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【学术分享】我国X-CT 发展现状及趋势

中国医疗器械信息杂志2018-11-18 16:09:50

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来源: 本文刊登于《中国医疗器械信息》杂志2017年第1期12-14页

          作者: 迟戈1 王亚南2

          单位:1 辽宁省药械审评与监测中心 (沈阳 110003)

                      2 辽宁省医疗器械检验检测院 (沈阳 110179)

内容提要:  X 射线计算机断层摄影设备(X-ray Computed Tomography Equipment,CT)是必不可少的现代影像诊断手段之一,然而,目前我国市场90% 的CT 产品被GE、西门子、飞利浦、东芝等国外公司垄断。制约国产CT 发展的主要问题是缺乏核心技术,核心技术受制于人,限制了产品的研发和更新换代的能力,也大大增加了成本。随着我国新医改的启动,国家将大力支持国产高科技影像设备的研发,致力于打破国外影像产品的垄断局面。

关 键 词:X 射线计算机断层摄影设备 发展现状 趋势


        X 射线计算机断层摄影设备(X-ray ComputedTomography Equipment,CT),是电子技术、计算机技术和X 线摄影技术相结合的产物。随着各个科学领域技术的发展,CT 机已经由最初的所谓第一代CT 机发展到目前的第五代CT 机、多排螺旋CT、PET/CT 等,其性能和技术的改革异常迅速,成为医学诊断中不可或缺的医用诊断设备[1]。然而,目前我国市场90% 的CT 产品被GE、西门子、飞利浦、东芝等国外公司垄断。随着我国新医改的启动,国家将大力支持国产高科技影像设备的研发,致力于打破国外影像产品的垄断局面。2016 年6月,国家科技管理信息系统公布了2016 年国家重点研发计划,其中明峰医疗系统股份有限公司关于256 排16 厘米高清高速大容积医学CT 系统及核心技术研发和上海联影医疗科技有限公司关于320 排CT 整机及核心部件研发,均获得科技部的研发支持。我国X 射线计算机断层摄影设备的自主研发技术正逐步发展,不断缩小与国外垄断公司的差距。

1.
我国X-CT 的发展现状


        我国生产X-CT 的企业主要有沈阳东软医疗系统有限公司、上海联影医疗科技有限公司、深圳安科高技术股份有限公司、明峰医疗系统股份有限公司等。东软医疗从1998 年自主研发了我国第一台国产CT 机至今已近20 年的发展历史,目前在我国国产CT 的研发中仍处于领先地位,2012 年其自主研发的中国首台64 层螺旋CT成功问世,2015 年,NeuViz 128 排螺旋CT 获得CFDA、FDA、CE 等多方认证。128 排CT 也是目前国产CT 的最高水平。上海联影医疗科技有限公司是近几年发展起来的公司,引进了大量的国外高尖端人才致力于CT 技术的开发,在16排CT 产品推出一年内直接跨越式推出128 排CT。深圳安科和明峰医疗目前已上市产品为16 排CT,正致力于64 排CT 的研发和注册阶段。

2.
趋势分析

        制约国产CT 发展的主要问题是缺乏核心技术,核心技术受制于人,限制了产品的研发和更新换代的能力,也大大增加了成本。CT 的核心技术包括探测器、X 光球管、滑环和数据传输、采集系统以及图像重建算法。国产CT 的发展趋势就是紧密围绕制约我国CT 产业发展的技术瓶颈,重点是突破低成本高性能稀土闪烁以及阵列设计制造技术、模块化并可扩展的探测器技术、高通道探测器数据采集专用集成电路ASIC芯片设计制造技术、大功率X 线球管设计制造技术、高速滑环设计制造技术等多项关键技术,以及能谱成像算法和校正技术等关键嵌入式软件研发。“十三五”期间计划实现整机产品中的主要核心部件国产化,同时,可以研制生产高清大容积医学CT 系统,具有一次扫描覆盖任何器官功能,整机系统扫描时间不大于0.2s,扫描范围不小于16cm,X 射线管热容量不小于8MHU。

2.1 探测器

        CT 探测器是CT 数据采集系统中A/D 转换的核心部件,它直接接收X 线束穿过被照物后的光子信号,通过其自身的特性转换为相应的电信号。一个典型的探测器包括介质(如闪烁体等)、光电转换阵列和电子学部分,此外还有准直器、电源等辅助设备[2]。探测器的闪烁体材料的作用是将X 光转化为可见光,然后将可见光输送给发光二极管,好的闪烁体材料应体现在转换效率高且余晖短,X 射线的利用率高,目前主要的购买厂家为东芝和日立的GOS 闪烁体材料。ASIC 芯片的功能是将光电二极管传出的模拟电子信号进行处理并转换成数字电子信号,然后传送到计算机进行图像重建,ASIC 的噪音、线性度、功耗、动态范围、采样速度等决定了ASIC 的性能,目前主要的购买厂家为ADI(Analog Device Inc)和TI(Texds Tnstruments)。国际一线的品牌厂家都一直保持高投入进行探测器的研发与提升。GE公司采用的是Hilight(掺铕的氧化钇钆透明陶瓷)和Gemstone(宝石)两种稀土陶瓷探测器,其中宝石材料是目前先进的医用CT 探测器材料,同时,GE 公司最近研发的Vyper ASIC 芯片具有功耗低、噪音低、显性好等优势,与光电二极管直接耦合,提高了集成度,降低了噪音。西门子拥有自己的GOS 高速稀土陶瓷探测器生产线,有较强的材料研发实力,其使用AMS 的ASIC 芯片于2011 年推出了Steller 探测器,号称有非常低的电子噪音和信号串扰,但同时出现温度控制和探测器模块寿命缩短等问题。飞利浦近几年在探测器新技术研发上投入了大量资金,在三维准直器、ASIC 以及DAS 电子系统集成上有竞争力,但必须依赖日立提供的GOS 陶瓷。在探测器方面,国内生产企业目前只有组装集成的能力,没有生产闪烁体材料以及ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)等核心部件的技术和人才,局限于购买国外厂家的材料和芯片进行组装。

