原题目:1968—2018 回溯CT成长的半个世纪 1979年,产生了一件“希奇”的事。 皇家卡罗林外科医学研讨院诺贝尔奖评审委员会决议将昔时的诺贝尔心理学或医学奖颁布给两个没有任何医学布景的人: 塔夫斯年夜学的科马克(Allan M.Cormack) 英国电器与乐器产业有限公司(EMI)的工程师豪斯费尔德 (Godfrey Newbold Hounsfield) 两人不仅互不了解,并且都没有博士学位,据说那时诺贝尔奖金评断会的54名评断员颠覆了提拔委员会提出的人选,这在那时引起了极年夜的颤动,在场等待的记者甚至都没有拿到两位获奖人的英文版先容。 科马克和豪斯菲尔德(图片源自诺贝尔奖官方网站) 毕竟什么样的成绩让诺贝尔医学奖项颁布给两个没有医学布景的人呢?颁奖词写得明白,表扬他们为成长CAT做出的进献。 诺贝尔奖颁奖词(图片源自诺贝尔奖官方网站) 假如你是业内助士,应当知道了,这个被称作CAT的装备,就是我们在病院里应用最为普遍的盘算机断层扫描仪(Computer Tomography),简称CT。 CT的发现被以为是伦琴发明X光以来医学影像范畴最巨大的发现。 最初的幻想 自从伦琴发明X射线以来,技巧的不竭提高催生了一系列新的利用,但对于很多疾病,惯例X线图像并不克不及供给确定的扫描成果,由于终极获得的是所有照耀身材构造的重叠影像。所以大夫们很快有了一个新的幻想——假如可以或许获得没有构造叠加的断层图像那就完善了。 传统的体层扫描机出生于20世纪30年月初,天生了第一批没有呈现叠加的人体切面图像。 例如,Siemens-Introskop的工作道理如下: X线胶片和射线管缭绕待扫描人体部门移动。在扭转中间,射线聚焦并发生清楚的人体构造照片,但这个区域之外的图像是含混的。 获得1979年诺贝尔心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年结业于开普敦年夜学。 年夜约在1957年,科马克发现了一种盘算X线在人体内的辐射特征的方式,为CT的发现奠基了理论基本,可是因为经费严重,科马克没能制作本身的原型机。 之后科马克移平易近美国,成为图菲斯年夜学的物理学传授,并在1963年制作了CT原型机。 1966年科马克参加美国国籍。 豪斯菲尔德1919年诞生于英国的科学之城诺丁汉郡,1951年进EMI公司。 在不知道科马克研讨结果的情形下,1961年研讨盘算机处置断层图像的技巧,1967年发生了盘算机断层成像的设法,并在1968年获得专利。 假如从豪斯菲尔德获得专利算起,CT汗青到本年正好五十年。 随后豪斯菲尔德对原型机进行精益求精。 终于在1971年,豪斯菲尔德制作了一台用于扫描人脑的CT机。 那时辰,CT机还被称为EMI扫描机。 为了避免贸易秘密泄漏,在伦敦郊区的一家小病院进行了测试。 1971年10月1日,人类汗青上第一位接收CT扫描的是一位41岁的女性患者,患有脑部肿瘤。 假如放在此刻看,如许的图像很是糟糕,但在那时,可以或许区分灰白质已经是科学家求之不得的事了。 是以在那时它发生的图像令医学界很是震动;更让人震动的事它竟然起源于EMI唱片公司(就是这家百代唱片公司)。 1972年4月,在英国放射学年会上,豪斯菲尔德宣布了他的研讨结果,震动了世界,敏捷激发了“CT热”,跨越15家公司参加了EMI开辟CT扫描机的工作。 西门子在1974年研制胜利了第一台CT扫描仪,SIRETOM,这台CT扫描一次可以重建两幅图像,矩阵也从80×80进步到128×128。 乔治城年夜学的Robert Ledley传授在1974年研制了可以用于全身扫描的CT装备:ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) 。 后来技巧卖给了辉瑞公司,全身CT的扫描质量有了显明的晋升,矩阵到达了256×256。 