我國(guó)X-CT發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

遲戈王亞南

1遼寧省藥械審評(píng)與監(jiān)測(cè)中心 （沈陽(yáng) 110003）

2遼寧省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)院 （沈陽(yáng) 110179）

我國(guó)X-CT發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

遲戈1王亞南2

1遼寧省藥械審評(píng)與監(jiān)測(cè)中心 （沈陽(yáng) 110003）

2遼寧省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)院 （沈陽(yáng) 110179）

X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備（X-ray Computed Tomography Equipment，CT）是必不可少的現(xiàn)代影像診斷手段之一，然而，目前我國(guó)市場(chǎng)90%的CT產(chǎn)品被GE、西門(mén)子、飛利浦、東芝等國(guó)外公司壟斷。制約國(guó)產(chǎn)CT發(fā)展的主要問(wèn)題是缺乏核心技術(shù)，核心技術(shù)受制于人，限制了產(chǎn)品的研發(fā)和更新?lián)Q代的能力，也大大增加了成本。隨著我國(guó)新醫(yī)改的啟動(dòng)，國(guó)家將大力支持國(guó)產(chǎn)高科技影像設(shè)備的研發(fā)，致力于打破國(guó)外影像產(chǎn)品的壟斷局面。

X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢(shì)

X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備（X-ray Computed Tomography Equipment，CT)，是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和X線攝影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，CT機(jī)已經(jīng)由最初的所謂第一代CT機(jī)發(fā)展到目前的第五代CT機(jī)、多排螺旋CT、PET/CT等，其性能和技術(shù)的改革異常迅速，成為醫(yī)學(xué)診斷中不可或缺的醫(yī)用診斷設(shè)備[1]。然而，目前我國(guó)市場(chǎng)90%的CT產(chǎn)品被GE、西門(mén)子、飛利浦、東芝等國(guó)外公司壟斷。隨著我國(guó)新醫(yī)改的啟動(dòng)，國(guó)家將大力支持國(guó)產(chǎn)高科技影像設(shè)備的研發(fā)，致力于打破國(guó)外影像產(chǎn)品的壟斷局面。2016年6月，國(guó)家科技管理信息系統(tǒng)公布了2016年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，其中明峰醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司關(guān)于256排16厘米高清高速大容積醫(yī)學(xué)CT系統(tǒng)及核心技術(shù)研發(fā)和上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司關(guān)于320排CT整機(jī)及核心部件研發(fā)，均獲得科技部的研發(fā)支持。我國(guó)X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影設(shè)備的自主研發(fā) 技術(shù)正逐步發(fā)展，不斷縮小與國(guó)外壟斷公司的差距。

1.我國(guó)X-CT的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)生產(chǎn)X-CT的企業(yè)主要有沈陽(yáng)東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司、上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司、深圳安科高技術(shù)股份有限公司、明峰醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司等。東軟醫(yī)療從1998年自主研發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)CT機(jī)至今已近20年的發(fā)展歷史，目前在我國(guó)國(guó)產(chǎn)CT的研發(fā)中仍處于領(lǐng)先地位，2012年其自主研發(fā)的中國(guó)首臺(tái)64層螺旋CT成功問(wèn)世，2015年，NeuViz 128排螺旋CT獲得CFDA、FDA、CE等多方認(rèn)證。128排CT也是目前國(guó)產(chǎn)CT的最高水平。上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司是近幾年發(fā)展起來(lái)的公司，引進(jìn)了大量的國(guó)外高尖端人才致力于CT技術(shù)的開(kāi)發(fā)，在16排CT產(chǎn)品推出一年內(nèi)直接跨越式推出128排CT。深圳安科和明峰醫(yī)療目前已上市產(chǎn)品為16排CT，正致力于64排CT的研發(fā)和注冊(cè)階段。

