高瓴青睐,业界首台静态CT发布,它是打破CT技术困局的利器吗?
来源: 动脉网 作者: 2021年05月14日 10:55

1965年,英特尔的首席执行官戈登•摩尔发现,集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。

 

五十年后,摩尔定律虽魔力依旧,但因为物理极限的存在,摩尔定律或许终将消逝。


螺旋CT正面临着同样的问题。世界上首台螺旋CT SOMATOM Plus采集系统诞生于1988年,该CT一改过去平移-旋转的方式,将扫描时间从所需的数十秒降低至0.25秒。


但在接下来的30年中,螺旋CT在基础原理未变的情况下,仅经历了的两次大变动。其一是采集数据的方式由单层变为多层及带来的探测器宽度随之持续增加,其二是由单球管变为双球管及带来的先进能谱技术。

 

整个过程中,限制螺旋CT发展的物理要素始终不变——球管-探测器的转速与探测器的宽度是其难以跨越的两道坎。

 

螺旋CT逼近两个极限


对于医生而言,信息越是丰富,诊断越为精确。因此,从螺旋CT诞生之初,各家CT厂商便陷入了球管-探测器转速与探测器宽度的竞赛之中。不过,转速的比拼在2010左右便已经接近尾声。

 

球管、探测器、高压发生器等部件重量多达500公斤,在围绕人体进行高速旋转时会产生极大的离心力。通常而言,CT结构能够承受的极限离心力是75G,而其对应的最大转速是0.25秒/圈,时间分辨率趋于极限。

 

另一方面,探测器的单位像素大小和单位像素所获得的有效信息量决定了每次拍摄CT影像的空间分辨率。探测器每一次投影收获的像素越多,给予计算机成像的数据便越多,对应获得的图像也就越清晰。目前东芝旗下的320层640排CT已经把探测器的宽度压缩到了极致,要继续压缩探测器的尺寸几乎没有可能。

 

从探索未知的角度上讲,螺旋CT似乎已经走到了其能力的尽头。如果工艺不能优化,那么,抛弃“螺旋” 设计或是问题的唯一解法。

 

电子束CT的突破与遗憾


行业对于更高端CT的探索从未停止过。多层螺旋CT之前,美国的Douglas Boyd 博士曾于1983年开发出了一种名为“电子束CT”的系统,并由Imatron公司将其推向市场。而后,GE用了15亿美金将Imatron收购,进一步推动电子束CT的研发。在CT的发展史中,电子束CT 被列为第五代CT。

 

电子束CT的X射线是由连续发出的电子束经磁场偏转后,以此撞击环形排列的钨靶后产生,其特点在于其探测器呈环排列,可随时接受对侧发出的X射线。以这种形式进行排列,该CT扫描速度极快,可达50~100ms,对心脏、大血管的检查有其独到之处,几乎不受心跳及血管搏动的影响。

 

然而,由于其高昂的造价和患者检查费用;过高的维修费用,对于医院而言,购置电子束CT远不如螺旋CT划算。尤其是当亚秒级扫描时间和多层螺旋能力的普通CT也可以获得较高质量的心脏图像时,电子束CT的优势已经全然不在。颓势之下,GE不得不关掉了电子束CT这一产品线。

 

从长远来看,电子束CT的原理意味着它不会遭遇螺旋CT当前面临的两道坎,如果能够降低造价,它将拥有无限的潜力。

 

静态CT有望成为第六代CT


时至2013年,战场由美国转向中国。拥有数十年医学影像经验的曹红光与李运祥等人在北京创立了纳米维景,尝试再造全新一代CT。数年沉浮后,积累了大量经验教训之后的创始团队逐渐探索出一条明确的道路,并将目标树立为打造第六代CT——静态CT。


纳米维景明白,要想在大量探测器、球管的需求下实现静态CT的商业化,自研是控制成本的关键一步。这一次,纳米维景在出发前便敲定了静态CT的构想,从最基础的核心元件造起,一步一步完成了CT芯片、探测器、闪烁体、高速窄脉冲高压发生器等部件的研发。

 

七年磨一剑,2020年,由纳米维景研发的世界第一台静态CT终于问世,并于2020RSNA首展。这台CT被纳米维景命名为“复眼24”的静态CT第二次公开展示,则是在当下举办的2021CMEF之上。

 


世界首台静态CT“复眼24”在2021CMEF大会纳米维景展台发布

 

与螺旋CT结构相比,静态CT“复眼24”创新性地采用了与之完全不同的双环结构,包括一个射线源环和一个探测器环。

 

射线源环由上百个独立的射线源环状排列,每个射线源均可独立曝光,可支持最多6个射线源同时曝光轮流切换。此外,每个射线源的曝光时间、曝光能量都可以根据具体临床需求进行设置,这意味着该CT将不止于适用于某一部位成像。

 

探测器环的特别之处在于独有的、模块化的光子流探测器。这款探测器有别于传统螺旋CT的积分探测器,也不同于光子计数探测器。是国际上第一次将光子流概念引入到CT领域。纳米维景自研的高度集成化的信号处理模块可以对图像采集进行硬件加速,实现数据传输零失真。

 

双环结构以静止成像创新性地解决了以往螺旋CT设备机械旋转速度和器件所能承受离心力的限制问题,可以轻松实现每秒数十圈的高速旋转,并在扫描过程中避免了产生类似于螺旋CT高速旋转带来的拖尾效应,信息捕捉更清晰,扫描辐射量也会大幅度降低。目前,“复眼24”的探测器内生层具备288层信号的能力。