在之后的漫长岁月里,CT获得了快速的成长,硬件不竭变更,越来越多的CT装备推向市场。 西门子在1977年宣布了本身的第一台全身CT:SOMATOM。 SOMA是拉丁文body身材的意思,TOM则是Computed Tomography里断层的意思,是以SOMATOM的寄义就是全身断层。 差未几就是全身CT的意思。 1979年,新款SOMATOM装备优化了探测器体系,空间辨别率晋升了2倍。 同时应用心脏CT配件,装备初次可以对跳动的心脏成像。这是经由过程一种被称为心电“触发”实现的: 心电图丈量心脏功效,使SOMATOM 2与患者的心跳同步。 然后,装备在心脏搏动的特按时间点发出 X线脉冲,在心脏舒张期进行数据采集。 如许使得CT图像在很年夜水平上免受心脏运动的干扰。 第一幅“冠脉”CT图像,扫描时打针30ml对照剂,延迟之后扫描一层,再打针对照剂再延迟,扫描… Guthaneret al. AJR 1979 (American Roentgen RaySociety) 直到1987年,20多年的时光里,CT装备仍然处在最初设计的阶段,基础技巧没有任何变更,仍然等候着第一次CT技巧的革命。 “将来属于螺旋CT” 20世纪80年月中期,CT扫描那时已经成长到了一个经由过程现有技巧无法再有重年夜改良的阶段。 1987年底,呈现了滑环技巧。 在此之前,扫描架经由过程电线接受电力,此刻电力则经由过程滑环进行传输。全部丈量体系在新开辟的专为连续高速扭转而设计的轴承上运行。 除了体系速度更高外,这一技巧的长处是装备运行加倍宁静,同时与之前启动-结束的运行方法比拟,机械磨损更少。 滑环技巧的呈现为螺旋CT的出生奠基了坚实的基本。 第一台螺旋CT,SOMATOM Plus采集体系,1988年 螺旋CT(Spiral CT)最初提出时听上往很是不成思议。 由于那时CT要做的就是要让病人停下来,然后扫描,而且在扫描进程中尽量避免活动。 而螺旋扫描的基础概念刚好是要在扫描进程中不竭移动检讨床带动患者移动,X线以螺旋方法扫描患者身材。 批驳人士甚至将螺旋CT称为“发生CT伪影的方式”。 这里我们要提到一位德国物理学家Willie A. Kalender,螺旋CT的发现人。 Willie A. Kalender传授1949年生于德国,1975年结业于威斯康星年夜学。 1976年-1995年参加西门子,在发现螺旋CT之前,1983年开辟了世界上第一个双能量CT(dual energy CT)产物,1987年开辟了金属伪影打消技巧(metal artefact reduction,MAR)。 1988年Kalender传授引导的团队开端研讨螺旋CT,他们采取数学方式来解决活动伪影题目,将庞杂的算法增添到重建图像的软件中,以便将检讨床的活动身分纳进丈量盘算。 其他的部件年夜致与传统的体系类似,可是须要进行改良以顺应螺旋CT的具体请求,在体系中对工艺进行把持更为庞杂。 同年末,Kalender率领的团队胜利研制出首台螺旋CT原型机。 SOMATOM Plus是世界上第一台螺旋CT, 也是那时最快的CT体系,360°扫描所需的时光缩短到了1 s。 1年后,颠末大批的实验和临床测试,西门子在市场上推出了世界上第一台螺旋CT扫描机的进级版:SOMATOM Plus-S。 “容积扫描”就是身材某个区域全体的图像,如全部器官成像。 应用螺旋CT,患者体内产生的运动不再是题目。 SOMATOM Plus-S拍摄的图像细节清楚,甚至可以用来断定患者的骨骼矿物资含量。 这意味着,这一体系可以与OSTEO CT软件一路应用,来诊断和监控骨质松散症状的变更。 SOMATOM Plus-S主动定位脊椎骨的轮廓,断定要扫描的断面,然后将构造以明白易懂得的图形浮现出来。 这一进程的要害身分是这种扫描可以正确地反复,以便用于在按期检讨中查看疾病的成长变更。 