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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-06-08 13:34
1979年，諾貝爾評審委員破天荒將諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎頒發(fā)給兩個沒有任何醫(yī)學(xué)背景的人：塔夫斯大學(xué)的教授科馬克(Allan M.Cormack)和英國EMI的工程師亨斯費爾德(Godfrey Newbold Hounsfield），因為他們分別獨立研發(fā)出CT原型機。
當(dāng)時，評選委員會是這樣評價的：自從倫琴1895 年發(fā)現(xiàn) X射線以來，在這個領(lǐng)域里，沒有能與 CT 相比擬的發(fā)明了。
在當(dāng)時這是無比高的贊譽，但今天看來還是低估了其價值。因為這是迄今為止最重要的醫(yī)學(xué)發(fā)明之一，今天所有的影像設(shè)備都在學(xué)習(xí)CT的斷層成像理念。比如，DR可以做三維重建，乳腺X射線可以做斷層DBT，DSA有類CT成像，MRI也有多層技術(shù)。
01新芽：CT誕生
1895年11月8日晚，德國物理學(xué)家威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)了一種新型射線：X射線，并拍下了那張著名的照片。當(dāng)他用感光板為妻子的手掌造影后，很快就意識到能將X射線用在醫(yī)療上。時至今日，X線攝影成為了這個星球上最常見的X射線類診斷設(shè)備，普遍用于在胸部、腹部、頭顱、四肢等領(lǐng)域。
雖然X光攝影很受歡迎，但我們知道，傳統(tǒng)的X線攝影屬于平片，三維的人體會被壓縮成二維圖像，導(dǎo)致骨骼和組織重疊在一起。雖然圖像空間分辨率很高，但密度分辨率很低，很多時候醫(yī)生根本無法區(qū)分病灶。鑒于其局限性，科學(xué)家們開始研究斷層成像。
計算機斷層成像最早能追溯到1917年，奧地利數(shù)學(xué)家拉東(Johann Radon)，從數(shù)學(xué)上證明了可以從無窮大的投影集中重建一個函數(shù)。這就是著名的拉東變換(Radon Transform)，如今被廣泛應(yīng)用于斷層成像，并衍生出一系列迭代重建算法。
1940，匈牙利科學(xué)家弗蘭克(Gabriel Frank)，在一項專利中描述了正弦圖、光學(xué)反投影重建等很多如今CT還沿用的理念，奠定了現(xiàn)代斷層成像的基本思想。
現(xiàn)代CT第一項具有實際意義的研究是來自于科馬克，1956年底他推導(dǎo)了圖像重建理論，解釋了通過測量各角度X射線的強弱衰減來重建人體內(nèi)部組織細(xì)節(jié)的方法，并使用鋁-塑料模體初步驗證，其成果分別于1963和1964年發(fā)表，但直到亨斯費爾德的CT引起轟動，大家才注意到他的論文。
1967年，英國EMI工程師亨斯費爾德開始了CT研究，他也得到了通過穿過人體不同方向的X射線可以重建人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)論，并于同年成功研制出第一臺用于實驗室掃描的原型機，把測量精度提高了史無前例的0.5%，比當(dāng)時二維成像精度提高了100多倍。
1971年，第一臺CT正式誕生，僅能掃描人腦，120kV掃描時最大管電流僅為32mA，掃描1層圖像需要4.5分鐘，并耗時2.5小時重建，其顯示矩陣僅為80x80。
1971年11月4日，第一張CT圖像誕生，這一位腦腫瘤患者的腦部圖像，雖然圖像非常“馬賽克”，但依然能準(zhǔn)確看到腫瘤病灶，足以讓醫(yī)學(xué)界震驚，這讓人們更多的記住了亨斯費爾德，還以其名字作為CT值單位。
