计算机处理断层图像的技术,1967年产生了计算机断层成像的想法,并在1968年获得专利

如果从豪斯菲尔德获得专利算起,CT历史到今年正好五十年。


豪斯菲尔德制造的CT原型机,1968年(图片源自网络)


随后豪斯菲尔德对原型机进行不断改进。

终于在1971年,豪斯菲尔德制造了一台用于扫描人脑的CT机。

那时候,CT机还被称为EMI扫描机。

为了避免商业机密泄露,在伦敦郊区的一家小医院进行了测试。


第一台CT安装地:Atkinson Morley Hospital,这是一家仅有150张床位的医院。(图片源自网络)


1971年10月1日,人类历史上第一位接受CT扫描的是一位41岁的女性患者,患有脑部肿瘤。

如果放在现在看,这样的图像非常糟糕,但在当时,能够区分灰白质已经是科学家梦寐以求的事了。

因此在当时它产生的图像令医学界非常震惊;更让人震惊的事它竟然来源于EMI唱片公司(就是这家百代唱片公司)。


第一台EMI CT机,右图为第一例患者的脑部图像,扫描一层图像需要4.5min,矩阵为80x80,EMI CT在使用120kV扫描时,最大管电流仅为32mA。(图片源自网络)


1972年4月,在英国放射学年会上,豪斯菲尔德发布了他的研究成果,震惊了世界,迅速引发了“CT热”,超过15家公司加入了EMI开发CT扫描机的工作。

西门子在1974年研制成功了第一台CT扫描仪,SIRETOM,这台CT扫描一次可以重建两幅图像,矩阵也从80x80提高到128x128。


西门子第一台CT扫描仪,SIRETOM,1974年


乔治城大学的Robert Ledley教授在1974年研制了可以用于全身扫描的CT设备:ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) 。

后来技术卖给了辉瑞公司,全身CT的扫描质量有了明显的提升,矩阵达到了256x256。

在之后的漫长岁月里,CT得到了快速的发展,硬件不断变革,越来越多的CT设备推向市场。

西门子在1977年发布了自己的第一台全身CT:SOMATOM

SOMA是拉丁文body身体的意思,TOM则是Computed Tomography里断层的意思,因此SOMATOM的含义就是全身断层。

差不多就是全身CT的意思。


SOMATOM,1977年


SOMATOM扫描的腹部平扫图像,1977年


1979年,新款SOMATOM设备优化了探测器系统,空间分辨率提升了2倍。

同时使用心脏CT配件,设备首次可以对跳动的心脏成像。这是通过一种被称为心电“触发”实现的:

心电图测量心脏功能,使SOMATOM 2与患者的心跳同步。

然后,设备在心脏搏动的特定时间点发出 X线脉冲,在心脏舒张期进行数据采集。

这样使得CT图像在很大程度上免受心脏活动的干扰。


第一幅“冠脉”CT图像,扫描时注射30ml对比剂,延迟之后扫描一层,再注射对比剂再延迟,扫描... Guthaneret al. AJR 1979  (American Roentgen RaySociety)


直到1987年,20多年的时间里,CT设备仍然处在最初设计的阶段,基本技术没有任何变化,仍然等待着第一次CT技术的革命。


未来属于螺旋CT


20世纪80年代中期,CT扫描当时已经发展到了一个通过现有技术无法再有重大改进的阶段。

1987年末,出现了滑环技术。

在此之前,扫描架通过电线接收电力,现在电力则通过滑环进行传输。整个测量系统在新开发的专为持续高速旋转而设计的轴承上运行。

除了系统速度更高外,这一技术的优点是设备运行更加安静,同时与之前启动-停止的运行方式相比,机械磨损更少。

滑环技术的出现为螺旋CT的诞生奠定了坚实的基础。


第一台螺旋CT,SOMATOM Plus采集系统,1988年


螺旋CT(Spiral CT)最初提出时听上去非常不可思议。

因为当时CT要做的就是要让病人停下来,然后扫描,并且在扫描过程中尽量避免运动。

而螺旋扫描的基本概念恰好是要在扫描过程中不断移动检查床带动患者移动,X线以螺旋方式扫描患者身体。

批评人士甚至将螺旋CT称为“产生CT伪影的方法”。

这里我们要提到一位德国物理学家Willie A. Kalender螺旋CT的发明人


Willie A. Kalender (图片源自IMP)


Willie A. Kalender教授1949年生于德国,1975年毕业于威斯康星大学。

1976年-1995年加入西门子,在发明螺旋CT之前,1983年开发了世界上第一个双能量CT(dual energy CT)产品,1987年开发了金属伪影消除技术(metal artefact reduction,MAR)。

1988年Kalender教授领导的团队开始研究螺旋CT,他们采用数学方法来解决运动伪影问题,将复杂的算法增加到重建图像的软件中,以便将检查床的运动因素纳入测量计算。

