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西门子CT 追梦40年(1)

发布时间:2015-11-06作者:李立刚


追本溯源

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1895年11月8日,一个星期五,这天傍晚在维尔茨堡大学物理研究所发生的事,无疑堪称医学史上最具革命性的创举之一。德国人威廉•康拉德•伦琴发现了一种似乎能够轻松穿透物质的“新型射线”。他很快意识到,这种X光透视检查方法,将在医疗领域大有用武之地。就在圣诞节的前两天,他成功拍摄了第一张“X光片”。这是他妻子的手的图像,片子中不仅能看到婚戒,而且骨骼也清晰可见。


从概念机到SIRETOM

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Siemens-Introskop传统体层扫描机,1934年

X线的发现对许多医师来说是梦想成真,能够看到身体内部的结构从而有利于诊断疾病、损伤和医疗状况,能够第一时间进行高清可靠的检查。在X线发现之后的几年里,技术进步源源不断地催生了一系列新用途,但对于许多医疗问题,常规X线图像由于结构叠加并不能提供肯定的扫描结果,所以医生很快有了一个新的梦想——没有叠加干扰的切面图像,且能够进行三维精确定位。科学家们为此提出了想法---体层扫描法: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。该技术类似于今天电影院中我们使用的3D眼镜,双眼可以看到相同的图像,但是从不同的角度,大脑合并这些图像,从而感知图像的空间深度。

20世纪30年代初,Siemens-Introskop体层扫描机生成了世界上第一批没有出现叠加干扰的人体切面图像,当时,图像显示的是仅几毫米厚的单个人体切面,令人印象深刻。利用这种图像可以发现传统X线图像不可能发现的病灶。虽然取得初步成果,但要实现准确、快速的体层扫描还有两个极其重要的先决条件:处理速度足够快的计算机和计算图像的数学算法。在这方面,美国物理学家Allan M. Cormack和英国工程师Godfrey Hounsfield做出了卓越的贡献。1957至1963年期间,Cormack提出了一种方法可用于计算X线在人体内的辐射特性。他推测,即使最微小的软组织差异也可以用X线技术呈现;几年后,第一台试验性计算机体层扫描装置在伦敦问世,这是一种用于诊断头部软组织的系统。首先,它产生的图像令医学界震惊;其次,它来源于EMI唱片公司也令人颇感意外。今天被认为是CT之父的Hounsfield爵士就曾在这家公司的研究部门工作。1971年10月1日,他与同事一起采用这种新方法对第一例患者进行了扫描,轰动全球,许多人称这是继发现X线之后最重要的发明。Cormack 和Hounsfield并因其在这一领域的开创性的成果而共同获得1979年的诺贝尔医学奖。

如此惊艳的研究成果引发了“CT热”。超过15家公司加入了EMI开发CT扫描机的工作。西门子医疗技术部门的研发主管Oskar Dünisch和西门子X线研发主管Friedrich Gudden参观了位于伦敦的EMI公司。这次参观“颇具启发意义”,Gudden在他的回忆录中写道。“这里有美味的食物,还有计算机体层扫描的发明者Godfrey Hounsfield。他给我留下了极好的印象,沉稳、谦逊,一位真正的英国绅士。他的解释也很有趣——例如,一开始,收集图像测量结果就花了他9天的时间”。

不久,在1972年,西门子在埃尔兰根的基础研究单位专门成立了一个CT研发部门。目标是设计出一个功能强大的CT原型机,并对其在医院和医疗实践中的工作流程进行优化。这个伟大的研发团队可谓硕果累累,创造了一种图像重建方法,该方法后来被所有其他公司使用;发明了一种在电视屏幕上显示无闪烁图像的方法;后来一家为西门子提供计算机的美国计算机制造商DEC也加入进来,帮助西门子的技术人员消除了图像中的伪影和错误。

1974年上半年,前期工作完成,可以进行临床测试,并且该CT原型机取名为:SIRETOM,这是西门子的第一个计算机体层扫描系统。这台头部扫描机通过并排放置的两个探测器生成了大脑的双层断面图像。

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SIRETOM原型机于1974年6月19日抵达法兰克福歌德大学医学中心,随后立即大量投入使用,直到1975年2月中旬共对1 750例患者进行了扫描。获得约1.4万个图像。试运行之后,许多医学专家和工程师对此表示了极大的兴趣,包括竞争对手在内的大批参观者来到法兰克福,他们对SIRETOM原型机的处理时间、使用方便性和图像重建能力感到惊叹。

1975年,历史性时刻终于到来,西门子在爱丁堡举行的欧洲放射学会(ECR)年会和在芝加哥举行的北美放射学会 (RSNA) 年度会议上将该扫描机隆重推出,世界上首台商用临床型CT诞生!