1971年可以被稱為CT元年，從此CT的發(fā)展與日俱增。今年CT已經(jīng)52歲，不過，她美人依舊。
02搖曳：戰(zhàn)國時代
1972年4月，在英國放射學(xué)年會上，豪斯菲爾德發(fā)布了其CT，震驚了世界，迅速引發(fā)了“CT熱”，很多企業(yè)也加入到CT開發(fā)行列，那是一段百花齊放的時代，但很快就經(jīng)歷了行業(yè)洗牌。
1）作為CT的發(fā)明者，EMI由于經(jīng)營不善。GE于1978年并購其CT部門，整合資源并成為CT行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者之一。
2）80年代最輝煌的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備企業(yè)當(dāng)屬愛爾森(Elscint)，不僅是以色列最優(yōu)秀的高科技公司，同樣也是當(dāng)時全球醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。
1996年，愛爾森發(fā)明了世界上第一臺雙排CT：Twin，機架每次旋轉(zhuǎn)時能獲取兩幅圖像。于是，愛爾森希望更上一層樓，開發(fā)出4排CT系統(tǒng)，但這需要全新的機架設(shè)計。為爭取時間，愛爾森和西門子進行技術(shù)互換，將多層探測器設(shè)計賣給西門子，以換取其機架和掃描床技術(shù)。
愛爾森在CT和核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一直發(fā)展很好，但進入磁共振領(lǐng)域的決策讓其損失慘重。1998年，GE以1億美元收購其核醫(yī)學(xué)和磁共振成像部門，而皮克以2.75億美元收購其位于以色列海法的CT部門。
據(jù)估計，收購愛爾森給皮克帶來20%的全球CT市場份額。收購愛爾森之后，皮克還接管了愛爾森和西門子之間的CT合作業(yè)務(wù)?，F(xiàn)在GPS之間的知識產(chǎn)權(quán)分享政策，可能與那時候的資源整合有關(guān)。
3）最后是皮克，這是一家美國公司，從1915年成立時就一直做X線類設(shè)備。1967年收購了專門制造X射線管的當(dāng)立，即如今的全球兩大CT球管制造商之一。皮克在收購愛爾森的CT業(yè)務(wù)后更名為馬可尼醫(yī)療。
2001年，飛利浦以11億美元收購了馬可尼，將其CT和磁共振業(yè)務(wù)納入旗下，成為兩個頂尖CT企業(yè)的最大受益者。同年，飛利浦就推出了大名鼎鼎的Briliance16，這臺機器很多醫(yī)院到現(xiàn)在都在用。
相較于GE和飛利浦，西門子和東芝一直是自己獨立發(fā)展，直到2018年佳能收購東芝醫(yī)療。經(jīng)過近20年資源整合，形成了全球4巨頭的局面，迄今為止所有的先進CT技術(shù)都與這4家巨頭有關(guān)。
03茁壯：5次飛躍
在CT誕生的前10年里，先后出現(xiàn)了5代CT，但由于技術(shù)商業(yè)的博弈，僅有第3代CT，即我們今天熟悉的CT，沿用至今。不敢說會一直這樣，但是只要CT還需要旋轉(zhuǎn)，這個應(yīng)該就是最優(yōu)的解決方案。
在第3代CT出現(xiàn)后的10年里，CT設(shè)備仍然處在最初設(shè)計的階段，基本技術(shù)沒有任何變化，直到滑環(huán)技術(shù)的出現(xiàn)。
1985年，佳能采用滑環(huán)技術(shù)替代電纜，推出全球首款滑環(huán)CT，解決了機架旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分的饋電和信號傳遞問題，不僅能實現(xiàn)連續(xù)掃描,還使CT變得結(jié)構(gòu)更緊湊。