其他的部件大致与传统的系统相似,但是需要进行改进以适应螺旋CT的具体要求,在系统中对工艺进行控制更为复杂。

同年底,Kalender带领的团队成功研制出首台螺旋CT原型机。 SOMATOM Plus是世界上第一台螺旋CT, 也是当时最快的CT系统,360°扫描所需的时间缩短到了1 s。

1年后,经过大量的试验和临床测试,西门子在市场上推出了世界上第一台螺旋CT扫描机的升级版:SOMATOM Plus-S。

“容积扫描”就是身体某个区域全部的图像,如整个器官成像。

使用螺旋CT,患者体内发生的活动不再是问题。


 SOMATOM Plus-S,1991年


SOMATOM Plus-S拍摄的图像细节清晰,甚至可以用来确定患者的骨骼矿物质含量。

这意味着,这一系统可以与OSTEO CT软件一起使用,来诊断和监控骨质疏松症状的变化。

SOMATOM Plus-S自动定位脊椎骨的轮廓,确定要扫描的断面,然后将结构以清楚易理解的图形呈现出来。

这一过程的关键因素是这种扫描可以准确地重复,以便用于在定期检查中查看疾病的发展变化。


通过螺旋CT确定骨骼矿物质含量,1991年


1990年,一切已经变得非常明朗,未来属于螺旋CT

在1992年秋举行的RSNA年会上,其他主要的CT厂商发布了各自采用滑环和螺旋技术的CT系统。当时,众多专家认为在未来螺旋CT只会用在高端系统上。这一预测后来被证明是错误的。


排的战争


在螺旋CT诞生后的10年,1998年,多层螺旋CT问世了。

当年的北美放射学年会上,四家主流CT生产商(GE,飞利浦,西门子,东芝)展出了4层螺旋CT。

多层螺旋CT的出现被认为是CT技术发展的第二次革命

多层螺旋CT与单层螺旋 CT 和双层螺旋CT相比有较大差别,两者在设计原理和构造上明显不同: 

Z 轴上设有多排探测器结构,拥有多个数据采集通道,图像重建所采用的计算方法也不同,扫描架、探测 器、数据采集系统 、图像重建系统及计算机系统等都有较大的改进 。


左侧为单层螺旋CT,右侧为多层螺旋CT


传统的探测器每转只能扫描一个断面。

在多层技术中,发光二极管分布在不同排的探测器部件上,可以各自独立地处理X线管传输的信号,因而每次旋转可以记录多个断面。

以SOMATOM Volume Zoom为例,每次旋转可以记录4个断面。


SOMATOM Volume Zoom, 1998年


这一多排探测器利用X线输出的效率大幅度提高,可以将相对于患者的纵向图像分辨率提高8倍,同时可以显著缩短身体较大区域的扫描时间。

在“自适应阵列探测器”中,断面非常狭窄,外缘探测器单元更宽。

由于X线准直仪中有多种设定可以选择,因而可以选择每个断面的分辨率在0.5~5.0 mm之间,这样得到的断面就比之前更薄。

多层CT SOMATOM Volume Zoom也是心脏计算机体层扫描史上的重要转折点。

首张正真意义上的冠状动脉CT图像于1999年在德国慕尼黑Klinikum Grosshadern医院诞生。整个过程耗时约40 s,注射了超过160ml的对比剂。


 1999年慕尼黑Klinikum Grosshadern医院冠状动脉图像。


随着技术的不断进步,CT发展进入了一个探测器迅速变宽的时期,平均每18个月,探测器的排数就增加一倍,这段时间被称为“排的战争”。还有学者总结这是CT的“摩尔定律”。


探测器排数每18个月增加一倍,这种趋势在2007年东芝推出320层CT后停止。


但是这种趋势在2007年终止了。

当年东芝在RSNA年会上展出了320层CT Aquilion One,世界上第一台探测器宽度达到了16cm的CT,它由320排0.5mm的探测器单元构成。

宽探测器的CT为临床研究带来了一些崭新的应用,但是随之而来的是严重的锥形线束伪影,由于探测器变宽,而球管的光源还是点光源,导致两侧的图像变形严重,最初的设备需要很多的探测器单元的数据对中心的数据进行校正。后来算法的改进对这些伪影进行了优化,但是之后再没有更宽探测器的CT推出了。


东芝 320层CT Aquilion One,2007年


在这个阶段,还有一种CT不得不提,那就是电子束CT(EBCT)。

电子束CT具有非常高的时间分辨率,因此在解决心脏成像问题上曾一度被认为是非常好的解决方案,但是由于其密度分辨率和空间分辨率不及螺旋CT,而且螺旋CT转速越来越快,优势更加明显,因此电子束CT逐渐被淘汰。



EBCT的构造图


EBCT主要提升了时间分辨率,但是密度分辨率和空间分辨率都不足。

Achenbach S, Ropers D, RegenfusM, et al. Contrast enhanced electron beam computed tomography to analysethe coronary arteries in patients after acute myocardial infarction. Heart, 2000, 84(5):489-93.