2.趨勢(shì)分析

制約國(guó)產(chǎn)CT發(fā)展的主要問(wèn)題是缺乏核心技術(shù)，核心技術(shù)受制于人，限制了產(chǎn)品的研發(fā)和更新?lián)Q代的能力，也大大增加了成本。CT的核心技術(shù)包括探測(cè)器、X光球管、滑環(huán)和數(shù)據(jù)傳輸、采集系統(tǒng)以及圖像重建算法。國(guó)產(chǎn)CT的發(fā)展趨勢(shì)就是緊密?chē)@制約我國(guó)CT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，重點(diǎn)是突破低成本高性能稀土閃爍以及陣列設(shè)計(jì)制造技術(shù)、模塊化并可擴(kuò)展的探測(cè)器技術(shù)、高通道探測(cè)器數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用集成電路ASIC芯片設(shè)計(jì)制造技術(shù)、大功率X線球管設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高速滑環(huán)設(shè)計(jì)制造技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以及能譜成像算法和校正技術(shù)等關(guān)鍵嵌入式軟件研發(fā)?！笆濉逼陂g計(jì)劃實(shí)現(xiàn)整機(jī)產(chǎn)品中的主要核心部件國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)，可以研制生產(chǎn)高清大容積醫(yī)學(xué)CT系統(tǒng)，具有一次掃描覆蓋任何器官功能，整機(jī)系統(tǒng)掃描時(shí)間不大于0.2s，掃描范圍不小于16cm，X射線管熱容量不小于8MHU。

2.1 探測(cè)器

CT探測(cè)器是CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換的核心部件，它直接接收X線束穿過(guò)被照物后的光子信號(hào)，通過(guò)其自身的特性轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。一個(gè)典型的探測(cè)器包括介質(zhì)（如閃爍體等）、光電轉(zhuǎn)換陣列和電子學(xué)部分，此外還有準(zhǔn)直器、電源等輔助設(shè)備[2]。探測(cè)器的閃爍體材料的作用是將X光轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，然后將可見(jiàn)光輸送給發(fā)光二極管，好的閃爍體材料應(yīng)體現(xiàn)在轉(zhuǎn)換效率高且余暉短，X射線的利用率高，目前主要的購(gòu)買(mǎi)廠家為東芝和日立的GOS閃爍體材料。ASIC芯片的功能是將光電二極管傳出的模擬電子信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電子信號(hào)，然后傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建，ASIC的噪音、線性度、功耗、動(dòng)態(tài)范圍、采樣速度等決定了ASIC的性能，目前主要的購(gòu)買(mǎi)廠家為ADI（Analog Device Inc）和TI（Texds Tnstruments）。國(guó)際一線的品牌廠家都一直保持高投入進(jìn)行探測(cè)器的研發(fā)與提升。GE公司采用的是Hilight（摻銪的氧化釔釓?fù)该魈沾桑┖虶emstone（寶石）兩種稀土陶瓷探測(cè)器，其中寶石材料是目前先進(jìn)的醫(yī)用CT探測(cè)器材料，同時(shí)，GE公司最近研發(fā)的Vyper ASIC芯片具有功耗低、噪音低、顯性好等優(yōu)勢(shì)，與光電二極管直接耦合，提高了集成度，降低了噪音。西門(mén)子擁有自己的GOS高速稀土陶瓷探測(cè)器生產(chǎn)線，有較強(qiáng)的材料研發(fā)實(shí)力，其使用AMS的ASIC芯片于2011年推出了Steller探測(cè)器，號(hào)稱(chēng)有非常低的電子噪音和信號(hào)串?dāng)_，但同時(shí)出現(xiàn)溫度控制和探測(cè)器模塊壽命縮短等問(wèn)題。飛利浦近幾年在探測(cè)器新技術(shù)研發(fā)上投入了大量資金，在三維準(zhǔn)直器、ASIC以及DAS電子系統(tǒng)集成上有競(jìng)爭(zhēng)力，但必須依賴(lài)日立提供的GOS陶瓷。在探測(cè)器方面，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)目前只有組裝集成的能力，沒(méi)有生產(chǎn)閃爍體材料以及ASIC（Application Specific Integrated Circuit）等核心部件的技術(shù)和人才，局限于購(gòu)買(mǎi)國(guó)外廠家的材料和芯片進(jìn)行組裝。