经由过程螺旋CT断定骨骼矿物资含量,1991年 1990年,一切已经变得很是开阔爽朗,将来属于螺旋CT。 在1992年秋举办的RSNA年会上,其他重要的CT厂商宣布了各自采取滑环和螺旋技巧的CT体系。那时,浩繁专家以为在将来螺旋CT只会用在高端体系上。这一猜测后来被证实是过错的。 排的战斗 在螺旋CT出生后的10年,1998年,多层螺旋CT问世了。 昔时的北美放射学年会上,四家主流CT出产商(GE,飞利浦,西门子,东芝)展出了4层螺旋CT。 多层螺旋CT的呈现被以为是CT技巧成长的第二次革命。 多层螺旋CT与单层螺旋 CT 和双层螺旋CT比拟有较年夜差异,两者在设计道理和结构上显明分歧: Z 轴上设有多排探测器构造,拥有多个数据采集通道,图像重建所采取的盘算方式也分歧,扫描架、探测 器、数据采集体系 、图像重建体系及盘算机体系等都有较年夜的改良 。 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。 在多层技巧中,发光二极管散布在分歧排的探测器部件上,可以各自自力地处置X线管传输的旌旗灯号,因而每次扭转可以记载多个断面。 以SOMATOM Volume Zoom为例,每次扭转可以记载4个断面。 这一多排探测器应用X线输出的效力年夜幅度进步,可以将相对于患者的纵向图像辨别率进步8倍,同时可以明显缩短身材较年夜区域的扫描时光。 在“自顺应阵列探测器”中,断面很是狭小,外缘探测器单位更宽。 因为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辨别率在0.5~5.0 mm之间,如许获得的断面就比之前更薄。 多层CT SOMATOM Volume Zoom也是心脏盘算机体层扫描史上的主要转折点。 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病院出生。全部进程耗时约40 s,打针了跨越160ml的对照剂。 1999年慕尼黑Klinikum Grosshadern病院冠状动脉图像。 跟着技巧的不竭提高,CT成长进进了一个探测器敏捷变宽的时代,均匀每18个月,探测器的排数就增添一倍,这段时光被称为“排的战斗”。还有学者总结这是CT的“摩尔定律”。 探测器排数每18个月增添一倍,这种趋向在2007年东芝推出320层CT后结束。 可是这种趋向在2007年关止了。 昔时东芝在RSNA年会上展出了320层CT Aquilion One,世界上第一台探测器宽度到达了16cm的CT,它由320排0.5mm的探测器单位组成。 宽探测器的CT为临床研讨带来了一些极新的利用,可是随之而来的是严重的锥形线束伪影,因为探测器变宽,而球管的光源仍是点光源,导致两侧的图像变形严重,最初的装备须要良多的探测器单位的数据对中间的数据进行校订。后来算法的改良对这些伪影进行了优化,可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具有很是高的时光辨别率,是以在解决心脏成像题目上曾一度被以为长短常好的解决计划,可是因为其密度辨别率和空间辨别率不及螺旋CT,并且螺旋CT转速越来越快,上风加倍显明,是以电子束CT逐渐被裁减。 EBCT的结构图 EBCT重要晋升了时光辨别率,可是密度辨别率和空间辨别率都不足。 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. 超出心跳 就在排的战斗愈演愈烈的时刻,西门子的科学家们发明,纯真增添探测器宽度并不克不及解决心脏成像的题目,是以须要从其他方面进行斟酌。 这个时辰,1977年的一个“多源CT”的专利进进视野。 多源CT体系由距离摆列的多个球管和多个探测器构成,如许的设计有助于进步时光辨别率。 