2.2 X 线球管

        CT 的运行需球管在大功率情况下连续长时间扫描,其对产生射线的球管要求非常高,为此CT 球管从固定阳极发展到旋转阳极,阳极散热从射散热到直冷式散热。CT 球管的主要性能指标是热容量和散热率[3]。多层螺旋CT 所用球管热容量通常在3MHU 以上。由于CT 球管研制开发成本较高,同时与整机密切融合,而国内高热容量球管的研制与国外相比还有差距,目前国产CT 不得不长期从国外购买进口球管,主要的进口球管供应商有Dunlee 和Varian,均有能力生产8MHU 的球管。GE、飞利浦、西门子均拥有自己的球管,GE 生产的64 排VCT 的热容量已达到8MHU,飞利浦生产的iMRC 球管具有120KW 的

功率,支持转速220rpm,使用螺旋槽轴承,液态金属润滑,散热效果好,号称等同于30MHU 的热容量,西门子生产的Stratan 球管和iMRC 性能类似。随着国内各大医院CT 的普及,其需求量越来越大,国内迫切需要研制高热容量的CT 球管。目前国产5MHU 的CT 球管主要技术指标达到设计要求,下一步还需经过CT 机长期使用以检验其可靠性和稳定性。“十三五”期间将重点研发8MHU 热容量100kw 的大功率球管。

2.3 滑环和数据传输

        20 世纪80 年代中期出现了滑环技术,去除了球管和机架之间的连接电缆,解决了球管在旋转运动过程中电缆缠绕的问题,实现了球管- 探测器可以单向连续旋转的功能,大大加快了扫描速度。所谓滑环技术,是指CT 机的运动部分和固定部分采用炭刷- 滑环接触的连接方式,工作时,滑环将电从供电系统供给转子,并且在定转子之间进行操作指令和大量数据的传输[4]。数据传输对滑环带宽的要求非常高,数据的传输带宽必须达到20~40G/s 左右,目前国产的滑环带宽一般不超过10G/s。高速滑环的供应商主要是德国Sliefring 和美国的Moog 公司,德国的GAT公司也有一些比较低端的产品。近几年国内也有一些公司致力于研发CT 的滑环技术,深圳晶沛电子有限公司目前可定制0.5~3 米内径,传输100bit 高速数据信号、1000M 以太网、光纤信号等,2000VAC 高电压,500A 大电流的CT 滑环。中科院苏州医工在光传输滑环的研究上取得了较大进步,并且研制了能够用于CT 的滑环样机。

2.4 采集系统和图像重建算法

        从物理学角度来看,在实现国产CT 高速大容积采集数据的同时,扫描范围的扩大将带来严重的图像质量问题,主要的技术难点体现在三个方面:第一,散射的增加造成图像伪影和噪音;第二,锥束效应使得扫描范围的两侧(Z 方向)图像质量变坏;第三,足跟效应导致Z 方向CT值的不一样。因此,图像重建必须解决锥束伪影和散射对图像造成的影响,使图像质量达到设计目标;解决心脏运动给图像造成的运行伪影;基于系统噪声模型的边缘保持约束项,解决迭代重建图像中的斑块状伪影及过度平滑现象;低剂量条件下的投影域能谱数据分解方法,能够进行单能量成像和物质化学组成鉴别,能够实现高速大容积CT 的空间分辨率141p/cm,重建速度大于30 帧/s。此外,能谱CT 成像已经成为一种趋势,目前能谱成像的方法有GE 公司的高低压瞬切、西门子的双源双探测器、飞利浦的双层探测器以及东芝的二次不同能量的扫描。通过自主研发能谱成像算法形成我们独特的能谱技术,达到多物质能谱成像,实现灵活的多物质定性和定量,病灶早发现、病灶性质鉴别、肿瘤同源性鉴别、疗效评估、血管显微成像和低剂量成像,同时还能消除射线硬化尤其是骨硬化带来的伪影。


3.
小结

        未来CT 机的发展方向为容积CT、能量CT和低剂量乃至无害CT。容积CT 要求探测器越来越宽、机架转速越来越快、X 射线球管热容量越来越大。目前东芝已研制生产640 层的CT。能量CT 要求探测器的灵敏度和分辨率越来越高、X射线的可变性越来越高,能量将成为除密度外的第二CT 诊断元素。低剂量乃至无害CT 要求探测器的灵敏度越来越高同时后处理软件功能强大。国产CT 的发展仍然任重而道远。


参考文献



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