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醫(yī)用X-線成像歷史的追溯、思考與期盼——為紀(jì)念我國(guó)第一臺(tái)CT誕生30周年而作

2013-01-27 07:09莊天戈
中國(guó)醫(yī)療器械雜志 2013年6期
關(guān)鍵詞:問世檢測(cè)器斷層

莊天戈

上海交通大學(xué),上海市,200030

在紀(jì)念我國(guó)第一臺(tái)X線機(jī)誕生60周年,第一臺(tái)CT機(jī)誕生30周年之際有必要追溯回顧一下國(guó)內(nèi)外X-線成像的發(fā)展歷程,冀能挖掘一些信息,得到一些對(duì)發(fā)展我國(guó)的醫(yī)療器械有益的啟示。

自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X-射線以來,醫(yī)用X-射線成像從投影成像擴(kuò)展到斷層成像;從幾何斷層成像發(fā)展到計(jì)算機(jī)斷層成像;從傳統(tǒng)的CT掃描發(fā)展到螺旋掃描;從吸收成像擴(kuò)展到相位成像;從扇束CT發(fā)展到錐束CT;從單源成像擴(kuò)展到雙源乃至多源成像。從‘單能’擴(kuò)展到‘雙能’乃至能譜或彩色CT成像;從機(jī)械掃描經(jīng)歷了電子掃描;如此等等,不一而足?,F(xiàn)在的X-線成像系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)取得的數(shù)據(jù)愈來愈多,病人所受劑量愈來愈少。廣義上講無論哪種X-線成像模式均可看作一個(gè)系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)的組件主要由三大模塊組成:X-射線源、檢測(cè)器以及運(yùn)動(dòng)控制模塊。不同的成像方式是由各式射線源、各種檢測(cè)器以及它們與成像對(duì)象間的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)(掃描方式)演繹而成。系統(tǒng)的輸入是待成像對(duì)象(人體),系統(tǒng)的輸出是圖像(數(shù)據(jù))。我們希望成像系統(tǒng)是理想的,也就是其點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是δ函數(shù)。對(duì)醫(yī)學(xué)診斷還要求數(shù)據(jù)采集高速度、低劑量和低成本。像任何事物一樣,醫(yī)學(xué)X-射線成像術(shù)的發(fā)展有高潮、有低潮,有時(shí)發(fā)展快些,有時(shí)發(fā)展慢些。本文擬從一個(gè)視角掃描其發(fā)展歷程,俾能以史為鑒,有所啟迪。

1 醫(yī)學(xué)X-線成像發(fā)展大事記

1.1 國(guó)際

1895年 倫琴發(fā)現(xiàn)X-射線,三天后倫琴夫人偶然看到了手的X-線造影,開創(chuàng)了X-射線攝影術(shù);

1913 年 Coolidge 引入”熱陰極”靜止陽極X-線管[1];

1921年 Bocage 在一篇法國(guó)專利中描述了一種斷層成像(幾何斷層成像Geometric Tomography)方法;1921年~1922年,在Netherlands 工作的Ziedes Plantes 獨(dú)立地開發(fā)出該方法[1];

1930年 旋轉(zhuǎn)陽極X-線管問世。其實(shí),這個(gè)概念,早在1897年就由Thomson E 教授[1]提出;

1931年 Ziedes Plantes發(fā)表了他研究幾何斷層成像的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用。并討論了多切面放射攝影(muttisection radiography);

1932年 幾何斷層成像術(shù)(分層片,X-射線體層攝影術(shù))付諸應(yīng)用;

1947年 同步輻射光源發(fā)現(xiàn);

1948年 X-線影象增強(qiáng)器問世[2];

1955年 R.W.Stanford研制出靜電放射攝影(干板攝影,Xeroradiography);

1956年 X-線電視問世;

1971年 Grant 發(fā)明模擬斷層組合成像術(shù)(Analog Tomosynthesis)[3];