可是现实上,因为空间限制,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用的成像区域,过小的有用成像区域并不具有太年夜的临床利用价值。 出于进步时光辨别率的斟酌,XY轴平面上距离摆列的双源是比拟幻想的成长标的目的。 2002年开端研讨双源CT项目,当然那时还不叫双源CT,代号是R2D2,意思是两个球管和两个探测器。 偶合的是,这个名字和星球年夜战里小机械人的名字一样。 2002年11月的一张幻灯记载了双源CT思惟的孕育和体系的终极参数。 “R2D2”这个代号,寄义是2个X线管,2个探测器( 2 x-Ray tubes 2 Detectors),与那时热映的《星球年夜战》片子小机械人名称一样。 双源CT,听上往似乎是个很轻易实现的概念:只须要集成第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。 可是在实际中,实行这一概念在技巧层面临工程设计职员来说是一个宏大的挑衅,由于在惯例的单源CT体系中,扫描架的构造已经很是紧凑。假如没有紧凑的STRATON X线管,双源CT基本不成能呈现,至少在不转变装备构造且不年夜幅增添扫描机体积的条件下无法实现。可是仅有射线管技巧还不足以实现这一技巧跨越。 工程设计职员须要对几乎所有的部件进行优化,使之更为紧凑。这包含全部冷却体系以及电子元件在扫描架中的摆列方法。开辟加倍强力和加倍高效的部件,仅仅如许一个义务就将占用工程设计职员将来多年的时光。 颠末不懈的尽力,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的时光辨别率到达了83ms,初次进进了100ms以内,这意味着,进行心脏CT成像将不须要把持心率。 而两个球管和两个探测器的设计,使另一个CT成像范畴——双能量成像成为临床的新选择。 西门子成为独一一家不再纯真寻求更多排数探测器的CT制作商,转而开端周全存眷新的双源技巧,这一举动被视为颇具风险性。 可是事实很快证实,冒这种风险完整值得:首台SOMATOM Definition安装后几周内,专家纷纭猜测每年进行的约60万次导管检讨很年夜一部门将被CT心脏成像所代替。 临床研讨也证实了这一技巧的上风,特殊是在心脏成像方面,而这也恰是CT扫描最善于的处所。 基于此项胜利技巧和双源技巧的经验,西门子于2009年推出新款装备——SOMATOM Definition Flash,该装备再次成为世界上最快的CT扫描机。 来自心脏成像的例子活泼阐明了SOMATOM Definition Flash所带来的宏大提高。 此前,要获得尽量少伪影的心脏细节图像,均匀须要的剂量在8~30mSv之间。而实现同样的目标,SOMATOM Definition Flash所需的剂量不足1 mSv。 SOMATOM Session杂志第23期(2008.12)封面,应用立异的前瞻性心电门控螺旋扫描模式(Flash模式)扫描一个心脏,有用辐射剂量仅为0.9mSv。相对于传统扫描模式8-30mSv的辐射剂量明显减低。 该装备之所以如斯出众,回功于多种身分,此中包含高端CT扫描机的杰出速度。扫描架每0.28s缭绕患者扭转1周。 与此同时,患者在扫描机中的活动速度比当前所用的惯例体系快2倍。这就是说,一个身高2m的患者,接收从头到脚的扫描所需的时光不跨越5s,胸部扫描只须要0.6s,心脏扫描只须要0.25s,即不到心脏跳动一次所需时光的1/2。 2013年西门子推出了新一代的双源CT体系,SOMATOM Force是当当代界最强盛的CT扫描机,的确是在冲破今朝科技方面的极限。 600多人花了5年的时光研制出了这一体系。这一体系的结构汇集西门子所有的高端部件,而且进一步进级。 1.6T重的扫描架每秒缭绕患者扭转4周。