滑環(huán)的出現(xiàn)是CT技術(shù)的一次重大革命，因為不僅可以使CT高速旋轉(zhuǎn)、機械磨損更少、運行也更加安靜，更重要的是滑環(huán)技術(shù)的出現(xiàn)為螺旋CT的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)，從此CT真正開始飛躍。
01第1次飛躍:螺旋CT
1989年，西門子采用滑環(huán)和連續(xù)進床技術(shù)，推出世界第一臺螺旋CT：SOMATOM Plus，幾乎在同時佳能也推出了螺旋 CT，隨后其他廠家也跟進了這樣技術(shù)。
螺旋CT能讓患者在恒定速度平移的同時，可以連續(xù)不斷的獲取X射線投影數(shù)據(jù)，將其360°掃描所需時間大幅縮短至1 s。雖然當(dāng)時有人將螺旋CT稱為“產(chǎn)生CT偽影的方法”，但螺旋CT掃描時不用擔(dān)心患者體內(nèi)發(fā)生活動，能更容易實現(xiàn)容積掃描。
因此，螺旋CT被譽為是CT技術(shù)的第一次飛躍。
其實之前的每次CT技術(shù)進步在當(dāng)時都是革命性的，但螺旋CT之所以被普遍認(rèn)為第一次飛躍，是因為今天的我們站在上帝視角，橫跨50年重新審視了這些技術(shù)革命。
02第2次飛躍:多排CT
1998年， GE、飛利浦、西門子、佳能在北美放射學(xué)會(RSNA)上同時發(fā)布4排螺旋CT，標(biāo)志其正式問世。多排螺旋CT創(chuàng)造性地在Z軸上設(shè)置多排探測器，使機架旋轉(zhuǎn)一周能獲得多幅斷層圖像，大幅提高了CT的掃描速度和圖像縱向分辨率。
多排螺旋CT是CT技術(shù)的第二次飛躍，奠定了現(xiàn)代CT的設(shè)計架構(gòu)，從此CT開始“拼探測器”。
很多影像人，也包括筆者給學(xué)生上課時，特別愛以面包作比喻。DR圖像類似把拍面包壓扁了看，而CT圖像更像切成一片一片的吐司。從4排螺旋CT開始，CT基本實現(xiàn)了“面包自由”。
03第2.5次飛躍:16排CT
在經(jīng)歷了4排、6排CT之后，2001年，西門子發(fā)布世界第一臺16排螺旋CT，正式進入了16排時代，這是CT技術(shù)的第二次半飛躍。
16排CT的Z軸分辨率普遍小于0.75mm，不僅可實現(xiàn)1mm的薄層掃描，更重要的是實現(xiàn)了“各向同性”體素采集，使多平面重建時的圖像質(zhì)量保持一致，有利于觀察微小病變和結(jié)構(gòu)。
我們對CT的認(rèn)知可能都始于16排CT，如今看來的確屬于入門級。但，“低端”并不意味著落后，完全滿足常規(guī)臨床需求。且不說基層醫(yī)院，很多三甲醫(yī)院也還有16排檔CT。比如，2021年我國一共配置了7000臺CT，其中16排檔CT占5000臺，仍然是我國最主流的。
04第3次飛躍:64排CT
2004年，GE在RSNA上推出全球首臺64排螺旋CT(容積CT)：LightSpeed VCT，實現(xiàn)1秒單器官/5秒心臟/10秒全身，這是CT技術(shù)的第三次飛躍。
與16排CT相比，64排CT除進一步減少掃描時間、提高圖像分辨率以外，更是開創(chuàng)容積數(shù)據(jù)成像時代，可將CT掃描圖像進行任意層面無間隔重建，能更真實地反映出解剖結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化。
64排CT實現(xiàn)低心率心臟檢查(來自互聯(lián)網(wǎng))
在筆者看來，64排CT進可攻退可守，上能做血管、下能干平掃，滿足99%以上的臨床需求，速度又快，是比較“完美”的CT。
05第4次飛躍:心臟CT
因為心臟是不停跳動的，檢查越快，引起的運動偽影就自然影越小。需要說明的是，64排CT做心臟檢查，在低心率下也有不錯的表現(xiàn)。
比如，0.5s轉(zhuǎn)速的CT，患者心率最好不要超過75；0.35s轉(zhuǎn)速的CT，患者心率最好別不超過90，這其實能滿足大部分場景，再次說明64排CT是比較完美的。
但遇到更為復(fù)雜的心臟狀態(tài)時，還是需要更好的CT。我們通常認(rèn)為，理想的心臟CT應(yīng)該滿足以下4點：
1）更高的空間分辨率，有利于更好評估鈣化積分和支架檢查；
2）更高的時間分辨率，有利于滿足高心率和心律不齊的患者檢查；
3）更大的Z軸覆蓋范圍，有利于滿足心律不齊患者和心臟搭橋患者檢查；
4）更高的輸出功率，有利于滿足肥胖患者檢查。
理想心臟CT關(guān)鍵點(來自互聯(lián)網(wǎng))
從這里，CT發(fā)展開始“分道揚鑣”。目前有兩種解決方案：西門子的雙源CT和其他廠家的寬體CT。
2005年，基于小體積的“0兆球管”，西門子在機架內(nèi)整合兩套“球管探測器”，以約90°的角度偏移，推出第1臺雙源CT：SOMATOM Definition，其時間分辨率首次進入100ms，意味著心臟成像不再需要嚴(yán)格控制心率。
到今天，已經(jīng)迭代出第3代雙源CT，無論技術(shù)和功能均已非常成熟。筆者認(rèn)為這是上天送給西門子的禮物，因為過于天才。
雙源和寬體基本實現(xiàn)“心臟自由”(來自互聯(lián)網(wǎng))
我們知道，通常心臟尺寸一般是長12厘米、寬9厘米。寬體CT的方案就是讓探測器足夠?qū)挼桨≌麄€心臟，很直接也符合邏輯。
2007年，佳能在RSNA上推出世界第1臺320排寬體CT：Aquilion One，16cm覆蓋，實現(xiàn)單圈全心臟覆蓋。2013年，推出第3代寬體CT VISION，不僅解決了初代代寬體CT錐形線束偽影的問題，也讓高心率、心律不齊成為“過去時”。同年，GE也推出了寬體CT：Revolution；隨后，聯(lián)影、東軟、明峰也推出后16cm寬體超高端CT。
可能有人會好奇，雙源和寬體誰更好，答：都很好。二者對心率在110以下甚至130以下的患者，基本能做到從容應(yīng)對，但面對嚴(yán)重心率不齊也都有一些壓力。
雙源和寬體是CT技術(shù)的第四次飛躍，并一定程度上實現(xiàn)了“殊途同歸”。技術(shù)創(chuàng)新的目的，終究是為了更好的服務(wù)于臨床。
06第5次飛躍:能量CT
我們知道，CT掃描獲得的是關(guān)于組織密度的差異圖像，對于物質(zhì)密度相近的組織無法區(qū)分，導(dǎo)致難于發(fā)現(xiàn)微小病灶和隱匿性病灶，尤其是腫瘤學(xué)檢查。
能量CT的出現(xiàn)解決了上述問題，突破傳統(tǒng)CT的等密度病灶局限，形成直接反映病灶組織成分的圖像，能夠帶來更豐富、精準(zhǔn)、定量的多參數(shù)成像信息。
關(guān)于CT能量成像的研究，最早可追溯到1973年Hounsfield的“雙能實驗”。近年來，隨著球管、高壓發(fā)生器、探測器等技術(shù)的高速發(fā)展，能量CT才真正落地。
2008年，GE在北美放射年會發(fā)布具有單源瞬時kVp切換功能的寶石CT，開啟CT能譜成像時代。隨后，所有整機廠家也均將賽道轉(zhuǎn)向了能量CT。
關(guān)于CT能量成像的實現(xiàn)方式，目前主要包括以下4種技術(shù)(請參考：一文讀懂頂級CT們的能譜成像方式)：
四種主流能量CT實現(xiàn)邏輯(來自互聯(lián)網(wǎng))
1）雙層探測器光譜CT，飛利浦獨家技術(shù)。探測器采用雙層探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別接收高/低能量X線光子，實現(xiàn)了對同一束X射線的不同能量分離。
