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医学影像学的技术进展

    医学影像学是一门设备依赖型学科,医学影像学设备,尤其是CT、MR设备又受自然科学中发展最迅猛的尖端技术驱动,以名符其实的日新月异的速度在发展。在医学影像学发展的各阶段,都会对与之密切相关的其他临床学科产生重要的、有时是划时代的影响。当前,以CT、MR技术发展为代表的医学影像学的发展正是处于这样一个阶段。

    CT技术的进展 1998年是CT技术发展中又一个划时代的标志。是年,几个主要CT设备制造厂家同时推出了四层采集的螺旋CT(多层螺旋CT),关于其原理已在另文中作过介绍[1-3]。以此为起点,2000年推出了8层采集的螺旋CT;2001年推出了16层的螺旋 CT,其间还开发了原理近似的2层、6层和10层采集的螺旋CT;2002年推出了经过改良电子束CT。多层螺旋CT的关键性突破是采用了多列的宽体检测器代替了单层螺旋CT的单列检测器。通过控制各列检测器信息通道的开关,即可得到以4为基数的、不同层厚的重建影像。多列检测器中最薄的列的检测器宽度即决定了最薄的采集层厚,即Z 轴分辨力。如目前检测器设计中,最薄列检测器的宽度分别为0.5 mm(Toshiba)、0.625 mm(GE)和 0.75 mm(Siemens和Philips),此即为各家设备可采集的最薄层厚。最薄层厚的设定不是随机的,它和几个主要的性能参数密切相关,即锥形X线束重  

    多列检测器与锥形X线束 最初的4层采集的螺旋CT检测器分对称型(GE)与非对称型(其他厂家)两种结构。GE的对称型检测器每列宽度为 1.25 mm,共16列;Siemens和Philips(原Marconi) 的非对称型检测器自中心至外侧分别为1.0 mm、 1.5 mm、2.5 mm和5 mm,两侧共8列;Toshiba的非对称型检测器自中心至外侧分别为0.5 mm×2 和1 mm×15,两侧共34列。16层采集的螺旋CT, 检测器的设计有了进一步变化,其中GE放弃了对称型设计,也采用了非对称型设计。16层螺旋CT 检测器目前的设计,GE为中间0.625 mm×16列, 两侧各1.25 mm×4列,共24列,覆盖宽度20 mm; 11Siemens和Philips为中间0.75 mm×16列,两侧各 1.5 mm×4列,共24列,覆盖宽度24 mm;Toshiba 为中间0.5 mm×16列,两侧各1 mm×12列,共40 列,覆盖宽度32 mm。因此,三种设计中最薄采集层厚分别为0.5 mm(Toshiba),0.625 mm(GE)及 0.75 mm(Siemens和Philips)。除决定最薄采集层厚外,多列检测器的设计还要适应锥形线束的采集。在多层螺旋CT机上,锥形X线束(cone beam)实际上是宽的扇形束,其宽度不是仅覆盖一列(单层螺旋CT),而是要覆盖设计规定的多列检测器。随锥形线束宽度增加,扫描中入射每一检测单元的射线轨迹和角度均不同,几何学误差会随之加大;且在高速旋转中,X线管在不同位点发出的X线扫描的不会是同一层面,因此锥形线束扫描中,针对4层、8层、 16层采集的重建算法及锥形线束伪影消除算法是关键的技术之一。各型 CT机的设计均伴有自己的特定的重建算法,这些算法实际上的优劣一般不易直观量化比较,但在重建效果上会有一定差别,故各厂家设计上均在不断优化。

    采集速度 4层螺旋CT的扫描速度(更宜使用“采集速度”),相对仍较慢,如全周扫描(full scan, X线管旋转一周采集的用于重建4层影像的信息) 可长达0.8 s;部分扫描(partial scan,X线管旋转不足一周采集的用于重建4层影像的信息)达0.5 s 以上。即使如此,以这样的速度使机架内重量超过 1吨的机件高速旋转产生的离心力即已达13 G。该速度已经达到宇宙速度,即已可克服地球的引力。 16层CT的扫描速度(全周扫描)已可达0.325 s,产生的离心力可达20 G。这样大的离心力对机架机械强度的要求,更重要的是对产生如此高速旋转的机械能力的要求是可想而知的,这也是设计上不可能更大幅度提高扫描速度的主要限制之一。如此短的采集时间带来的主要的技术优势是极大地丰富了采集的期相;更好地克服了运动器官的移动伪影和可在很短的时间内完成大范围的扫描。

    X线剂量 多层螺旋CT X线管旋转一周可采集4~16层影像,和单层螺旋CT每次仅采集一层相比表面上的剂量优势实际上远被下述因素抵消了:①多层面螺旋CT和单层者相比,不仅是“快”, 更重要的是突出“薄”,因此在相同的采集范围,因采集层面的数目明显增多,其总剂量不会减少,反可增高;②多层螺旋CT采集极薄的层面时,因体素接受的光子数量相对较少,为保证影像的信噪比,扫描的剂量需要相应提高;③薄层、大量采集的原始数据不是仅为了重建数百甚至数千幅横断面影像,而是为了各种重组处理。因此采集的范围往往比单层螺旋 CT要大(如CTA),有时甚至要作从头到脚的全身扫描(如创伤病人)。 4~16层螺旋CT的X线剂量目前仍是较高的,很多降低剂量的措施,如智能滤过、自动mA调制、自动mA设置、变速扫描和期相选择性曝光技术及各种心电门控技术等已用于现有的设备。但是, 剂量问题应该是权衡检查参数时始终应该重视的问题。

    各向同性体素 最薄采集层厚决定了影像的 Z轴分辨力,但极薄的原始横断面重建影像直接用于诊断不仅没有特殊意义,而且短时间内解读数百至数千幅影像也是不可能的。这些原始横断面影像主要是用于重组处理,重组为各种形式的二维、三维乃至“四维”影像。因此,最薄层厚涉及了重组处理中的关键因素之一———体素的各向同性。 CT检测器的设计可以规定像素(pixel)与矩阵 (matrix)的大小,当应用最早的层面采集与显示方式时,层厚只涉及“部分容积效应”带来的失真。当应用多层面螺旋CT作重组影像显示时,则涉及的不仅是像素与矩阵的概念,还要涉及“体素”(voxel) 这一概念。像素是“面积”的概念,是二维的;“体素” 则为“体积”的概念,是三维的,即有长、宽和高。其中“长”和“宽”即“像素”的二维参数;“高”则由采集层厚决定。当采集层厚与“长”和“宽”三个参数相同时,该体素为“各向同性”(isotropic)的,否则则为“各向异性”(anisotropic)的。应用各向同性体素的数据作重组处理时,重组影像不会失真;若体素的数据是各向异性的,重组影像将会不同程度的失真。事实上,为了实现各向同性体素采集,还需选择适当的视野(FOV)。当以5122 的矩阵采集时,GE 公司的设计需采用32 cm的FOV,可得到0.625 mm3的各向同性体素;Siemens和Philips公司的设计需采用38 cm的FOV,得到0.75 mm3的各向同 性体素;Toshiba公司的设计则需选择25 cm的 FOV,得到0.5 mm3的各向同性体素。

    新型电子束CT GE公司收购了原生产电子束CT(EBCT)的厂家(Imatron)后,最新推出了新一代电子束CT—e-Speed。该电子束CT机型的基本结构与原EBCT基本相同,即以电子枪发射电子束, 经偏转后激发扫描架上的靶环,后者发射X线扫描检测器,形成层面影像。和传统EBCT相比,e- Speed有以下改进:①每次扫描可产生2层1.5 mm 厚的影像;②时间分辨力可达33 ms(33 ms、50 ms、 100 ms),每秒可采集30帧影像。目前16层螺旋 CT最快的采集速度为0.325~0.5 s,则e-Speed的时间分辨力为16层螺旋CT的10~12倍;③检测器数目为3 456个,根据“有效体素”的理论,即有效体素=运动速度×实际扫描时间,则16层螺旋CT 采集时间设为0.4 s时:0.4×20 mm=8 mm体素位移;EBCT采集时间设为0.03 s时:0.03×20 mm =0.6 mm体素位移,后者可获得更好的“动态空间分辨力”。厂家公布的空间分辨力指标为14线对 (Lp)/cm;④e-Speed采用前置门控方式采集心脏的信息,即R波触发的方式,可比回顾性门控节省X 线剂量,据厂家介绍,其X线利用率可达100%,且可节省约1/3量的对比剂,在心率为40~120次/ min的范围内,含心率不齐时,均可适用;⑤和传统的EBCT仅适用于心脏检查不同,e-Speed也可用于全身各部位的容积采集;⑥由于设计中机架内结构不旋转,故不涉及与高速旋转的离心力相关的机械运动问题,故障率也相应减少;⑦mA值可提高到 1 000 mA,从而可提高影像的信噪比;⑧病人床可旋转,从而可直接作心脏的长轴与短轴位采集。该种CT设备采集的最薄层厚及每次采集的层数尚不及16层螺旋CT 是为不足。此外,价格也相对昂贵。

    X线管-平板检测器CT 实际上,仍以X线管作为成像能源,但以平板检测器取代多列检测器的研究几乎每一家大的CT生产厂家,包括未开发多层螺旋 CT的Shimadzu公司等,都已在进行。以平板检测器取代多列检测器后的采集方式各家的选择也有不同,如仍保持传统的螺旋采集方式、阶段性层块采集方式等。至少目前在样机上以实验动物成像已可获得良好的影像。除采集方式外,此型设计还涉及扫描剂量偏高、需要新的重建算法、因数据量大增而需大幅度提高计算机能力和包括平板检测器自身的成本与设计 (如平板检测器只能平置,不能弧形放置)等问题有待进一步解决。此外,生产厂家不可能以极短的周期频繁换代,否则既无法树立客户在产品选型方面的信心,也无法回收开发的成本。因此,估计此型设备最快也需3年以上方会面市。

    超宽检测器多层螺旋CT Toshiba公司2001 年提出的256列超宽检测器64层采集的下一代多层螺旋CT是沿用目前的多列检测器而不采用平板检测器的发展模式。目前已有两台样机。至少其中一台已经开始临床试用。目前尚无法预料哪一种(或其他新的)模式会主导下一代CT的模式。

    MRI技术的进展 MR设备与技术的发展并未显示类似CT设备那样的,在硬件与理念方面的几次换代性更新,而是以一种稳定、持续的方式完善和发展。




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