第一个“十年”  从头到脚 全身扫描(1975~1985)

1975年,西门子推出首台量产的CT系统——SIRETOM颅脑扫描机。

SIRETOM问世后,患者可以在门诊接受检查,而且没有任何痛苦。不需要对比剂,系统就能够显示肿瘤、囊肿、出血,甚至细小的钙化。SIRETOM 扫描最多需要30 min,包括定位患者,双层体层扫描只需要4~5 min。医疗界也为这些新的可能性所震撼,计算机体层扫描成了检查脑部组织的首选方式,也激起了医生更多的憧憬:他们想要清晰的全身CT图像,如肺部、肠道和关节。西门子就紧锣密鼓地着手研究可用于全身CT扫描的技术了。当时面临的问题主要有两个:扫描架尺寸需要大幅增大,扫描时间需要大幅缩短。后一点更为迫切,因为如果扫描时间很长,患者就会有各种运动,如呼吸伪影,使图像变模糊,无法识别。因此,20世纪70年代中期CT开发人员的明确目标就是将扫描时间从不足5 min降低到20 s。这就意味着患者可以在一次屏气内完成扫描。

SIRETOM扫描方法受限于机械硬件,扫描时间无法任意降低。因此需要开发新的技术来加速整个采集系统。经 过 3 年 的 研 发 攻 关 , 西 门 子 于 1 9 7 7 年 9 月 推 出 了SOMATOM全身CT系统

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这一系统扫描速度更快,超过原计划每20 秒一个断面的要求:普通扫描模式下,SOMATOM能在4 s之内扫描完一个断面;在快速扫描模式下,一个断面扫描仅需2.5 s。SIRETOM的扫描架开口是23.5cm,而SOMATOM的测量宽度则为54 cm。有了这些技术进步,首台SOMATOM设备能对肾脏、腹主动脉以及众多肌肉系统细部等进行显示。但是要拍摄心脏跳动时的清晰图像,这一系统依然显得太慢。但是,计算机体层扫描发展非常迅速,1979年生产的新款SOMATOM设备优化了探测器系统,这对图像质量具有特别重要的意义。之前的机型配备256个探测器单元,而第二代SOMATOM则配备512个,空间分辨率是之前的2倍;为加快扫描时间,工程设计人员又开发出了更快的处理器,使得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”的技术实现的,使第二代SOMATOM与患者的心跳同步,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。

SOMATOM配备了当时世界上最快的大批量图像处理器,能在1 s内完成大约2500万次计算。当然在2015年的今天,任何智能手机都比这个要快得多,但是在1983年,这种处理速度已经非常惊人,能够在检查完成之前就能立即生成图像。

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同样不同凡响的是,1984年西门子就推出了车载CT:当时的设备重量高达25吨,15 m长。车载CT设备里配备了整个CT部门,这台装有滚轮的计算机体层扫描设备具有多种优点。在农村地区,患者密度很低,运行一台固定的CT设备费用之高,往往让人望而却步。SOMATOM卡车问世后,一些较小的医院或医疗机构可以分摊投资,让患者接受 CT扫描。这一移动式CT技术也可以帮助扫描作业异常繁重的大型医疗中心。运行这种类型的系统,会面临恶劣天气和交通路况不佳等挑战。但是采用拖车或巴士结构的车载SOMATOM设备满足了与固定系统相同的质量标准。1984年春,已经有超过15个SOMATOM系统正式上路。

1984年RSNA年会上,第三方机构的测量中,西门子SOMATOM DRH超过所有厂家,表现最佳:美国物理学家Thomas Payne展示了他对来自不同厂家的最先进CT系统的测试结果。Thomas Payne来自明尼苏达州圣保罗一家独立机构——中西部放射咨询公司(Midwest Radiation Consultants, Inc.)。在测试过程中,Payne使用专门的测量体模比较CT图像的细节分辨率和伪影。在所有的测量活动中,来自西门子的配备704个探测器元件的高端型号SOMATOM DRH表现最佳。西门子系统的图像提供最高的几何分辨率,显示了最少的伪影,在特别容易产生伪影的颅后窝成像中,西门子系统的图像也比竞争对手的产品更加优异。

此时的CT图像细节已经非常清晰,不仅可以帮助医师做出诊断,来自其他领域的科研人员也开始将这一技术应用到他们的研究之中。埃及学家、文化历史学者和人类学家对古埃及的木乃伊非常感兴趣,而木乃伊是考察当时人们的生活环境和其他方面的信息宝藏。计算机体层扫描可以使木乃伊内部的构造重见天日,同时不损坏其珍贵的外部结构。

自1984年以来新型SOMATOM设备都配备了70 cm孔径的扫描架,甚至可以装下庞大而笨重的石棺。这种较大的开口使得扫描4 000年前的木乃伊成为可能,而在放射临床实践中也会给医师带来更加舒适和方便的体验,尤其是对超重和肥胖患者更是如此。