这就相当于一辆奔跑E系列轿车以5倍于一架战役机的速度在一个很小的圆形咖啡桌上做圆周活动。 与此同时,2个Stellar探测器和Vectron球管还需尽对准确地坚持在各自的地位上,准确到不止是毫米,而是微米级别。 斟酌到检讨床的速度,这一速度已经从每秒45cm进步到了每秒73.7cm,这是当前市场上最快的速度,这意味着此刻应用这一体系扫描一个成人的全部上半身所用的时光不到1s。 与之前的机型比拟,图像辨别率从0.33mm进步到了0.24mm。 在不下降图像质量的情形下,应用SOMATOM Force扫描人体肺部所需的剂量仅为0.1 mSv,年夜约相当于乘坐从德国飞往阿根廷的航班所接收的天然辐射程度。 路在何方 放射科是一个病院最主要的临床科室之一,同时也是一个装备依靠型科室,新装备,新技巧的利用有助于病院整体实力的晋升和成长。 今朝CT的成长似乎重要有两个标的目的,一是双源CT,一是宽探测器CT。 不外受限于今朝总体技巧的成长程度,16cm的探测器仍是很是为难的宽度,因为受锥形线束伪影的影响,现实成像的有用区域并没有16cm,年夜部门人体器官并不克不及一次笼罩,而CT更关怀的是密度辨别率和空间辨别率,更宽的探测器并没有明显增添图像质量,相反某些时辰图像质量还降落了。 良多厂家在东芝推出16cm探测器CT后,良多国表里的CT厂家也推出或者开端研发16cm探测器的CT。跟着探测器的变更,还须要对影像链上一系列装备进行改良和优化,如球管,重建算法等,这必将是一个艰难而漫长的进程。 可以想象,假如仅仅是追随,显然市场的同质化竞争会相当剧烈,颠末一轮厮杀之后,终极会裁减年夜部门介入者。 将来CT的技巧成长可能集中在光子技巧探测器CT以及相位对照CT技巧上。 光子计数探测器将实现多能量成像,与此刻我们见到的双能量,能谱,光谱成像等有着实质的差别,此外,光子技巧探测器还将年夜幅度进步空间辨别率,获得更高清的图像。 光子技巧探测器可以直接将X光衰减转换为电旌旗灯号,从而获得更清楚的图像。 Willemink MJ,PerssonM,Pourmorteza A, et al. Photon-counting CT: Technical Principles and ClinicalProspects.Radiology 2018 Nov;289(2):293-312. 高空间辨别率多能量光子计数探测器(PCD)进步了辨别率,削减了blooming效应。对于冠脉支架可以获得更清楚的图像。 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成长的一个标的目的,好比专门用于乳腺检讨的乳腺CT,专门用于宠物检讨的小孔径CT等等。 人工智能的利用也不成小觑,可是今朝人工智能热并非真正的CT成长标的目的,人工智能应当是帮助大夫更尺度地采集图像并作出更精准的诊断,削减大夫的工作累赘,改良陈述流程。显然,人工智能还有很漫长的路要走。 检讨流程的改良也是应当斟酌的一个题目,扫描的速度已经很快的,而之前之后的工作须要更高的效力,人工智能的参加信任可以辅助大夫更好地优化检讨的流程。 新的后处置技巧如Cinematic Rendering将辅助大夫更好地跟患者以及临床大夫交换。 假如细心察看,我们会发明,今朝所有的装备都在进修CT,好比X光机可以做三维重建,钼靶可以做断层,DSA有类CT成像,MRI有多层技巧。 当所有人都跟你比,进修你的时辰,阐明你处在领先的程度。 CT要进修的是MRI,尽力进步密度辨别率,应用更低的辐射剂量。 假如从豪斯菲尔德的原型机开端算,CT的成长到本年整整半个世纪了,特殊是多层螺旋CT出生以来的20年,CT技巧获得了飞速的成长。 信任有大量的科学家配合尽力,将来CT可期。 2018年12月31日于上海 原题目:回看:CT五十年(1968-2018)返回搜狐,查看更多 义务编纂: