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西门子CT追梦发展40年(2)

发布时间:2015-11-06作者: 李立刚

第三个“十年”  多层螺旋 动态扫描(1995~2005)

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20世纪90年代中期,工程设计人员又遇到了一个新的挑战:在不影响射线管寿命的情况下,X线管的能量无法进一步提高。但是他们找到了一种方式可以更加有效地使用现有的能量,同时大幅度改善心脏CT成像效果,那就是多层CT(Multi-slicesCT)。

1998年西门子在RSNA年会推出首台多层CT SOMATOMVolume Zoom,能在0.5 s/周内获得4个图像断面,其后又以16层、64层及128层CT领跑多层CT的发展。

SOMATONM Volume Zoom的问世解决了扫描范围和精确细节之间的矛盾,旋转时间更短,每次旋转仅需0.5 s;更重要的是这一机器设备采用了新的多层技术:可以显著缩短身体较大区域的扫描时间。在此之前,进行的血管检查都具有侵入性,一般需要使用导管介入。多层技术的出现标志着一个崭新时代的到来,使用CT扫描机就可以进行常规的血管CTA成像。

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尤其重要的是,SOMATOM Volume Zoom也是心脏CT扫描史上的重要转折点。首张冠状动脉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,但是西门子认识到还有改进的空间,已经与临床合作伙伴一道开始着手投入大量精力进行完善。在此后几年里,西门子在心脏成像领域内作出了重大贡献——如果没有西门子,如今的心脏CT将不可能成为一项临床常规检查

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在医院的急诊室里,快速高效的治疗护理至关重要。对于受到严重疾病或创伤侵袭的患者最佳的解决方案是患者能够躺在独立的手术台上,不需要移动,而通过CT扫描机的运动对患者进行诊断。鉴于此,西门子于1998年开发出了滑动扫描架,即带有滑轨的SOMATOM设备。应用这一世界上首创的独有的全新系统,患者躺在手术台上完全不动,接受医疗人员提供的各种必要诊疗,而不受任何空间的限制。

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2001年12月,西门子CT部门进入了崭新的领域。CT扫描被首次应用到冠状动脉成像后仅仅3年,西门子又取得了新的突破,在世界上推出了首台16层CT扫描机SOMATOMSensation 16可以使冠状动脉及其纤细的侧支血管清晰显示。这一从4层到16层的跃进,以及更快的旋转速度——仅需0.4 s,创造了众多优势。例如,现在进行肺部扫描仅需10 秒,SOMATOM Sensation 16最显著的优点是能与“HeartView CT”平台一起用于心脏成像。这一改进让医师可以清楚地看到冠状动脉血管的狭窄,这对早期诊断来说意义重大。由于在HeartView CT中的贡献,由Bernd Ohnesorge和Thomas Flohr领导的开发团队于2002年获得“德国未来科技奖”提名,这是德国在科技创新方面的最高奖项。

CT球管的变革也始于这个时期:随着高速螺旋CT的投入应用,X线球管面临了巨大的工作负荷,传统球管存在设计的缺陷:CT扫描持续的时间越长,旋转阳极的温度就越高;而阳极的冷却则通过真空释放热量,这一冷却过程效率不高,所以两次扫描间隔等待过长。

2003年,西门子推出STRATON球管产品,其中两个主要的设计变显著地提高了X线的性能:

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1.   阳极的直接冷却:与传统的CT球管相比,可以释放多达10倍的热量。快速的冷却意味着可以安装更小的阳极,因而设备重量更轻,这进一步提高了机械稳定性,同时实现更高的旋转速度。

2.   “飞焦点”技术:可以多角度记录每次扫描的每个投影,提高采样率,大幅改善图像的清晰度。

Peter Schardt和Erich Hell领导的团队也因为这项创新而获得2005年科技创新领域的“德国未来科技奖”提名。

SOMATOM Sensation系列产品就很好地展示了这种设计的优势:

2003年,最新机型SOMATOMSensation 64成为世界上首台64层CT系统。

2004年,西门子发布SOMATOM Sensation Cardiac 64,这是一款经过特别优化的心血管成像专用系统,转速更快,从0.37秒提高到0.33秒,同时装配心脏扫描专用硬件和软件。与此同时,SOMATOM Sensation Open让扫描超重和肥胖患者变得更加容易。这一扫描机基于SOMATOM Sensation 16,同时带有82 cm扫描机架和STRATOM球管的全新组件。

多年来的技术进化及其带来的所有革新、改进以及最新应用选项推动该系统的系列产品不断提升性能。

第四个“十年”  双源君临 无限扫描(2005~2015)

时间进入到2005年,全球科学家和工程师已经为CT做出了众多的技术革新,使之成为日常临床应用的重要检查手段。从第一幅模糊的CT图像到如今高清的CT图像、每个断面扫描需要5 min到一个断面仅需0.33 s时间、每圈旋转采集0.06兆数据到多达4 000 兆的信息,都让我们切身感受到了科技进步所带来的深远影响。