2）雙源雙能量CT，西門子獨家技術(shù)，兩套X線系統(tǒng)同時在患者相同解剖水平獲取掃描數(shù)據(jù)，使用80kVp和140kVp來達到最大能量分離。
3）單源瞬時管電壓切換雙能量CT，GE和佳能具備該技術(shù)。以高壓發(fā)生器瞬時管電壓切換技術(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)的能譜成像，能產(chǎn)生時空上幾乎完全匹配的雙能數(shù)據(jù)。
4）單源序列掃描雙能量CT，其他整機廠商選擇的技術(shù)。利用寬體探測器的優(yōu)勢，采用不同管電壓連續(xù)掃描兩次，或在一次螺旋掃描中每圈切換一次電(140kVp/80kVp)，兩次成像數(shù)據(jù)在圖像數(shù)據(jù)空間匹配，進行雙能減影。
能量CT精確評價支架內(nèi)再狹窄(來自互聯(lián)網(wǎng))
雖然上述方法在技術(shù)實現(xiàn)上存在巨大差異，但基本都成功地獲得了雙能后處理應(yīng)用所需的成對高/低能x射線吸收數(shù)據(jù)。
鑒于能量CT對腫瘤早發(fā)現(xiàn)、冠心病、大血管造影等疾病精準(zhǔn)診斷方面具有獨特價值，已經(jīng)被業(yè)界專家廣泛認(rèn)可，并成為臨床指南中的推薦掃描方式。
04綻放：未來趨勢
從臨床問題出發(fā)，解決臨床問題，是CT創(chuàng)新的出發(fā)點和落腳點。
關(guān)于CT的未來，顯然應(yīng)朝著更高效的檢查、更標(biāo)準(zhǔn)的圖像、更高清的圖像、更低的輻射、更強大的功能等方向繼續(xù)前進。
因此，目前行業(yè)公認(rèn)技術(shù)趨勢包括人工智能CT、超高分辨率CT、光子計數(shù)CT及相位對比CT。
01人工智能CT(AI-CT)
目前，人工智能已經(jīng)深入醫(yī)學(xué)影像的方方面面，并愈發(fā)蓬勃。以后大概率所有CT都會搭載以下技術(shù)：
1）在掃描方面，智能定位擺位和智能掃描協(xié)議，不僅大幅提高掃描效率，還能提供個標(biāo)準(zhǔn)化圖像，為臨床多中心科研合作提供標(biāo)準(zhǔn)影像保證；
2）在重建方面，基于深度學(xué)習(xí)的人工智能重建算法，能在不增加輻射劑量的情況下獲得更高圖像質(zhì)量；
3）在輔助診斷方面，集成在掃描協(xié)議中的AI還有比較大的進步空間，但在醫(yī)學(xué)圖像輔助診斷方面已取得非常不錯的成績，比如肺結(jié)節(jié)、心血管、骨齡、FFRct等領(lǐng)域。
需要說明的是，人工智能CT的未來一定是落腳于CT，這就是平臺的價值。
人工智能CT應(yīng)用領(lǐng)域(原創(chuàng))
02超高分辨率CT(UHR-CT)
我們知道，與DR或MRI相比，CT圖像不夠清楚，也就是空間分辨率比較低。常規(guī)DR的空間分辨率早已在100µm級別，但CT仍徘徊在0.25-0.5mm的空間分辨率。
這對于常規(guī)檢查基本夠用，但對于心血管檢查來說，某些小斑塊的尺寸從幾十到幾百微米不等，處于或低于當(dāng)前CT的空間分辨率極限，因此超高分辨率CT是非常必要的。
2019年，佳能發(fā)布全球首臺超高分辨率CT：Precision，這是迄今唯一一臺可用于臨床的超高分辨率CT，其空間分辨率高達150μm，是傳統(tǒng)CT的兩倍，使醫(yī)生能夠看到更多的影像細(xì)節(jié)，尤其是對心臟成像有很大意義，明顯改善了嚴(yán)重鈣化動脈、心臟瓣膜和支架的成像。
超高分辨率CT的高清成像(來自互聯(lián)網(wǎng))
03光子計數(shù)CT(Photon Counting CT)
2021年，西門子光子技術(shù)CT：NAEOTOM Alpha獲得FDA批準(zhǔn)，并被盛贊：代表了自2008年能譜成像CT誕生至今的十多年來CT成像領(lǐng)域的首次重大技術(shù)突破。