 

用一句话进行简述:静态CT技术与顶级螺旋CT相比,其时间分辨率提高了10倍、空间分辨率提高了64倍;并且可以实现多能谱成像。

 

据纳米维景透露,“复眼24”并非静态CT的极限。事实上,纳米维景的下一代静态CT“复眼36”正处于研发之中,新一代的产品中,无论是时间分辨率、空间分辨率,还是质谱识别的元素种类,都将获得进一步的提升。而在自研情况下,“复眼24”能够以媲美GPS高端CT的价格走向市场。

 

为什么要实现CT的国产替代


颠覆式的技术路线,是一种“弯道换车”的思路。静态CT是与螺旋CT拥有完全不同的复杂系统,其所需要的所有零部件都无法在市面上采购到。现有的国际供应链不能提供静态CT所需要的芯片、探测器、闪烁体、小型阵列球管、窄脉冲高压发生器等等核心部件。要实现静态CT,就必须把这些核心部件都要一一攻破,才能实现这一里程碑式的创举。

 

“中国是全球CT设备制造商数量最多的国家,但在高端球管、高端探测器等核心零部件上,却一直依赖于美国、德国的进口。换言之,国内企业一直缺乏独立打造最顶尖CT的能力。”曹红光告诉动脉网。“为了防止技术上被’卡脖子’,实现上游核心零部件的独立自主,这是纳米维景一直以来的期许,也是纳米维景一直以来在做的事情。”


 CMEF“复眼24”发布现场,右2为曹红光博士


因此,纳米维景自创立以来,开始了一系列静态CT核心部件的研发。

 

首先是处理X光的分割。在螺旋CT上,闪烁体通常提供的是一束完整的激光,通过网格切成一条一条的缝,进而实现像素化。由于静态CT的像素大小大概是螺旋CT的1/64,这意味着要通过同样的流程成像,必须将网格进一步精细化。

 

对于这个问题,纳米维景透露了一种新的材料生长技术。通过这种技术,纳米维景可以培养一种比静态CT的像素更精细的材料,进而实现X光的精密分割。

 

其次是核心部件探测器。对于静态CT这一理念,国际上公认其必须拥有光子计数探测器作为支持。但在纳米维景看来,提取单一光子的光子计数探测器不能满足静态CT的要求。为此,在科技部的支持下,纳米维景研发出了全球首个光子流探测器,这是打造静态CT的关键。

 

球管更是自研的核心,涉及静态CT的成本与其扩展性。由于静态CT以射线源阵列轮流曝光切换替代螺旋CT旋转,无需考虑向心力问题。因此其CT的球管围绕人体排列,一圈可排列24个球管。

 

由于球管的数量与设备价格、成像质量均为正相关,因此,要实现静态CT的市场化,纳米维景需要通过自研的方式降低球管成本,并尽可能将其小型化,以配置更多球管。

 

小型化并非易事,西门子的一款双源CT,在置入两个球管、两个探测器后,CT内部的空间便已满满当当,而纳米维景可以将成套的球管和高压部件排进24组,足见其设计优势和硬实力。

 

最后一个核心部件是窄脉冲高压电源。螺旋CT的球管发射的是连续的X射线,而静态CT没有旋转,必须是每个球管轮流瞬间的脉冲发射X射线,这需要通过窄脉冲快速切换技术,精准控制闪烁时间,并尽可能提升闪烁频率。

 

开关二字看起来简单,但由于射线的发射需要140kV的高压电源作为支持,且需在数微秒级实现快速开关。这一项技术的成功研发,同样为纳米维景筑起极高的技术壁垒。

 

做完了这些,整个静态CT的核心技术便已基本塑造完毕。但在曹红光看来,“工匠精神”不应因为做到了核心部件的完美制造而忽视了细枝末节。“你看到的每一个核心部件都是我们自己制造,我们的供应链是建立在国内的,这是纳米维景的坚持。”

 

对于静态CT的两个提问


CMEF是静态CT首次在国内亮相后,整个展厅周围挤满了围观的参会人员。但接下来,如何量产?如何发展?这是纳米维景必须回答的两个问题。



 CMEF纳米维景展区


2020年3月,纳米维景在成都开设的“静态CT研发生产基地”项目正式开工,计划建成全球首个自主研发的静态CT生产线,用以解决量产问题。工厂建成后,纳米维景将计划实现年产量1000台的目标。以回答市场对于量产的疑问。

 

而对于公司的未来发展,曹红光认为,“纳米维景”名字背后的故事便是其最好的答案。

 

“通过光学成像原理,我们能够看到微米级的细胞,譬如,显微镜下,1个血细胞大概是7个微米,一个皮肤体细胞大概是12个微米。而CT是辐射成像,靠的是X光,它的波长处于0.1纳米至10纳米这一范围。从理论上讲,我们可以用这样短波长识别人体更细微的结构了。因此,如今‘复眼24’不过刚刚起步,纳米级的影像才是我们的最终愿景。这便是纳米维景。”

 

作为全新技术全新事物,目前,静态CT处于进入商业化前的阶段。国家政策支持下,超高端CT正迎来市场上升期,海内外数千亿市场加持下,作为高瓴医疗系中的一员,纳米维景的未来值得期待。

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