西门子不断为CT领域注入科技的推动力量,引领全新的方向和时代潮流。

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为了将高端CT的扫描能力提高1倍,同时将辐射剂量降低50%,西门子又提出了一个简单而新颖的理念:双源CT。听上去似乎是个很容易实现的概念:只需要集成2个球管,安装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师来说是一个巨大的挑战,因为在常规的单源CT系统中,扫描机架内部的结构已经非常紧凑。如果没有所有的部件的优化,双源CT根本不可能实现。为了实现这一“不可能完成的任务”,西门子的工程师对影像链上所有的元素进行了革新,使之更为紧凑。例如:改变整个冷却系统以及电子元件的排列方式,开发更加强力和高效的部件,像这样一个任务就花费了工程师多年的时间和心血。

2005年RSNA上SOMATOM Definition横空出世,这是全球首创配备2个球管和2个围绕患者旋转的探测器的系统,被称为双源CT。这种全新技术的出现解决了当时三大难题,引领CT率先进入“后64超高端时代“

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1.   无条件心脏成像:单源CT遇到高心率或者心律不齐的患者,在扫描之前需要常规服用β受体阻滞剂以降低频次进行扫描程序。双源CT的问世,为扫描速度、空间分辨率以及时间分辨率确立了全新的标准,将扫描速度提高了史无前例的境界,完全不再需要使用这些药物。特别是单扇区时间分辨率(采集180°数据的时间),是心脏CT中尤为重要的一个因素,单源CT扫描心脏,需要旋转180°进行数据信息,而具有双源结构的SOMATOM Definition只需要旋转90°就可以收集到同样的信息;再加上机架的旋转时间仅需0.33 秒,这使得单扇区时间分辨率降低到0.083 秒,比单源CT快2倍。

2.   双能量成像:双能量CT技术是通过不同射线线能量的CT扫描可以实现物质成分的识别和分析,这一技术的首次尝试可以追溯到上个世纪70年代末(Millner等. 1979;  Avrin等. 1978;  Chiro等. 1979;Genant和Boyd. 1977) 。 当时采用两次独立的扫描方式,对获得的投影数据或重建数据分别进行后处理。然而,由于CT密度值不稳定、两次扫描间隔时间过长导致的患者运动、空间分辨率低,以及数据后处理的困难这些主要,导致该方法没有实现广泛的临床应用(Kelcz等. 1979年)。直到2005年,双能量CT技术再次复兴并在临床上取得了巨大的成功,主要是因为双源CT SOMATOM Definition的出现,:通过高低不同管电压的运行采集,可以同时获取不同的x射线能量的螺旋扫描数据( Flohr等.2006年; Johnson等. 2007年)。之后其他一些CT厂商通过不同的技术实现方式也实现了双能量CT成像,如今,CT能量学的临床应用不断取得进展。

3.   低辐射剂量:2个球管的辐射剂量比一个球管的剂量大幅降低,听起来似乎有些矛盾和荒谬,简直“天方夜谭”,但这确是发生在双源CT身上,原因很简单:使用2个球管完成整个扫描所需的时间降低了1/2,而每一个球管实际功耗只有1/2。无论患者的体型如何,高矮胖瘦都无关紧要。使用2个STRATON球管,SOMATOM Definition具有充分的功率储备,可以轻松的扫描甚至是非常肥胖的患者,而且不影响图像质量。

自从2005年开始,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,而是从解决临床难题出发进行CT设计,重点关注全新的双源技术的创新,这一举措被视为颇具风险性,因为其研发成本很高,但是事实证明,西门子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60万次冠脉导管检查很大一部分将被CT冠脉成像所取代。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,比如,苏黎世大学医院的研究人员发现,使用SOMATOM Definition与常规的CT相比,可以大幅度降低心脏扫描所需的辐射剂量。

2008年RSNA上,西门子基于此项成功技术和双源技术的经验,再次震惊世界,推出新款设备——SOMATOM Definition  Flash,该设备成为了当时世界上最快的CT扫描机,实现了速度、能量、功能、低剂量的高度统一,特别是常规 亚mSv 心脏成像,设定了低剂量 CT 成像的新标准,CT进入“快宽能低”时代。

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:Flash的机架转速较之Definition有大幅提高,达到了0.28秒/圈,充分体现了CT工程学科技的巨大飞跃。机器的转速越快,单扇区时间分辨率越高, Flash双源CT的单扇区时间分辨率高达75ms,对于高心率和心律不齐状态下患者的心脏成像更加的得心应手;同时45.8cm/s的炫速容积扫描速度更是将CT速度演绎到了极致:一个身高2 米的患者,接受从头到脚的全身扫描所需的时间不超过5 s,胸部扫描只需要0.6 s,心脏扫描只需要0.25 s,即不到1/2次心脏跳动所需的时间,具备3秒内完成胸痛三联症、心脑血管一体化大范围快速扫描的能力。

