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CT技术的进展与选购

发布时间:2015-04-07作者:器械科


作者:徐元昌 张琴


自上世纪60年代Household 发明第一台CT以来,四十多年来,CT技术发展迅速,有了几次大的飞跃。从非螺旋到螺旋CT经历了二十多年,滑环技术的出现使螺旋扫描成了可能!但是单层螺旋CT整整占据了80年代和90年代初,那时各个公司的螺旋CT主要是在扫描速度上的竞争,从亚秒到半秒完成一次螺旋扫描,甚至毫秒级的扫描能力,这应该就是CT技术的第一次飞跃。自90年代至今,是多层螺旋CT时代,其大大拓展了CT的临床应用,真正实现了各向同性的CT图像,从双层CT到4/16/32/64/256层,最高实现了640层,完成了第二次飞跃;2005年,双源CT问世,2007年320CT和宝石探测器的诞生使得CT发展进入到后64时代,他们展示了CT在技术与临床应用领域的革命性创新,重新定义和诠释了CT的概念,全面拓展了CT的临床应用。近40年来,依托于工业领域的发展和计算机技术的突破,CT的硬、软件技术在X线管、检测器、滑环驱动、原始数据处理和影像重组技术也有了很大的提高。


1.CT硬件的发展


1.1 X线管技术的发展


为了满足大范围扫描和快速扫描的需要,球管的的设计尤为显得的重要,决定X线球管性能主要由热容量和散热率两个参数,因此球管的技术设计主要也从这两个方面探索:高热容量和高散热率。高热容量主要以GE公司的产品“Performix? HD ”为代表,其采用独有的静电阴极准直设计,在扫描时,可以根据临床扫描协议与患者情况自适应调节焦点的大小。该球管阳极热容量与可以大范围调节技术,可以实现10毫安到 835毫安的扫描;其采用高散热涂料实现了阳极>2,100千焦/分钟的散热率;而TOSHIBA公司则在其大容量X线球管上采用阳极接地技术和微孔散热技术来加大散热率,同时采用双轴支撑技术来保证球管旋转阳极的稳定性,其电子束滤过技术,滤过了无效的低能量X线束,减少了球管靶面的产热量,延长了球管的寿命,且减少了X线散射,减少了病人的受限量和提高了图像质量。而高散热率球管则主要由SIEMENS公司的“0M”为代表,其大于5M/min的散热率可以保证长时间的扫描而无需球管冷却等待,目前新款“0M”球管可实现50M的等效热容量和70KV的最低电压扫描。


1.2 高压发生器的发展


高压发生器为X线球管提供能量,其常于球管的毫安和千伏相适应,其相对于其他硬件技术的发展显得比较稳定。其主要的变化是易损的油浸工频高压发生器已经由固态高频高压发生器代替,固态高频高压发生器具有X线质量好、体积小、重量轻、易安装、皮肤辐射量低等优点,可以和X球管一起安装在机架内在滑环上高速运转。在2007年的北美放射性年会上GE公司在宝石CT上推出了动态变焦球管,实现了瞬间电压快速切换,与之相适应的是GE公司同时推出了HD瞬时变能高压发生器,HD 高压发生器能够在非常高速的条件下进行能量切换,在满足急诊和心脏扫描的前提下,且能够支持能谱成像。


1.3探测器技术的发展


气体探测器由于转换率低已经完全淘汰,现在已经全部采用固体探测器。探测器的发展主要制造材料的改变,现在采用的探测器采用两种新型的闪烁晶体材料耦合光二极管制成,即钨酸钙和高纯度的稀土氧化陶瓷,其采用光学方法使这些材料和光二极管结合在一起。钨酸钙的转换效率和光子俘获能力达到99%,动态范围是100万:1,而氧化稀土陶瓷的吸收效率也是99%,闪烁晶体的发光率却是钨酸钙的3倍,因此现在多层螺旋CT机的探测器大多都采用后一类超高速稀土陶瓷材料制成。2007年GE公司首先使用宝石作为探测器材料,该技术是在宝石中加入稀土元素后,改变了真正宝石的分子结构,其单元结构呈立方体,具有98%的能量转化率,能最大限度清除余晖效应,达到图像的高分辨率和低噪声,从而使图像质量明显提高,同时其辐射损害能减少到1/20。2012年西门子公司推出了Stellar光子探测器,改变了传统探测器的结构,摒弃了光电二极管的模数转换电路,采用Stekkar光子晶片,将X线从可见光直接转换为数字信号,实现数字传输,去除了复杂电路系统级电阻的影响,无需长距离信号传输,避免信号损耗,消除了电路系统热能产生、消除了电子噪声干扰等等,其比常规探测器减少了85%的功能损耗,使探测器维持温度的稳定,避免温度升高对探测器的损坏,从而提高探测器寿命,并获得高质量的CT图像。 探测器的改进使得CT的密度分辨率有了明显的提高,甚至可以达到类MR软组织成像,实现7级肝脏血管显示,能分辨直径1毫米的冠状动脉分支。