1971年 Hounsfield G N (EMI公司)研制成世界上第一臺(tái)頭顱CT (Computed Tomography,計(jì)算機(jī)斷層掃描儀),并于同年9月安裝于倫敦Atkinson-Morley 醫(yī)院;翌1972年 取得世界上第一幅CT圖像;Hounsfield等發(fā)表了世界上第一篇CT論文;

1974年 Siemens 研制成第二代頭顱CT,Siretom 2000;

1975年 數(shù)字減影(Digital Subtraction Angiography,DSA)問世;

1977年 第一臺(tái)全身CT Somtom 1在Siemens公司問世;

1979年 G.N.Hounsfield、A.M.Cormack 獲1979年諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng);

1980年 動(dòng)態(tài)空間重建器(Dynamic Spatial Reconstructor,DSR)在Mayo Clinic建成;該機(jī)1973年就開始研制[12];

1981年 CR (Computed Radiography)問世 (富士) ;

1983年 電子束CT(Electronic Beam CT,或EBCT),C 100問世(加州大學(xué) 舊金山分校);

1988年 平板檢測(cè)器在 Xerox,PARC 研制成功[4];

1989年 第一臺(tái)螺旋CT(Spiral CT)由Siemens研制成功[5];螺旋CT的新構(gòu)想由日本學(xué)者Issei Mori 于1983年提出。他就這一新構(gòu)想在1983年12月申請(qǐng)了美國(guó)專利,并在1986年12月正式獲得專利授權(quán)[6];

1993年 雙層螺旋 CT (CT-MxTwin),在Elsint 公司下線,開創(chuàng)了多層螺旋CT的時(shí)代;

1995年 第一臺(tái)DR (Digital Radiography)由杜邦公司在該年的 RSNA上展出[7];實(shí)際上1992年國(guó)際上已有關(guān)于DR的報(bào)道;

1996年 第一臺(tái)CBCT(cone beam CT,錐形束CT)——口腔CT,New Tom 9000,由意大利QR s.r.l公司制成。對(duì)Spiral CBCT掃描的理論研究最先由王革教授于1991年開創(chuàng)[8];

1997年 數(shù)字組合斷層成像 (Digital Tomosynthesis,DT) 出現(xiàn),在2004年的RSNA上有產(chǎn)品展出;

1998年 4層螺旋CT,由GE、Marconi、Siemens制成;

2001年 16排CT,GE lightspeed 16,問世;

2004年 64排螺旋CT由 GE、Philips、Siemens、Toshiba 等公司獨(dú)立制成;

2004年 256層螺旋CT 由Toshiba公司研制成功;

2005年 雙源螺旋CT (Dual Source CT) 在Siemens公司問世;

2007年 東芝 320排螺旋CT acquilion one研制成功;

2007年 寶石CT 能譜成像由GE公司研制成功,并在RSNA上展出,2008年獲FDA批準(zhǔn)。該機(jī)型速度快,病人所受劑量小,可實(shí)現(xiàn)2個(gè)能量切換。

1.2 國(guó)內(nèi)

1953年 我國(guó)自行研制的第一臺(tái)醫(yī)用X-線機(jī)200-53在上海精密醫(yī)療器械廠投產(chǎn);幾乎同時(shí),東北精密醫(yī)療儀器廠也研制成功同一類型的X-線機(jī)[9];

1955年 國(guó)產(chǎn)X-光管誕生(復(fù)旦大學(xué)、上海精密醫(yī)療器械廠)[9];

1958年 國(guó)產(chǎn)手提X-線機(jī)誕生(杭州醫(yī)療器械廠);

1983年 自主研發(fā)出碘化銫影像增強(qiáng)器(上海醫(yī)療器械九廠);

1983年 我國(guó)第一臺(tái)顱腦CT,XDN-1,在上海誕生并通過鑒定;

1987年 我國(guó)首臺(tái)800ma X-線電視由上海醫(yī)療器械廠和上海交大研制成功[9];

1988年 我國(guó)第二代顱腦CT,JD-21,在上海研制成功;

1990年 中華 I 號(hào)全身CT 于12月25 日在上海通過鑒定;

1994年 東大阿爾派全身 CT掃描儀 CT C6000問世;

1998年 東大阿爾派全身CT C-2000投放市場(chǎng);

1999年 友通公司開發(fā)國(guó)內(nèi)第一臺(tái)DR:DR-2000[7];

2000年 東大阿爾派制成國(guó)內(nèi)第一臺(tái)螺旋CT:CT C-3000,并投放市場(chǎng);

2009年 東軟NewViz 16 排螺旋CT問世;

2012年 東軟NewViz 64 層螺旋CT問世;

2012年 清華朗視公司研制成口腔錐束CT (CBCT),并獲準(zhǔn)生產(chǎn)。

2 醫(yī)用X-線成像發(fā)展的三個(gè)階段

依上述時(shí)序我們可以把國(guó)際上醫(yī)用X-線成像的發(fā)展歷程分成三個(gè)階段:

第一階段:從1895年至1971年 即從倫琴發(fā)現(xiàn)X-射線到計(jì)算機(jī)斷層成像問世以前。橫跨76年。這一階段的特點(diǎn)是,以投影、模擬成像為主;X-線成像系統(tǒng)中的檢測(cè)器主要是膠片。它集圖像檢測(cè)(記錄)與顯示于一身。一身兩任,難以兼顧。由于膠片的固有缺點(diǎn),圖像質(zhì)量難以提高。雖有膠片-屏結(jié)構(gòu),也只是對(duì)減少劑量有所裨益,卻是以損失分辨率和增加斑紋作為代價(jià)。X-線影像增強(qiáng)器的引入,為X-線系統(tǒng)的透視模式增強(qiáng)了顯示亮度,并為X 線電視創(chuàng)造了條件,但在改進(jìn)圖像質(zhì)量方面作為不大,倒是“靜電放射攝影”(Xeroradiography)原理的引入,使物理界和放射界眼前一亮。圖像質(zhì)量提高很多。因此CB Allsopp 教授有如下評(píng)價(jià):“自從倫琴發(fā)現(xiàn)X-射線后,總的講來,放射學(xué)沒有取得任何進(jìn)展,但Xeroradiography(靜電放射攝影)無疑在放射圖像的記錄方法上,提出了一個(gè)新的原理。”Allsopp 教授是在1957年說這翻話的。即本階段在頭60年確實(shí)如此。在射線源方面,1947年發(fā)現(xiàn)同步輻射,但是顯然沒找到應(yīng)用。這一階段已有幾何(經(jīng)典)斷層成像思想(1921年~1932年)[11],但由于膠片是唯一的記錄手段,斷層圖像質(zhì)量不高,一次曝光只能獲得一個(gè)斷層。此后的一個(gè)亮點(diǎn)是:1971年在幾何斷層成像基礎(chǔ)上提出的Tomosynthesis(analog)思想(模擬型組合斷層成像)。它拓展了幾何(經(jīng)典)斷層成像,一次曝光可重建多個(gè)斷層,從而達(dá)到三維成像,并減小了劑量,但仍屬于模擬性質(zhì),實(shí)現(xiàn)時(shí)需要引入光學(xué)器件和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在當(dāng)時(shí)未引起注意,也未對(duì)放射成像領(lǐng)域帶來沖擊。但這一階段的一些成果孕育著許多新的思想,為后面的發(fā)展埋下伏筆。

