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医疗设备CT技术的发展趋势和展望
发布时间:2014-07-21  |  查看:次  |  作者:安迈医学|  关键词:二手x光机,回收医疗设备

CT是一种利用X射线进行人体断层成像的高科技医疗仪器,从上世纪七十年代发展至今,在临床上的应用日渐广泛,为疾病早期诊断和获得良好疗效,做出极大的贡献。CT成像的目的是为了获得显示疾病的良好图像,所有后续的发展或技术的进步,都在于获得临床医师诊断疾病时需要的诊断依据,其发展的方向,主要在用最少的X射线剂量、最短时间内取得更加明确的定位、定性诊断的依据,这些诊断疾病的依据,其实就是依赖于图像分辨率的提高,笔者认为,目前CT技术不断进步主要有三大发展方向,即提高时间分辨率、空间分辨率、密度对比分辨率。

 

时间分辨率的提高

  CT扫描的时间分辨率的提高,主要有2个途径。一是增加探测器宽度,就是增加一次机架旋转的人体Z轴覆盖率。所以现在各厂家都在推出宽探测器CT,从1998年2排CT开始的多排探测器,十几年的时间内,迅速发展到目前最大的320排探测器,一次旋转覆盖160 mm,产生640层图像,可以更快扫描人体和检查患者,这种快速扫描技术,最重要的是可以让医师在有限的血液循环过程中,抓到对比剂在目标部位的高峰浓度,也可以方便做多期相扫描、大范围扫描、冠脉和四肢CTA、灌注成像(血流动力学成像)等等,开辟了CT新的应用领域。

  第二个提高时间分辨率的途径就是增加机架旋转速度,以便克服生理运动伪影。伴随着探测器宽度的增加,CT的扫描速度从最早的1秒旋转一圈,不断提升,直至现在达到每圈0.275秒的旋转速度,旋转速度的提高,可以克服心脏搏动的影响,加上半圈重建技术、多扇区重建技术等等采集时间分割的分解数据采集与整合重建方法的实施,CT开始了冠状动脉CTA成像、关节动态成像等等崭新的应用领域。

  假如说16排CT实现各项同性体素的扫描和成像,实现CT立体成像的新平台,可以说是CT发展过程中的一个里程碑。那么64排CT又是一个崭新的里程碑,从64排CT开始,CT扫描心脏和冠状动脉开始在临床上广泛被接受,64排CT既有机架旋转速度的提高,也有探测器宽度的提高,两方面进步的结合才使心脏在扫描过程中有“相对静止”的效果。其中有大热容量先进球管技术的发展和计算机快速数据处理的发展也是最基本的支撑条件。

  CT扫描心脏,其实还有一些细节问题。在一个心动周期中,只有舒张期心脏相对运动缓慢(0.1~0.2 s),可以给予扫描而不至于有显著运动伪影,因此实际可供扫描的时间窗很短!而机器的机架旋转速度达不到0.1秒,原因是机械旋转的动力、产热、旋转的离心力太大等等,目前最快0.275秒,再快也不可能实现超过心脏跳动间隔时间那么短!所以要克服心跳问题,还需要多扇区重建技术或者多阶段扫描后的合并重建,将一个单位螺距中设备所涵盖的Z轴长度身体的数层或数十层图像,分隔为2~4次更短扫描时间的间断采集,或者干脆发展一个机架内2套或多套的球管-探测器系统,这样就可以提高时间分辨率,实现心脏相对静止的效果。

  时间分辨率的提高,是各家CT供应商努力的主要方向之一,最近五年的经验也在证明,更快速和更宽探测器的CT供应商,在市场上占据主导地位,市场份额在扩大。但是,今后几年如何呢?球管旋转速度和探测器宽度增加的极限似乎已经到了,再前进一步,困难非常之大。有厂家在研发气垫式旋转机架,阻力小了,速度可以提高,但是离心力越来越大,X射线采集速度和敏感性有待提高,电气材料的精度、承载力配合等等,都是需要克服的难题,CT成本价格与临床使用性价比在互相制约着。