探测器另一个进展就是在探测器的覆盖范围方面:各大厂家都在为大范围覆盖做探讨,东芝公司推出的AQUILION ONE(0.5mmX320排探测器640层,最大覆盖范围为160毫米,但是160毫米的覆盖是在非螺旋扫描状态下实现的,如果采用螺旋扫描则为球管每旋转360°仅获得128层图像,覆盖范围低于非螺旋状态;因此160毫米大范围覆盖的扫描方式多应用于冠脉成像、胸痛“三联征”检查、脑血管成像和器官的CT灌注。);飞利浦公司的Brilliance iCT(0.625mmX128排探测器,通过飞焦点技术实现256层图像,其最大覆盖范围为80毫米);西门子公司推出了4D螺旋CT Definition FLASH CT(128层配置,通过数字精控摇篮床技术,使扫描床往返连续运动,可达480mm的覆盖范围);GE在750HDCT提出了一个全新的扫描方案──容积螺旋穿梭技术(Volume Helical Shuttle)在不降低图像质量的前提下大大提高了扫描范围。容积螺旋穿梭技术可以在数据采集期间使CT扫描床持续的穿梭往复运动。达到Z轴的覆盖范围增加至312.5毫米,从而可以实现4D血管成像和大范围器官灌注。同时各厂家还将先进的纳米技术应用在探测器上,用纳米材料与高速稀土陶瓷结合,组成更小的分子材料,便于探测器的固化和精确切割,减小间隙,提高几何效率和射线利用率,为更宽探测器阵列的设计和应用奠定了基础)。


探测器的最小单元为0.5毫米,再进一步的提高空间已经有限,且从各向同性考虑其意义不大,因此探测器的宽度应该还有着很大的发展空间,但大宽度的探测器其锥形束效应至图像边缘的变形,且带来的图像质量下降,限制了应用;因此更宽探测器的开发,尚待进一步在物理学、数学模型建立与数字信号处理技术等的拓展。


1.4 驱动系统的发展


机架驱动系统,传统的伺服马达加皮带或钢带机械传动方式因随着旋转速度的增加,摩擦产热,由于物质热胀冷缩的物理特性,运行速度的限制并对图像质量会产生一定影响,已逐步淘汰。现在大多数厂家采用磁悬浮技术,新型电磁驱动,提高了旋转速度,降低了机械噪声。在2007年RSNA年会上,飞利浦公司还推出了高科技的气垫轴承技术,最快旋转速度达到0.27s/圈。


2.CT成像新技术


2.1. 双源CT技术


传统的单源64层CT由于时间分辨率的局限性限制了CT在心脏和冠脉成像上的应用。2005年RSNA年会上推出,西门子公司在其64层CT的基础上成功开发了双源CT(Dual-source CT,DSCT),其时间分辨率达到83ms。DSCT系统由两套X线系统及其对应的探测器系统组成,它们互呈90°安置在机架上,其中一组探测器的扇形角覆盖整个扫描野(直径50cm),另一组探测器扇形角较小,只覆盖等中心扫描野直径26cm的范围。而新型SOMATOM Definition FLASH则采用两组完全相同的探测器系统,其等中心覆盖范围相同。探测器结构采用不等宽40排探测器单元组成探测器阵列,Z轴方向总宽度为28.8mm。采用飞焦点扫描、Z轴双倍采样技术,使用中间32×0.6mm探测器,可同时获得64层0.3mm层厚的图像。在临床应用中,在用于心脏及冠状动脉成像时开始两套球管和探测器及其相应的数据采集系统,做其它各部位扫描时只开启一只球管、探测器及其相应的数据采集系统。无论是单源还是双源其扫描模式可以是螺旋式,也可以是常规断层扫描。


2.2. 双能量技术


双能技术从原理上主要分为二种:一种是利用球管来进行能量的分离,另一种是利用探测器来进行能量的分离。目前主要采用的是第一种,即利用球管来进行能量分离。其主要的缺点就是增加了辐射剂量,但容易控制能量(KV)。而利用球管来进行能量分离的又可以分为单源探测器系统和双源双探测器系统。西门子已在2005年RSNA上推出了双源双探测器系统,两支球管采用高低电压同时曝光采集;而GE公司在2007年RSNA年会上,推出瞬时变能高压发生器为双能采集和能谱成像分析提供了临床研究的空间,其球管双电压快速切换,实现瞬间能变;东芝公司则利用其宽探测器覆盖的优势,采用单球管高低电压两次扫描完成能变。能谱功能,就是对同一解剖部位进行两个不同能量级别的扫描。根据不同物质对不同能量射线的衰减系数不同,准确区分不同组织的化学成分,从而对正常解剖结构和病理结构进行观察和分析;并消除骨,金属,及其它高密度物质(如碘)产生的金属伪影。现仍处在研发阶段的利用探测器来进行能量分离的技术也可分成双层探测器系统和多能量探测器系统。