第二階段:從1972年至1989年,即從傳統(tǒng)CT發(fā)明到螺旋CT問世前的17年。這一階段CT發(fā)明,開創(chuàng)了放射成像的數(shù)字化時(shí)代。CT的主要優(yōu)點(diǎn)一是精確地重建斷層圖像,二是不以膠片作為檢測(cè)手段,借助于將X-線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的檢測(cè)設(shè)備(氣體、固體等)再予數(shù)字化,把圖像采集與圖像顯示分開,利用窗寬/窗位,充分展示所關(guān)心的信息。本時(shí)段又可細(xì)分為1972年~1980年和1980年~1989年兩個(gè)時(shí)期。1972年~1980年期間,CT 獨(dú)步放射界,傲視“群芳”。但在1980~1989年即在螺旋CT出現(xiàn)前的那段時(shí)間內(nèi),X-CT 進(jìn)步緩慢。相反在這一時(shí)段內(nèi),NMRCT(MRI)問世(1977年~1982年),發(fā)展迅猛,且向功能成像發(fā)展。因此有人語帶雙關(guān)地嘆曰:“No More Roentgen”[5](X-線成像已過時(shí)了)!其實(shí)在這一階段中,也有許多探索性的研究,特別是在多源成像方面,如Mayo Clinic 于1980年研究成了動(dòng)態(tài)空間重建器(Dynamic Spatial Reconstructor,DSR)[11]。其優(yōu)點(diǎn)是能快速獲取一批投影,立體成像。利用28個(gè)X-線球管,28組視頻照相機(jī),可在10 ms 內(nèi)獲得240個(gè)平行斷層(層厚 1 mm),并在一次心跳期內(nèi)獲得舒張階段心臟的靜止圖像。但由于檢測(cè)器靈敏度低且造價(jià)昂貴,只造了一臺(tái),未能普及,最終不得不在15年后廢棄。另一個(gè)探索是1983年問世的電子束CT(EBCT)[12]。它利用掃描電子束X-射線管,無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)。電子束由相當(dāng)于陰極的電子槍發(fā)射,對(duì)在210度弧面上分布的陽極靶面掃描,由這些靶面依序發(fā)射X射線。掃描速度可達(dá)每秒24層,可對(duì)心臟作動(dòng)態(tài)檢查。缺點(diǎn)是源平面與檢測(cè)器平面不重合,圖像質(zhì)量不好,X-管功率低,信噪比差,體積大和成本高(2倍于螺旋CT),未獲好評(píng)。由于上述的先天缺點(diǎn),EBCT堅(jiān)持20年,至2004年全世界生產(chǎn)120臺(tái)后逐步淘汰(在我國(guó)裝機(jī)7臺(tái),現(xiàn)都廢棄不用)。這些探索雖然失敗,但為多源CT的研究提供了正、負(fù)二方面的經(jīng)驗(yàn)。本段中,第一階段發(fā)展的靜電放射攝影(Xeroradiography)在1976年前仍然吸引一些研究人員的興趣,但1980年后漸漸衰退,及至80年代末已屆彌留。注意,本階段雖出現(xiàn)模擬式Tomosynthesis,但由于實(shí)現(xiàn)困難,未得發(fā)展。在檢測(cè)器方面,富士公司發(fā)明的成像板與CR 是對(duì)投射X線成像的一個(gè)不能忽視的貢獻(xiàn)。