2.2 X線球管

CT的運(yùn)行需球管在大功率情況下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間掃描，其對(duì)產(chǎn)生射線的球管要求非常高，為此CT球管從固定陽(yáng)極發(fā)展到旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極，陽(yáng)極散熱從輻射散熱到直冷式散熱。CT球管的主要性能指標(biāo)是熱容量和散熱率[3]。多層螺旋CT所用球管熱容量通常在3MHU以上。由于CT球管研制開(kāi)發(fā)成本較高，同時(shí)與整機(jī)密切融合，而國(guó)內(nèi)高熱容量球管的研制與國(guó)外相比還有差距，目前國(guó)產(chǎn)CT不得不長(zhǎng)期從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口球管，主要的進(jìn)口球管供應(yīng)商有Dunlee和Varian，均有能力生產(chǎn)8MHU的球管。GE、飛利浦、西門(mén)子均擁有自己的球管，GE生產(chǎn)的64排VCT的熱容量已達(dá)到8MHU，飛利浦生產(chǎn)的iMRC球管具有120KW的功率，支持轉(zhuǎn)速220rpm，使用螺旋槽軸承，液態(tài)金屬潤(rùn)滑，散熱效果好，號(hào)稱(chēng)等同于30MHU的熱容量，西門(mén)子生產(chǎn)的Stratan球管和iMRC性能類(lèi)似。隨著國(guó)內(nèi)各大醫(yī)院CT的普及，其需求量越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)迫切需要研制高熱容量的CT球管。目前國(guó)產(chǎn)5MHU的CT球管主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，下一步還需經(jīng)過(guò)CT機(jī)長(zhǎng)期使用以檢驗(yàn)其可靠性和穩(wěn)定性。“十三五”期間將重點(diǎn)研發(fā)8MHU熱容量100kw的大功率球管。

2.3 滑環(huán)和數(shù)據(jù)傳輸

20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)了滑環(huán)技術(shù)，去除了球管和機(jī)架之間的連接電纜，解決了球管在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電纜纏繞的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了球管-探測(cè)器可以單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的功能，大大加快了掃描速度。所謂滑環(huán)技術(shù)，是指CT機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分和固定部分采用炭刷-滑環(huán)接觸的連接方式，工作時(shí)，滑環(huán)將電從供電系統(tǒng)供給轉(zhuǎn)子，并且在定轉(zhuǎn)子之間進(jìn)行操作指令和大量數(shù)據(jù)的傳輸[4]。數(shù)據(jù)傳輸對(duì)滑環(huán)帶寬的要求非常高，數(shù)據(jù)的傳輸帶寬必須達(dá)到20～40G/s左右，目前國(guó)產(chǎn)的滑環(huán)帶寬一般不超過(guò)10G/s。高速滑環(huán)的供應(yīng)商主要是德國(guó)Sliefring和美國(guó)的Moog公司，德國(guó)的GAT公司也有一些比較低端的產(chǎn)品。近幾年國(guó)內(nèi)也有一些公司致力于研發(fā)CT的滑環(huán)技術(shù)，深圳晶沛電子有限公司目前可定制0.5～3米內(nèi)徑，傳輸100bit高速數(shù)據(jù)信號(hào)、1000M以太網(wǎng)、光纖信號(hào)等，2000VAC高電壓，500A大電流的CT滑環(huán)。中科院蘇州醫(yī)工在光傳輸滑環(huán)的研究上取得了較大進(jìn)步，并且研制了能夠用于CT的滑環(huán)樣機(jī)。