  探测器宽度的提高,带来了锥体束伪影的问题,探测器Z轴边缘的像素存在失真的现象,目前有公司的产品采用Z轴上的弧形与圆周面的弧形相结合的方法,使探测器成为球面的设计,可以部分克服影像集合失真的情况,但是周边体素受到较少X射线照射造成的CT值失真仍然需要诸如计算机算法补偿的技术来纠正,有些公司采用了特殊滤线器技术来纠正X射线束投向探测器时的剂量不均匀情况,改善了图像质量,这些技术上的补偿和成熟推出,将使CT在时间分辨率上的提高成为下一代“更快扫描”产品的亮点。

空间分辨率的提高

  空间分辨率的提高,主要有2个方向,一个是探测器“排”的厚度减少,更薄的层厚,空间分辨率就提高了。另一个方面,就是探测器弧面方向上单元的体积变小,数量增加,也是可以实现更高的空间分辨率的。这2方面的发展,直接的技术需求,就是要发展平板探测器CT。

  平板探测器CT早在十多年前就有人提出构想,但是目前仍然不能正式、广泛地应用于临床。目前市场上是有成熟的平板探测器CT的,但是主要应用在口腔颌面和骨骼系统。现在的探测器没有像一般螺旋CT一样的弧形探测器长度,而是近似四方形,X射线束也是近乎锥形,而非螺旋CT的扇形,所以平板探测器CT也叫锥形束CT(Cone Beam CT,CBCT)。平板探测器的空间分辨率很高,理论上它可以做出更高空间分辨率的断层图像来。但现在的CBCT,所用的探测器,与DR所用探测器大致相仿,分辨率是很高了,但是缺点和问题也很显著,由于探测器本身面积的限制,数量多了,每个探测器中的感光单元的面积就小了,接收到的X射线量相对就少,它在圆周方向上旋转的球管曝光后,对面探测器所采集到的每个探测器单元的X射线光子及信号值相对就少,造成图像的信噪比很低,在软组织的分辨率方面影响很大。为了提高X射线接收的量和采样率,球管旋转速度要很慢,目前的锥束CT,一般旋转扫描一圈需要18秒,所以只能用于静止的颌面、头部和骨骼的扫描。胸部的平板锥束CT扫描,需要屏气时间9秒,图像分辨率非常好,但临床应用较难。

  目前在临床上已经成功应用的DSA-CT,也是平板探测器CT的一种,它是利用DSA的数字化探测器,实现机架连续旋转、球管连续曝光和连续数据采集的功能,但由于上述的关于平板探测器空间分辨率比较高、数据量很大等很多与锥体束CT相同的缺陷原因,目前DSA-CT的分辨率还是相对较低的,旋转速度也不能太快,只是用于定位需要的大致显示目标组织脏器的影像。

  那么锥形束CT可否进一步发展,采用更长的弧形探测器及扇形X射线呢?问题在于在分辨率很高的情况下,一排探测器的探测器单元已经很多了,再增加的话,获得的数据量将非常大,DAS通道很多,很难做到有效集合和快速数据处理,目前计算机的处理速度还跟不上。另一方面,目前100微米分辨率的平板探测器,大于17英寸的,还不能一体性的制造出来,连X射线摄片的17英寸DR的探测器,有些公司仍然采用拼接来实现,更宽的平板探测器,仍然需要技术的不断改进和发展,诸如前述的球面探测器设计,X射线球管的改进使产生的X射线具有更单一的频率区间和高穿透性,X射线滤线技术的改进,探测器敏感性的提高,计算机技术的进步等等,相信下一步技术发展就会使平板探测器逐渐走向临床使用的水平。

  CT球管技术的发展,今后可能会在球管特征方面作出改变,如球管材料的改变可以使球管更加小型化、轻质化,以致于一个CT成像系统中安装多套球管和探测器系统,球管不再需要旋转,与电子束CT有许多相似之处,扫描速度将会更加快速和没有时间分辨率限制。

 