第三階段 從1989年迄今。我們把1989年螺旋CT的問世,作為本階段的起點(diǎn)和標(biāo)志。在經(jīng)過近10年的沉靜后,1989年終于迎來了X-線成像特別是CT研究的爆發(fā):先是螺旋CT問世,隨后1993年多層螺旋CT問世;1998年GE、Marconi、Siemens、Toshiba等公司推出4層螺旋CT;2001年GE、Philips、Siemens、Toshiba等公司又推出16層螺旋CT;2004年GE 推出64層螺旋CT (VCT 64)。也就是說,每隔3年,CT的層數(shù)翻2番(4倍)。這個(gè)速率正好符合Moor定律(18個(gè)月翻一番)。計(jì)及2004年Toshiba 的256 排CT,螺旋CT層數(shù)的發(fā)展超過Moor定律的預(yù)測(cè)。速度之快,可謂驚人。另一條戰(zhàn)線是:由于平板檢測(cè)器的發(fā)展,導(dǎo)致1995年Digital Radiography (DR)的問世;接著1997年Digital Tomosynthesis(DT)問世;Cone-beam CT(CBCT,錐束CT) 在1990年開始萌芽,1996年首臺(tái)錐束口腔CT(口腔CBCT)問世,隨后發(fā)展加快。讓我們通過文獻(xiàn)檢索來看看CBCT的研究與發(fā)展的趨勢(shì)(利用Scopus數(shù)據(jù)庫,以“cone beam CT”為檢索對(duì)象):作者對(duì)1994年、1998年、2002年、2006年和2010年分別采樣檢索得到當(dāng)年文章數(shù)目依次為:3篇,20篇,54篇,251篇,和509篇,年平均增長(zhǎng)率分別為4篇/年、8篇/年、49篇/年及64篇/年;也即按指數(shù)曲線增長(zhǎng)。Digital Tomosynthesis也有類似情況:取1996年、2000年、2004年、2008年和2012年為采樣檢索分別得到當(dāng)年文章數(shù)目為:3篇、8篇、19篇、95篇和135篇。年增長(zhǎng)率分別為:1篇/年、3篇/年、19篇/年和10篇/年,持續(xù)發(fā)展。DT現(xiàn)在多用于數(shù)字乳腺機(jī),也正在向胸片檢查發(fā)展。CBCT現(xiàn)在多數(shù)情況用于牙科CT與小動(dòng)物CT。DR、DT、CBCT等的發(fā)展,平板檢測(cè)器(FPD)功不可沒。對(duì)DT而言,沒有FPD的介入DT是不可能適用于臨床的。

3 思考與期盼

(1) 細(xì)察三個(gè)發(fā)展階段,第三階段可謂碩果累累,CT,DT紛紛登臺(tái)…..發(fā)展驚人,且方興未艾。而第一、第二階段似無驚人之舉。其實(shí)許多思想都在第一、第二階段已經(jīng)孕育形成,后面的發(fā)展屬于“沙翁穿新袍”。這件新袍是微電子技術(shù)、IT技術(shù)和新算法組成。例如DT是把第一階段的Tomosynthesis 結(jié)合FPD得來的;而Tomosynthesis是由第一階段的幾何斷層成像思想發(fā)展過來的。FPD 有直接型和間接型。直接型是由第一階段的Xeroradiograohy發(fā)展來的,可以說是芯片上的Xeroradiograohy,只需在同一芯片上加TFT就可轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。間接型是由第一階段的影像增強(qiáng)器發(fā)展而來。1973年X-線影像增強(qiáng)器發(fā)展到第三代,利用CsI材料把X-線轉(zhuǎn)成可見光,把它制成芯片加上CCD或光電二極管這就發(fā)展為間接型FPD。

(2) 在X-線成像發(fā)展的歷程中,一代一代的科學(xué)家、工程師、醫(yī)生進(jìn)行了不懈的探索與研究,有的成功了有的失敗了,有的一鳴驚人,例如Hounsfield和他的CT,有的曇花一現(xiàn),如DSR,EBCT等;不管怎樣,這些裝置的發(fā)明者都是值得尊敬的。從整個(gè)成像領(lǐng)域講,他們的研究提供了正面或反面的經(jīng)驗(yàn),為后人借鑒參考。