2.3 剂量控制技术


如何在低辐射剂量下得到优质的CT图像质量一直是各个厂家研究的重点,低剂量扫描,自动毫安技术,低千伏扫描,短几何设计等等;现在可是实现3mSv,甚至是1mSv下的冠脉成像。现在各公司采用的各种剂量优化技术后,可大大降低CT扫描病人的辐射剂量。


2.4临床应用软件


血管成像现在已经是一种最基本的成像技术,现在利用快速扫描、双能量技术、宽幅探测器等等技术,可以实现胸痛三合一检查:一次完成冠脉、肺动脉和主动脉的检查,脉管系统的血液动力学分析,神经系统纯动脉期和静脉期成像,为静脉性脑梗塞诊断提供影像学依据;其它包括大脑一站式检查、肺通气功能研究、各种部位肿瘤的灌注检查、骨关节运动研究等等,实现从解剖学到分子学影像诊断的转变。


3.CT设备的选购


现在国内外各厂家提供的CT型号多,配置差异大,性能差别更大,从双层CT到640层CT、宝石CT和双源CT,这些CT有的属于经济适用型的,比如双层CT,有的属于临床应用型的,例如16层级64层CT,而那些后64层CT则属于属于临床研究型的。因此CT的选购,应当先从医院本身的实力出发,选择适合自己医院应用的相应档次的CT,再考虑机器的性能和价格、配件的供应及价格、售后服务及维修成本等。为了能选择适合自己医院应用的CT,在CT选型中应注意以下因素。


3.1. 医院规模


不同档次的CT做能承受的工作量是不同的,各种临床应用软件也必须在相应档次的设备上才能发挥其作用。医院首先要明确购买CT的必要性:首次购买还是升级换代,抑或是添加设备,明确购买设备的目的;再者根据医院现有的床位、日常门诊量测算出平均CT日检查病人的数量,部位,需要强化的病人数等选择相应检查能力的CT档次;最后就是医院计划采购的费用。依据医院的需求和计划费用选择扫描速度、重建速度、X线管热容量合适的机型,且应有适当的超前意识,不能仅满足于医院的现状,采购一台CT毕竟不是仅适用2、3年的,因此应该对医院未来5-8年甚至更长的时间的发展作一评估。如是升级换代则同时应考虑就设备的处置,而添加新设备则应考虑现状医院的CT的生产厂家、性能,新的CT应是对原有的设备的功能做补充或是提高,尽可能使新设备能够弥补原有设备的不足,使新CT的功能做最大的发挥。


3.2放射科的人员实力及临床专业的特长


CT是放射科的人员使用,工作人员的业务能力在CT采购中也是应该要考虑到的,虽然人员可以引进或培养,但这毕竟不是一天可以实现的,放射科工作人员要有较好的业务能力,能最大限度的发挥CT的性能,熟悉硬件的特点,软件的应用,否则则会影响CT性能的发挥。而临床专业的特长则是显示医院的整体技术力量,放射科要能使用CT的所有软件,完成的诊断和做的各种后处理,而所做的这一切则需要临床的支持,如现在很多二级医院都在采购128层CT,能做各种血管成像,而安装完毕后,由于临床没有这方面的需求,则很少做冠脉或脑血管成像,就是做的几例病例由于没法得到临床证实,无法随访,进而越做越少,高档CT仅能做一些常规的检查,甚至强化病例都很少。影响了病例数量的增加和预期回收成本的可行性。


3.3设备的先进性和临床应用软件


先进的设备不一定是医院最合适的设备,因此在选购CT时,应由相关科室对采购CT的必要性和可行性进行论证,论证完毕后再进行自主的对该档次设备进行考察,考察不同厂家CT设备的性能、图像质量、临床应用软件应用与开发、配件的价格、售后服务质量,回来后进行优化选购。优化选购中要对主机和配套附件进行,主要就是考察中的问题,如设备的稳定性(包括开机率、球管曝光次数),性价比,图像质量,相关选件的临床适用性,售后服务中的价格、应答时间、维修及时性,以及球管的价格等,选择1-2家综合因素优越的生产公司和机型作为备选。对临床应用软件的选择则应考虑充分,那些是必须的软件,而必须的软件则应在标准套内,对选件则应考虑该软件的功能对医院当前是否适用,已经短期内医院能否开展相关的业务,过分超前没有意义,对医院临床科室没可能开展的应用则尽可能不要选择。采购的CT应是具有先进的技术和功能,推动医院的发展,促进医院整体医疗水平的提高。


3.4. 可靠性和售后


医疗设备是关乎人民群总身体健康和生命安危的特殊商品,因此在CT选购中一定要重视其可靠性。其包括图像质量的稳定和设备的稳定,在使用期间应保持优异的图像质量,优异图像质量是正确诊断的基本保证;设备的稳定性就是故障率要低,必要保证95%以上的开机率。对中小型医院还要考虑设备的可维修性。售后包括维护费用、软件升级、零配件价格、球管寿命、保用次数等等。球管是CT中的易损件,其占据后续使用中成本的大头,因此对球管的价格和实际曝光次数应特别重视的。


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