超越心跳


就在排的战争愈演愈烈的时刻,西门子的科学家们发现,单纯增加探测器宽度并不能解决心脏成像的问题,因此需要从其他方面进行考虑。

这个时候,1977年的一个“多源CT”的专利进入视野。

多源CT系统由间隔排列的多个球管和多个探测器组成,这样的设计有助于提高时间分辨率。

但是实际上,由于空间限制,探测器越多,每个探测器就越小,会导致每个探测器的扇角越小,而所有探测器扇角的重叠区域才是有效的成像区域,过小的有效成像区域并不具有太大的临床应用价值。

出于提高时间分辨率的考虑,XY轴平面上间隔排列的双源是比较理想的发展方向


Franke多源CT的专利(图片源自网络)


2002年开始研究双源CT项目,当然当时还不叫双源CT,代号是R2D2,意思是两个球管和两个探测器。

巧合的是,这个名字和星球大战里小机器人的名字一样。


2002年11月的一张幻灯记录了双源CT思想的孕育和系统的最终参数。 “R2D2”这个代号,含义是2个X线管,2个探测器( 2 x-Ray tubes & 2 Detectors),与当时热映的《星球大战》电影小机器人名称一样。


双源CT,听上去似乎是个很容易实现的概念:只需要集成第2个射线管,安装第2个探测器,一台双源扫描机就组装完毕了。

但是在现实中,实施这一概念在技术层面对工程设计人员来说是一个巨大的挑战,因为在常规的单源CT系统中,扫描架的结构已经非常紧凑。如果没有紧凑的STRATON X线管,双源CT根本不可能出现,至少在不改变设备结构且不大幅增加扫描机体积的前提下无法实现。但是仅有射线管技术还不足以实现这一技术跨越。

工程设计人员需要对几乎所有的部件进行优化,使之更为紧凑。这包括整个冷却系统以及电子元件在扫描架中的排列方式。开发更加强力和更加高效的部件,仅仅这样一个任务就将占用工程设计人员未来多年的时间。


世界上第一台双源CT:SOMATOM Definition,2005年


经过不懈的努力,2005年RSNA年会上,西门子展出了世界上第一台双源CT,SOMATOM Definition。

第一代双源CT的时间分辨率达到了83ms,首次进入了100ms以内,这意味着,进行心脏CT成像将不需要控制心率。

而两个球管和两个探测器的设计,使另一个CT成像领域——双能量成像成为临床的新选择。

西门子成为唯一一家不再单纯追求更多排数探测器的CT制造商,转而开始全面关注新的双源技术,这一举措被视为颇具风险性。

但是事实很快证明,冒这种风险完全值得:首台SOMATOM Definition安装后几周内,专家纷纷预测每年进行的约60万次导管检查很大一部分将被CT心脏成像所取代。

临床研究也证实了这一技术的优势,特别是在心脏成像方面,而这也正是CT扫描最擅长的地方。

基于此项成功技术和双源技术的经验,西门子于2009年推出新款设备——SOMATOM Definition Flash,该设备再次成为世界上最快的CT扫描机。


SOMATOM Definition Flash,2009年


来自心脏成像的例子生动说明了SOMATOM Definition Flash所带来的巨大进步。

此前,要获得尽量少伪影的心脏细节图像,平均需要的剂量在8~30mSv之间。而实现同样的目的,SOMATOM Definition Flash所需的剂量不足1 mSv。


SOMATOM Session杂志第23期(2008.12)封面,使用创新的前瞻性心电门控螺旋扫描模式(Flash模式)扫描一个心脏,有效辐射剂量仅为0.9mSv。相对于传统扫描模式8-30mSv的辐射剂量显著减低。


该设备之所以如此出众,归功于多种因素,其中包括高端CT扫描机的出色速度。扫描架每0.28s围绕患者旋转1周。

与此同时,患者在扫描机中的运动速度比当前所用的常规系统快2倍。这就是说,一个身高2m的患者,接受从头到脚的扫描所需的时间不超过5s,胸部扫描只需要0.6s,心脏扫描只需要0.25s,即不到心脏跳动一次所需时间的1/2。