宽:CT的发展方向之一就是不断拓展探测器的物理宽度,尽可能大的增加z轴覆盖范围,从64层CT时代的4cm,到目前最宽的CT:Aquilion320排CT和Revolution256排CT,其覆盖范围达到了16cm;宽体探测器固然有其临床优势,例如可以实现一些单器官,如颅脑、心脏的探测器宽度覆盖轴扫成像,但是也有其技术局限性,由于16cm宽体探测器目前固有的散射线干扰和高辐射剂量难题还不能很好的解决,所以除了轴扫可以实现16cm扫描,而对于占据了日常CT检查量的85%的螺旋扫描而言,只能用到部分探测器,即8cm或者4cm的覆盖宽度;当面对全肺、全肝、上腹部等更大范围灌注检查时,依然力不从心。为了满足更大范围器官灌注、血管动态血流分析和关节动态功能检查的需求,Flash CT动态覆盖范围达到48cm,超越探测器物理宽度的限制,实现真正的大范围覆盖,3倍于传统宽体探测器CT,同时尽可能低的减少了射线辐射。

能:超高端CT的发展在秉承提高时间分辨率、空间分辨率和密度分辨率等传统技术的同时,创新性的开拓了第四个CT工程学参数-能量分辨率,使得CT从对宏观结构性观察深入到微观物质成分和元素的定性识别和定量分析,从而实现了CT的显微组织学和功能学诊断。

中国医学装备协会编纂的绿皮书《2015年中国CT市场发展分析报告》CT技术发展趋势中明确指出:目前应用于临床的能量成像技术依据设备不同,主要分为两大类:双源双能量成像和单源能谱成像。以Flash双源CT为代表的双能量成像技术,能够突破单源能谱CT的硬件限制,以独有的SPS能谱纯化技术,消除能谱重叠,凸显高低能量的差异性,提升物质的鉴别能力和量化精度。实现全部位低剂量高精度的能量应用。通过两套球管/探测器的设计,可以实现同时,同物质空间的双能量扫描,0.28秒的高机架转速,可以消除能量扫描过程中,由于病患运动带来的伪影和和数据不准确。更是凭借全球超过1500的装机量、超过150篇科研论著、每年超过 75 万例的扫描成为CT能量成像的金标准,尤其2013年中国医学影像界基于双源双能量成像研究的课题项目分别获得了中华医学科技奖一等奖,再一次印证了该技术的先进性和领导作用。

低:SOMATOM Definition Flash所带来了低剂量的的巨大进步。此前,冠脉CTA平均需要的剂量在8~30 mSv之间;而SOMATOM Definition Flash所需的剂量<1mSv,这得益于0.28秒/圈的转速和45.8厘米/秒的炫速扫描;同时为进一步降低放射剂量,西门子率先在业内推出了迭代重建技术SAFIRE,这是图像域与投影域的双域迭代平台,不但可减少更多图像噪声及辐射剂量(降低60%),更能够消除螺旋伪影。

2013年,SOMATOM Definition Flashstellar光子CT诞生,实现了四个关键性CT工程技术学参数:空间分辨率、密度分辨率、能量分辨率和时间分辨率的完美统一。CT进入“快宽能低清”时代。

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随着CT技术的进一步发展,又有一个问题摆在工程师的面前:因为传统的探测器存在局限:X线被转化成光信号后,经过光电二极管转换成电信号,最终转换成数字信号,这个过程在数百条线路上传输,复杂而漫长。线路越长,信号越多损耗和丢失,电子噪声就越大,图像的质量就越差。除非能开发出更加高效的探测器。2012年西门子推出了首个几乎可以消除所有这些线路的探测器:Stellar光子探测器。这种探测器用于信号转换的所有电子元件集成在一个晶片上,研发历经6年漫长时间,彻底整合电子元器件及有形电子线路,集成为探测器微型晶片,消除电子噪声干扰,实现“0”噪纯净成像,大幅减少了辐射剂量,改善了图像质量。

Stellar光子探测器不但搭载到DefinitionFlash双源CT,同时也配备在西门子单源超高端SOMATOMDefinition Edge

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多层螺旋CT、UFC、Straton球管、滑动扫描架、双源、双能量和Stellar光子探测器,过去40年来所有这一切以及众多其他硬件和软件的开发,使西门子成为CT影像领域的创新领导者,这是世界各地科研人员和医疗专家多年来的经验和合作的结晶。西门子今天的产品序列涵盖广泛,从绿色节能的基础机型到双源系统的高端机,从日常临床应用的系统到高度专业化的创伤手术室移动CT设备。多年以来,西门子CT产品受住了历史的考验和抉择,一直处于科技创新的前沿。

西门子CT已经40岁,在漫长的历史长河中,只是沧海一粟,永远不变的就是从未停止的创新脚步,第二个40年如何发展?CT的未来如何创造?


西门子CT事业部 李立刚

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