(3) 比較國(guó)內(nèi)X-線成像的研發(fā)成果與國(guó)際的差距是明顯的。單從產(chǎn)品問世的時(shí)間看,國(guó)際上X-線管1913年問世,我國(guó)1955年制成,時(shí)距42年;再看X-線電視,國(guó)際上1956年問世,國(guó)產(chǎn)的X-線電視系統(tǒng)在1987年出現(xiàn),落后32年;國(guó)際上第一臺(tái)頭顱CT 于1971年問世,1972年臨床應(yīng)用。我國(guó)第一臺(tái)頭顱CT于1983年鑒定,時(shí)差11年;國(guó)際上第一臺(tái)全身CT于1977年問世。我國(guó)在1990年造出全身CT樣機(jī)(中華I號(hào)),時(shí)差達(dá)13年,且未投產(chǎn);真正投產(chǎn)銷售的則是1994年東大阿爾派生產(chǎn)的CT C6000,落后17年。至于螺旋CT,國(guó)外于1989年首創(chuàng)生產(chǎn),我國(guó)于2000年才由東大阿爾派生產(chǎn),落后也達(dá)11年。所喜的是16排螺旋CT我們落后僅9年(2001相對(duì)2009),而64排螺旋CT落后只有8年了(2004相對(duì)2012)。差距正在縮小。如從技術(shù)角度分析,我們的產(chǎn)品借鑒、模仿的多,獨(dú)立設(shè)計(jì)的少;跟蹤的多,創(chuàng)新的少。落后原因是多方面的,有整體工業(yè)基礎(chǔ)落后、科研投入不夠、人才儲(chǔ)備不足、管理體制不善,理論研究欠缺、轉(zhuǎn)化研究脫節(jié)等。這些只能作為負(fù)面教訓(xùn)吸取。但不能否認(rèn)老一輩研究人員對(duì)國(guó)產(chǎn)高質(zhì)量X-線成像裝置的追求之夢(mèng)從未泯滅。筆者近來重訪30年前參加研制第一臺(tái)CT研制尚健在的主要研發(fā)人員和查閱了所保存的部分技術(shù)文件,深為他(她)們當(dāng)時(shí)不畏艱難,敢于拼搏的精神所感動(dòng)。課題組硬是在“一窮二白”的基礎(chǔ)上啃出了第一臺(tái)CT,為國(guó)人留下了寶貴的財(cái)富。拙著“CT原理與算法”[12]一書就是在國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)CT的基礎(chǔ)上寫成的。感到欣慰的是:國(guó)內(nèi)從事CT開發(fā)研究的不少工作人員從拙著中獲得了CT的啟蒙知識(shí)和基本算法,踏上CT研發(fā)之路,造福大眾。第一臺(tái)CT的研制成功有“零的突破”的喜悅,也有未能擴(kuò)大投產(chǎn)的遺憾。值得總結(jié)的地方很多。好在,近15年來,在國(guó)力、人才、技術(shù)、管理等方面都有大幅度改善。國(guó)內(nèi)除東軟外,2011年3月成立的上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司(簡(jiǎn)稱‘聯(lián)影’)給我國(guó)高端醫(yī)療設(shè)備包括醫(yī)用X-線成像器械的創(chuàng)新發(fā)展帶來了希望。他們吸取了以往的教訓(xùn),實(shí)行制度創(chuàng)新、融入先進(jìn)理念,積聚雄厚資金、廣納精英人才,依靠先進(jìn)技術(shù),以振興國(guó)內(nèi)高端醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)制造、推動(dòng)中國(guó)醫(yī)療科技的創(chuàng)新與發(fā)展為己任,志存高遠(yuǎn),同心同德,合力奮戰(zhàn),在不到2年的時(shí)間內(nèi)已有多款產(chǎn)品問世,且質(zhì)量得到臨床專家的認(rèn)可與好評(píng)。一代新人換舊人,長(zhǎng)江后浪推前浪,我們有信心期盼他們共同擔(dān)負(fù)起發(fā)展我國(guó)X-線成像設(shè)備的重任為化解某些國(guó)外企業(yè)在中國(guó)高端醫(yī)療成像設(shè)備市場(chǎng)的壟斷地位而努力!

4 結(jié)語

本文是作者根據(jù)收集的資料結(jié)合自己的體會(huì)寫成的,由于工作環(huán)境所限,資料收集不全,視野欠廣,高度不足,分析也不夠。有些觀點(diǎn)不一定正確甚至錯(cuò)誤;許多產(chǎn)品問世年份由于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不同也有誤差。意在拋磚引玉,希望讀者不吝批評(píng)指正。本文寫作過程中,原上海醫(yī)療器械研究所參加國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)CT研制的技術(shù)負(fù)責(zé)人 毆玫華教授、樓竹秀高工等提供了許多寶貴資料與信息,在此表示衷心的感謝!

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