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在研究中使用计算机体层扫描有众多有趣的实例,其中一个例子涉及的一种动物比任何木乃伊都要古老。古鸟类学是一种研究鸟类化石的学科,该领域当时面临一个正在热烈讨论的问题:始祖鸟会不会飞?在鸽子大小的祖龙灭亡后1.5亿年左右,西门子SOMATOM系统拍摄的CT图像为这一辩论提供了新的突破口,同时避免破坏现已发现的为数不多的化石标本。


第二个“十年”  滑环螺旋  容积扫描(1985~1995)

在SOMATOM推出后的首个10年里,用于CT扫描机的基本技术没有发生任何变化:这方面的一个重要表现就是重达几百公斤的测量系统的工作方式:加速、360°旋转、减速、停止、反方向旋转、停止,每次扫描就这样如此往复,做大量的重复运动,机械应变达到极限水平却没有进一步改善的空间。只有测量系统持续旋转,才有可能进一步缩短扫描时间,而缩短扫描时间正是改善图像质量的关键所在。

1987年西门子推出了滑环数据采集和连续机架旋转技术,这是计算机体层扫描史上最重大的革新。借助全球首台螺旋也是当时最快的CT——SOMATOM Plus,将360°扫描所需的时间缩短到了仅仅1 s。这一代CT设备有三个主要特点:

1. 滑环能源供应:使得持续旋转成为可能;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。整个系统在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,而且机械磨损更少。

2. 信号无线传输:大幅提速也意味着数据量的大幅增加。西门子使用一种无线电磁感应系统来无线传送信息,将电子数据转换成光,并以光的形式进行传输。

3. DURX线球管: 与之前的射线管相比,具有2倍的电力,冷却速度也显著提高。这让设备可以在一次12 s扫描中拍摄100张断面图像,完全不需要中断。

4. MULTIFAN(多扇区)技术:从不同的角度扫描患者的组织,进而在同一张图像中对骨骼和软组织细节结构实现显示。

借助SOMATOM Plus,西门子巩固了其在CT市场上的领先地位,保证未来多年在技术上领先竞争对手,与此同时也为下一次高能系统的变革——螺旋CT奠定了坚实的基础。

通过运用滑环,SOMATOM Plus得以持续旋转,这也让西门子突破了技术屏障,为CT史上最重大的创新之一“螺旋CT”奠定了坚实的基础。

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其实,医学界对这种设想的最初回应都是持怀疑态度的,甚至将螺旋CT称为“产生CT伪影的方法”。但是,如果能够解决由运动带来的模糊问题,螺旋CT有望带来巨大的性能飞跃。西门子的物理学家Willie A. Kalender领导的团队于1988年开始研究螺旋CT,经过大量的试验和临床测试解决了运动伪影问题,1年后在市场上推出了世界上首台螺旋容积扫描机SOMATOMPlus-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。轴扫(序列扫描)可能导致图像错位:不同区域扫描之间出现的运动,如肠道的自然收缩或肺的呼吸运动会使单个断面的位置不同。如果将这些单独的图像排列起来,它们可能完全不在一条直线上,最终的结果会是重复采集或者数据缺失。SOMATOM Plus-S的螺旋扫描为容积成像建立了新的标准,可以一次在30 s内扫描多达30 cm,而且不存在任何间隙。螺旋容积CT,使得患者体内发生的活动不再是问题。进入1990年,一切已经变得非常明朗,未来属于螺旋CT。两年多来,SOMATOM Plus-S一直是市场上唯一使用这种扫描技术的系统。直到1992年的RSNA年会上,其他主要的CT厂商宣布各自采用滑环和螺旋技术的CT系统。

1995年西门子再次推出世界上最快的CT扫描机---SOMATOM Plus4,一次扫描旋转需要0.75 秒,当时所有其他的扫描机完成一次旋转至少需要1 s。SOMATOM Plus4已经可以对器官进行灌注扫描以及3D的方式显示图像,这在当时也是SOMATOMM Plus4独有的功能。

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之后,SOMATOM Plus4迎来又一项创新成果:一种使用特殊材料转换X线的“固态探测器”。在法兰克尼亚福希海姆市的探测器中心,西门子开发出来一种特殊的陶瓷复合元件,几乎可以吸收全部的X线辐射,并在毫无损失的情况下进行转换。UFC(超快速稀土陶瓷)作为氙气的替代材料应用在探测器中,陶瓷可以吸收X线并将它们直接转换成光子——可见光线。UFC不仅比氙气更加高效,而且余辉期更短。这代表着X线技术的一个巨大进步,自此以后,放射剂量可以降低多达 30%,且不影响图像质量。

未完待续!



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