2.4 采集系統(tǒng)和圖像重建算法

從物理學(xué)角度來(lái)看，在實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)CT高速大容積采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，掃描范圍的擴(kuò)大將帶來(lái)嚴(yán)重的圖像質(zhì)量問(wèn)題，主要的技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，散射的增加造成圖像偽影和噪音；第二，錐束效應(yīng)使得掃描范圍的兩側(cè)（Z方向）圖像質(zhì)量變壞；第三，足跟效應(yīng)導(dǎo)致Z方向CT值的不一樣。因此，圖像重建必須解決錐束偽影和散射對(duì)圖像造成的影響，使圖像質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；解決心臟運(yùn)動(dòng)給圖像造成的運(yùn)行偽影；基于系統(tǒng)噪聲模型的邊緣保持約束項(xiàng)，解決迭代重建圖像中的斑塊狀偽影及過(guò)度平滑現(xiàn)象；低劑量條件下的投影域能譜數(shù)據(jù)分解方法，能夠進(jìn)行單能量成像和物質(zhì)化學(xué)組成鑒別，能夠?qū)崿F(xiàn)高速大容積CT的空間分辨率141p/cm，重建速度大于30幀/s。此外，能譜CT成像已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，目前能譜成像的方法有GE公司的高低壓瞬切、西門(mén)子的雙源雙探測(cè)器、飛利浦的雙層探測(cè)器以及東芝的二次不同能量的掃描。通過(guò)自主研發(fā)能譜成像算法形成我們獨(dú)特的能譜技術(shù)，達(dá)到多物質(zhì)能譜成像，實(shí)現(xiàn)靈活的多物質(zhì)定性和定量，病灶早發(fā)現(xiàn)、病灶性質(zhì)鑒別、腫瘤同源性鑒別、療效評(píng)估、血管顯微成像和低劑量成像，同時(shí)還能消除射線硬化尤其是骨硬化帶來(lái)的偽影。

3.小結(jié)

未來(lái)CT機(jī)的發(fā)展方向?yàn)槿莘eCT、能量CT和低劑量乃至無(wú)害CT。容積CT要求探測(cè)器越來(lái)越寬、機(jī)架轉(zhuǎn)速越來(lái)越快、X射線球管熱容量越來(lái)越大。目前東芝已研制生產(chǎn)640層的CT。能量CT要求探測(cè)器的靈敏度和分辨率越來(lái)越高、X射線的可變性越來(lái)越高，能量將成為除密度外的第二CT診斷元素。低劑量乃至無(wú)害CT要求探測(cè)器的靈敏度越來(lái)越高同時(shí)后處理軟件功能強(qiáng)大。國(guó)產(chǎn)CT的發(fā)展仍然任重而道遠(yuǎn)。

[1] 張學(xué)龍. 醫(yī)學(xué)成像設(shè)備. 中國(guó)醫(yī)藥科技出版社, 2010.

[2] 蘇重清, 劉東紅, 楊立國(guó)等. 對(duì)多層CT的多排探測(cè)器的改進(jìn)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究[ J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備, 2013(03).

[3] 張富治, 盛興等. X射線CT球管的研制進(jìn)展[ J]. 真空電子技術(shù), 2016(01).

[4] 李秀忠, 鐘洪波. 螺旋CT機(jī)滑環(huán)結(jié)構(gòu)探討與維修[ J]. CT理論與應(yīng)用研究, 2010(01).

X-ray CT Development Present Situation and the Trend of China

CHI Ge1WANG Ya-nan2
1 Liaoning Centor for Drug and device Evaluation and Monitoring (Shenyang 110003)
2 Liaoning Medical Device Test Institute (Shenyang 110179)

X-ray Computed Tomography Equipment(CT) is one of the indispensable modern imaging diagnostic methods, however, at present our country 90% of the market, CT products such as GE, Siemens, philips, Toshiba has been foreign company monopoly. Main problems restricting the development of domestic CT is the lack of core technology, restrictions on the ability of the research and development and upgrading of products, has greatly increased the costs. With the start of the new reform in our country, the state will vigorously support equipment research and development of domestic high-tech image, to break the monopoly of foreign images company situation.

X-ray computed tomography equipment, Present Situation, Trend

1006-6586(2017)01-0012-03

R814.42

A

2016-10-11