SOMATOM Force,2013年


2013年西门子推出了新一代的双源CT系统,SOMATOM Force是当今世界最强大的CT扫描机,简直是在突破目前科技方面的极限。

600多人花了5年的时间研制出了这一系统。这一系统的构造汇集西门子所有的高端部件,并且进一步升级。

1.6T重的扫描架每秒围绕患者旋转4周。这就相当于一辆奔驰E系列轿车以5倍于一架战斗机的速度在一个很小的圆形咖啡桌上做圆周运动。

与此同时,2个Stellar探测器和Vectron球管还需绝对精确地保持在各自的位置上,精确到不止是毫米,而是微米级别。

考虑到检查床的速度,这一速度已经从每秒45cm提高到了每秒73.7cm,这是当前市场上最快的速度,这意味着现在使用这一系统扫描一个成人的整个上半身所用的时间不到1s。

与之前的机型相比,图像分辨率从0.33mm提高到了0.24mm。

在不降低图像质量的情况下,使用SOMATOM Force扫描人体肺部所需的剂量仅为0.1 mSv,大约相当于乘坐从德国飞往阿根廷的航班所接受的自然辐射水平。


路在何方


放射科是一个医院最重要的临床科室之一,同时也是一个设备依赖型科室,新设备,新技术的应用有助于医院整体实力的提升和发展。

目前CT的发展似乎主要有两个方向,一是双源CT,一是宽探测器CT。

不过受限于目前总体技术的发展水平,16cm的探测器还是非常尴尬的宽度,由于受锥形线束伪影的影响,实际成像的有效区域并没有16cm,大部分人体器官并不能一次覆盖,而CT更关心的是密度分辨率和空间分辨率,更宽的探测器并没有显著增加图像质量,相反某些时候图像质量还下降了。

很多厂家在东芝推出16cm探测器CT后,很多国内外的CT厂家也推出或者开始研发16cm探测器的CT。随着探测器的变化,还需要对影像链上一系列设备进行改进和优化,如球管,重建算法等,这必将是一个艰苦而漫长的过程。

可以想象,如果仅仅是跟随,显然市场的同质化竞争会相当激烈,经过一轮厮杀之后,最终会淘汰大部分参与者。


未来CT的技术发展可能集中在光子技术探测器CT以及相位对比CT技术上。

光子计数探测器将实现多能量成像,与现在我们见到的双能量,能谱,光谱成像等有着本质的区别,此外,光子技数探测器还将大幅度提高空间分辨率,获得更高清的图像。


光子技数探测器可以直接将X光衰减转换为电信号,从而获得更清晰的图像。

Willemink MJ,PerssonM,Pourmorteza A, et al. Photon-counting CT: Technical Principles and ClinicalProspects.Radiology 2018 Nov;289(2):293-312.



高空间分辨率多能量光子计数探测器(PCD)提高了分辨率,减少了blooming效应。对于冠脉支架可以获得更清晰的图像。

Symons R, Roosen J, Debruecker Y, et al. Spectral ultra-high resolution coronary stent imaging with photon-counting CT: initial experience [abstr]. In: Radiological Society of North America scientific assembly and annual meeting program. Oak Brook, Ill: Radiological Society of North America, 2017; 101.


除此之外,细分市场可能也是CT发展的一个方向,比如专门用于乳腺检查的乳腺CT,专门用于宠物检查的小孔径CT等等。

人工智能的应用也不可小觑,但是目前人工智能热并非真正的CT发展方向,人工智能应该是辅助医生更标准地采集图像并作出更精准的诊断,减少医生的工作负担,改进报告流程。显然,人工智能还有很漫长的路要走。

检查流程的改进也是应该考虑的一个问题,扫描的速度已经很快的,而之前之后的工作需要更高的效率,人工智能的加入相信可以帮助医生更好地优化检查的流程。

新的后处理技术如Cinematic Rendering将帮助医生更好地跟患者以及临床医生交流。


Cinematic Rendering


如果仔细观察,我们会发现,目前所有的设备都在学习CT,比如X光机可以做三维重建,钼靶可以做断层,DSA有类CT成像,MRI有多层技术。

当所有人都跟你比,学习你的时候,说明你处在领先的水平。

CT要学习的是MRI,努力提高密度分辨率,使用更低的辐射剂量。


如果从豪斯菲尔德的原型机开始算,CT的发展到今年整整半个世纪了,特别是多层螺旋CT诞生以来的20年,CT技术得到了飞速的发展。

相信有大批的科学家共同努力,未来CT可期。

2018年12月31日于上海


封面:1968年CT原型机与SOMATOM Force

最新评论

热点图文
推荐阅读
据麦姆斯咨询报道,自去年9月12日,苹果公司(Apple)发布了最新款...查看全文
九安医疗发布《关于公司结构调整的议案》的公告,公告中称,为适...查看全文
在过去的一年里,随着移动医疗(mHealth)研究和开发的蓬勃发展...查看全文
大脑研究的新里程碑来了!最新出版的Science杂志封面,报道了MIT...查看全文
寒冬还没完全过去,可穿戴设备的春天似乎就快来临了。国际数据公...查看全文
关闭

热点推荐上一条 /6 下一条

返回顶部