密度对比分辨率的提高

  我们知道,不同能量的X射线,人体组织收到照射后对其吸收率是不一样的。X射线的能量,由球管电压(千伏,KV)决定。在乳腺摄片时,低KV,球管产生软射线,穿透差,大量软X射线被乳腺组织吸收,在图像表现为高对比度。再比如,拍摄普通胸片时,KV要高点,图像上对比度差点,图像虽然有点灰灰的,但是心后肺纹理就可以显示了。但在肋骨摄片时,KV要降低点,肋骨会清楚点。因此,从中我们可以得知,用不同KV的射线穿透同一种组织,穿透程度是会不一样。也就是说,用两种KV投照同一人体组织后,由于射线穿透程度不一样,得到的剩余射线会不一样,通过比较这种差别,就可以反映被X射线照射物质的成份或性质不同。从这一原理出发,我们可以用不同能量的X射线进行CT扫描,由于X射线穿透能力不一样,将导致相同组织在不同KV线扫描时测量得到的CT值不同。

  再进一步,如果对同一组织采用系列不同能量(KV)的X射线进行扫描,到不同的数据和图像,或者采用2种能量的X射线对同一组织的扫描,经过计算机处理,可以测量出从40 KV到140 KV,同一种组织连续11个不同KV值对应的密度值,这就是能谱CT的原理。我们可以利用能谱CT,找到某一种组织在能谱CT的上的CT值变化曲线从而鉴别组织性质,或者把一种物质作为基物质反过来测算组织对比度,或者找到相邻组织在什么样的KV条件下可以获得最佳的组织密度对比。近几年CT最主要的进步之一就是能量CT或能谱CT的逐渐成熟和临床成功应用。

  能谱CT的实现,需要能瞬间切换发出多种不同能量X射线束的球管,或者配置两套互相独立发出不同能量X射线的探测器组合系统,以及在探测器数据采集和进行处理时的特殊计算技术来保证。今后,在探测器设计上实现“三明治”夹心的多层探测器推出市场,能谱低剂量CT的扫描将成为普遍的使用技术,对疾病的定性诊断将发挥重要的作用。

 

  能谱CT,目前在临床上应用日渐广泛,也被证实具有重要的临床应用价值,是CT技术的一大进步。虚拟平扫的实现,可以让患者少接受一次扫描的辐射。由于软硬射线结合的应用,可以消除后颅窝伪影,消除Hounsfield暗区,消除动脉瘤GDC钢丝圈伪影。对于碘的更高敏感性,使得CTA更加清楚地显示小血管。能谱对肺肿瘤与肺不张组织混合一起时可以区别,对于肿大的淋巴结是否存在转移也常有很大的价值。对于心肌缺血也非常敏感。对于肝脏结节的鉴别诊断、对于胰腺结节的更易发现、对于脂肪肝的定量测定,都是非常有意义的。

  这些都是密度分辨率提高的结果,而密度分辨率不断提高的同时,夹层探测器的出现、分子靶向元素化合物的研制成功,可能今后在碘基图像、水基图像的基础上,将更进一步选择性显示特殊金属物质的含量或分布图像。有可能使CT显示人体组织内诸如钙、磷、碳等重要元素的定量分布,反应人体组织代谢的情况。假如进一步发展,一些特殊分子具备特异抗体结合位点并带有特殊金属原子,而采用能谱CT去特异显示这些化合物中的特殊金属原子,那么CT就将走向分子影像学的前列,以图像清晰、显示特异而进入更高的诊断技术水平。

  任何一种技术,都在实际临床应用中不断发现缺点,逐步改进。任何的发展,都要以满足临床诊疗过程中的需求为目的。CT技术曾经因为MRI的问世和快速发展,让人觉得可能会日落西山。但是最近几年的CT大踏步发展,临床应用范围不断扩大,相信随着球管探测器技术进步,X射线剂量问题也将会彻底解决。低剂量技术的推广,结合时间分辨率、空间分辨率、密度分辨的提高,将使CT在安全、低剂量的条件下,实现在更加清晰的图像上更加快速显示疾病,使疾病更加早期、更加明确得到诊断。CT本身也在这样的高水平显示的层面上为临床更多的疾病发挥诊断和评价作用。设备供应商如果踏准这样的发展步伐,必将在激烈的市场竞争中站到胜利的奖台上,赢得医疗界乃至全民的赞赏。


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