“我们认为,这项技术有可能是CT成像技术上的一次历史性飞跃。”
GE医疗全球总裁兼首席执行官
Kieran Murphy
在刚结束的CMEF上,GE医疗“科技之境”里展示的光子计数CT技术很吸睛。
今天,我们就跟着GE医疗科学家的研发之路,来了解一下这项引领医疗影像学发展方向的不凡技术。
126年前,诺贝尔奖获得者德国物理学家伦琴发现了X射线,放射学就此诞生。
1979年计算机断层扫描设备(CT)被发明,其核心部件X射线球由GE科学家William Coolidge发明。正是因为有了X线球管,才有了当今几乎任何一家医院或诊所都可以对患者的骨折部位进行扫描的突破性进展。
以伦琴的突破性发现为基础衍生出的CT影像技术,至今已经发展了42年。
今天,CT技术正在迎来一场变革。GE医疗的研发工程师们找到了一种新的方法,可以极大增强CT设备业已强大的成像能力——利用超灵敏的“深硅”X射线探测器和光子计数技术,来捕获并分析穿过人体的X射线,并将其渲染成细致入微的心脏或肺部图像。
让医生以更高的清晰度和特异性透视人体深处,同时,与传统CT扫描相比,患者接收X射线的剂量更少。
光子计数CT的问世之路是一个艰辛的旅程,是GE医疗的科学家数十年的坚持获得的成功。
上世纪90年代初,GE医疗的科学家们就开始研究光子计数探测器。
他们尝试用碲化镉(CdTe)和碲化镉锌(CZT)这样的材料来构建探测器。
他们使用CZT探测器构建了当时世界上第一台光子计数CT原型机,并在一年后,用于扫描实验,作为临床研究的一部分。
我记得当我刚刚加入GE的时候,一些探测器专家认为光子计数技术永远不会成功,而另一些专家则持相反意见,他们不断努力并取得突破。
De Man
GE医疗CT研发团队专家 医学成像博士
领导早期光子计数CT开发团队
一直以来,GE的研发团队看好的材料是硅,因为硅的纯度高,而且半导体行业已经在很大程度上研究出如何大规模生产由硅制成的零件。
但是,用它来制造CT探测器则是一个漫长的尝试。最大的挑战就是硅阻止到达的X射线光子的能力相对较差。CZT模块只有几毫米深,而硅基材料的探测器模块必须更深。
直到2015年,GE的科学家们与来自瑞典初创公司Prismatic Sensors AB的研究人员走到一起,他们找到一种方法,可以实现使用硅作为探测器材料,在边缘将硅模向侧面转动并测量康普顿效应(Compton interactions),并仍能检测所有X射线,这样它们就可以对图像做出贡献,问题迎刃而解。
Prismatic首席执行官Mats Danielsson说:
硅是迄今为止用于探测器的最纯净的材料,能够提供非常干净的信号。
借助深硅,医疗影像界能够以前所未有的能量分辨率高效进行计数光子。
注:GE医疗自2017年以来一直持Prismatic Sensors的少数股权,并在2021年1月完成了对该公司的收购。
光子计数CT探测器不仅可以测量通过的的X射线的总强度,还可以对单个X射线光子进行计数,并确定每个光子的能量。
De Man说,正是每个光子的定量能量信息才使得光子计数CT比传统技术更准确地表征体内组织。
这是一个重大突破:我们不仅可以对组织的密度进行成像,还可以评估构成组织的物质成分。这类信息可帮助医生对各种疾病状态进行诊断。
这样的突破为早期发现病变提供更多定量信息,显著提升肿瘤学、心脏病学、神经病学和许多其它临床CT应用的临床表现。
这将改变多个科室诊疗环境,帮助医生带来更准确的临床诊断依据。光子计数CT所带来得图像空间分辨率是传统CT的2~3倍,这有助于医生以更高的清晰度透视人体深处,看到更多细节,看到更小的解剖结构,这对于患者,特别是儿童患者来说,是个福音。
(数据来自GE医疗全球研发团队。)
我个人认为,空间分辨率——即能够检测并区分最小的解剖特征的能力——是最大的好处之一。
空间分辨率与能量分辨率(energy resolution)相结合,有可能显著提升肿瘤学、心脏病学、神经病学和许多其它临床CT应用的临床表现。
例如,肺结节的准确特征可以帮助医生确定它们是恶性还是良性。当患有心血管疾病的人出现斑块时,向临床医生提供斑块细节有助于他们做出精准诊断。
还可以对骨质疏松症患者的骨骼微结构进行成像,以判断骨折风险。这只是可能得益于这项技术的三个应用场景。
GE医疗全球医学影像研发团队
技术经理
Bruno De Man
每一项科技新突破,都掀开人类发展的光辉一页。回首100多年人类在放射学的艰苦探索,GE医疗始终扮演着创新者和引领者的角色。
一代代GE科学家的持续努力,让医疗技术不断为临床带来工具,解决问题,打败疾病。
下一代的光子计数CT,也承载了一样的使命:关爱生命重要时刻。