今天，我們突然發(fā)現(xiàn)光子計數(shù)CT來到我們身邊，實際上西門子、佳能、GE、飛利浦等整機廠商早已經(jīng)布局好多年。
光子計數(shù)CT基于半導(dǎo)體材料，其原理是基于預(yù)設(shè)閾值的脈沖數(shù)計數(shù)，每個X射線光子到達探測器后都會產(chǎn)生一個脈沖信號，其強度與光子能量成正比，比如40、70、100KeV。當(dāng)強度信大于預(yù)設(shè)閾值才進行計數(shù)，低于閾值的不處理，可以消除暗電流導(dǎo)致的假計數(shù)，實現(xiàn)零噪聲。
基于預(yù)設(shè)閾值的脈沖計數(shù)實現(xiàn)邏輯(來自互聯(lián)網(wǎng))
與能量積分CT相比，光子技術(shù)CT具有低劑量、高分辨率、多能量等優(yōu)點：
1）因其具有較高的原子序數(shù)、較大的X射線吸收系數(shù)，只需要毫米級厚度就能基本完全吸收百伏千伏級的X射線，可以實現(xiàn)更低劑量成像，且沒有任何的延遲或殘影；
2）因不需要通過閃爍體將X線轉(zhuǎn)換成可見光，沒有光橫向擴散影響；由于不擔(dān)心串?dāng)_光子計數(shù)探測器的像素單元可以做到更小，可以實現(xiàn)更高空間分辨率成像；
3）之所以能實現(xiàn)多能量成像是因為其獨特的能量箱理念引入獨特的能量箱理念。比如常規(guī)CT是混合能量，相當(dāng)于1個能量箱；能譜CT是通過高低KV的方式模擬2個能量箱；而光子計數(shù)CT能實現(xiàn)4-8個能量箱。
從能量級角度來說，不同能量(如40、70、100KeV)X射線光子被定義為不同能級，將X射線光譜分割出4-8個能量箱，然后通過重建得到多物質(zhì)圖譜，用不同顏色標(biāo)記不同物質(zhì)(如水、鈣、碘、釓等)，最終得到彩色的多能量CT圖像。
能量積分、雙源、雙層、光子計數(shù)CT對比(來自互聯(lián)網(wǎng))
雖然光子計數(shù)CT是公認(rèn)的下一代CT技術(shù)，但并非沒有隱憂，在高能物理和空天探測的應(yīng)用已經(jīng)表明，光子計數(shù)探測器的輻射損傷比較明顯，不過CT用的X射線光子能量并不算高。
考慮探測器是CT最昂貴的部件，約占總成本1/3之一左右，希望廠家能研發(fā)出能使用8-10年的光子計數(shù)探測器。
04相位對比CT(Phase-Contrast CT)
目前的CT成像，是基于X射線光子的衰減理論，通常使用靜脈注射的碘造影劑來增強軟組織之間衰減的微小差異，從而獲得高對比分辨率。
其實，除了衰減理論，還有一種對比機制是利用折射、相移或超小角度散射的X射線特性，這在軟組織對比方面，比基于衰減的CT有較大的理論優(yōu)勢。
相位對比CT就是利用X射線折射特性，來提高空間和軟組織對比度，在乳腺癌、肺癌以及肺實質(zhì)疾病、心血管疾病等中會有較大的應(yīng)用價值。
傳統(tǒng)CT和相位對比CT的乳腺成像對比(來自互聯(lián)網(wǎng))
比如，上圖是相位對比CT的乳腺斷層成像。我們可以清晰看到，與傳統(tǒng)CT相比，相位對比CT能在將空間分辨率提高3倍的情況下，還將輻射劑量降低了25倍，非常驚人。
目前，相位對比CT基本處于原型機研究階段，不做過多介紹。
作為最重要的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，CT已風(fēng)雨兼程半世紀(jì)，早已從當(dāng)初的小樹苗成長參天巨樹。她的明天，比昨天更美好，比今天更燦爛。。。
來源：醫(yī)工研習(xí)社
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