1968—2018 回溯CT發展的半個世紀

1979年，發生了一件「奇怪」的事。

皇家卡羅林外科醫學研究院諾貝爾獎評審委員會決定將當年的諾貝爾生理學或醫學獎頒發給兩個沒有任何醫學背景的人：

塔夫斯大學的科馬克(Allan M.Cormack)

英國電器與樂器工業有限公司(EMI)的工程師豪斯費爾德 (Godfrey Newbold Hounsfield）

兩人不僅互不相識，而且都沒有博士學位，據說當時諾貝爾獎金評議會的54名評議員推翻了選拔委員會提出的人選，這在當時引起了極大的轟動，在場等候的記者甚至都沒有拿到兩位獲獎人的英文版介紹。

科馬克和豪斯菲爾德（圖片源自諾貝爾獎官方網站）

究竟什麼樣的成就讓諾貝爾醫學獎項頒發給兩個沒有醫學背景的人呢？頒獎詞寫得清楚，表彰他們為發展CAT做出的貢獻。

諾貝爾獎頒獎詞（圖片源自諾貝爾獎官方網站）

如果你是業內人士，應該知道了，這個被稱作CAT的設備，就是我們在醫院裡運用最為廣泛的計算機斷層掃描儀（Computer Tomography），簡稱CT。

CT的發明被認為是倫琴發現X光以來醫學影像領域最偉大的發明。

最初的夢想

自從倫琴發現X射線以來，技術的不斷進步催生了一系列新的應用，但對於許多疾病，常規X線圖像並不能提供肯定的掃描結果，因為最終獲得的是所有照射身體結構的重疊影像。所以醫生們很快有了一個新的夢想——如果能夠獲得沒有結構疊加的斷層圖像那就完美了。

傳統的體層掃描機誕生於20世紀30年代初，生成了第一批沒有出現疊加的人體切面圖像。

例如，Siemens-Introskop的工作原理如下：

X線膠片和射線管圍繞待掃描人體部分移動。在旋轉中心，射線聚焦並產生清晰的人體結構照片，但這個區域之外的圖像是模糊的。

獲得1979年諾貝爾生理學或醫學獎的豪斯菲爾德更為人熟知。

另一位獲獎人科馬克1924年生於南非，1944年畢業於開普敦大學。

大約在1957年，科馬克發明了一種計算X線在人體內的輻射特性的方法，為CT的發明奠定了理論基礎，但是由於經費緊張，科馬克沒能製造自己的原型機。

之後科馬克移民美國，成為圖菲斯大學的物理學教授，並在1963年製造了CT原型機。

1966年科馬克加入美國國籍。

豪斯菲爾德1919年出生於英國的科學之城諾丁漢郡，1951年進EMI公司。

在不知道科馬克研究成果的情況下，1961年研究計算機處理斷層圖像的技術，1967年產生了計算機斷層成像的想法，並在1968年獲得專利。

如果從豪斯菲爾德獲得專利算起，CT歷史到今年正好五十年。

隨後豪斯菲爾德對原型機進行不斷改進。

終於在1971年，豪斯菲爾德製造了一臺用於掃描人腦的CT機。

那時候，CT機還被稱為EMI掃描機。

為了避免商業機密洩露，在倫敦郊區的一家小醫院進行了測試。

1971年10月1日，人類歷史上第一位接受CT掃描的是一位41歲的女性患者，患有腦部腫瘤。

如果放在現在看，這樣的圖像非常糟糕，但在當時，能夠區分灰白質已經是科學家夢寐以求的事了。

因此在當時它產生的圖像令醫學界非常震驚；更讓人震驚的事它竟然來源於EMI唱片公司（就是這家百代唱片公司）。

1972年4月，在英國放射學年會上，豪斯菲爾德發布了他的研究成果，震驚了世界，迅速引發了「CT熱」，超過15家公司加入了EMI開發CT掃描機的工作。

西門子在1974年研製成功了第一臺CT掃描儀，SIRETOM，這臺CT掃描一次可以重建兩幅圖像，矩陣也從80x80提高到128x128。

喬治城大學的Robert Ledley教授在1974年研製了可以用於全身掃描的CT設備：ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) 。

後來技術賣給了輝瑞公司，全身CT的掃描質量有了明顯的提升，矩陣達到了256x256。

在之後的漫長歲月裡，CT得到了快速的發展，硬體不斷變革，越來越多的CT設備推向市場。

西門子在1977年發布了自己的第一臺全身CT：SOMATOM。

SOMA是拉丁文body身體的意思，TOM則是Computed Tomography裡斷層的意思，因此SOMATOM的含義就是全身斷層。

差不多就是全身CT的意思。

1979年，新款SOMATOM設備優化了探測器系統，空間解析度提升了2倍。

同時使用心臟CT配件，設備首次可以對跳動的心臟成像。這是通過一種被稱為心電「觸發」實現的：

心電圖測量心臟功能，使SOMATOM 2與患者的心跳同步。

然後，設備在心臟搏動的特定時間點發出 X線脈衝，在心臟舒張期進行數據採集。

這樣使得CT圖像在很大程度上免受心臟活動的幹擾。

第一幅「冠脈」CT圖像，掃描時注射30ml對比劑，延遲之後掃描一層，再注射對比劑再延遲，掃描... Guthaneret al. AJR 1979  (American Roentgen RaySociety)

直到1987年，20多年的時間裡，CT設備仍然處在最初設計的階段，基本技術沒有任何變化，仍然等待著第一次CT技術的革命。

「未來屬於螺旋CT」

20世紀80年代中期，CT掃描當時已經發展到了一個通過現有技術無法再有重大改進的階段。

1987年末，出現了滑環技術。

在此之前，掃描架通過電線接收電力，現在電力則通過滑環進行傳輸。整個測量系統在新開發的專為持續高速旋轉而設計的軸承上運行。

除了系統速度更高外，這一技術的優點是設備運行更加安靜，同時與之前啟動-停止的運行方式相比，機械磨損更少。

滑環技術的出現為螺旋CT的誕生奠定了堅實的基礎。

第一臺螺旋CT，SOMATOM Plus採集系統，1988年

螺旋CT（Spiral CT）最初提出時聽上去非常不可思議。

因為當時CT要做的就是要讓病人停下來，然後掃描，並且在掃描過程中儘量避免運動。

而螺旋掃描的基本概念恰好是要在掃描過程中不斷移動檢查床帶動患者移動，Ｘ線以螺旋方式掃描患者身體。

批評人士甚至將螺旋CT稱為「產生CT偽影的方法」。

這裡我們要提到一位德國物理學家Willie A. Kalender，螺旋CT的發明人。

Willie A. Kalender教授1949年生於德國，1975年畢業於威斯康星大學。

1976年-1995年加入西門子，在發明螺旋CT之前，1983年開發了世界上第一個雙能量CT（dual energy CT）產品，1987年開發了金屬偽影消除技術（metal artefact reduction，MAR）。

1988年Kalender教授領導的團隊開始研究螺旋CT，他們採用數學方法來解決運動偽影問題，將複雜的算法增加到重建圖像的軟體中，以便將檢查床的運動因素納入測量計算。

其他的部件大致與傳統的系統相似，但是需要進行改進以適應螺旋CT的具體要求，在系統中對工藝進行控制更為複雜。

同年底，Kalender帶領的團隊成功研製出首臺螺旋CT原型機。 SOMATOM Plus是世界上第一臺螺旋CT， 也是當時最快的CT系統，360°掃描所需的時間縮短到了1 s。

1年後，經過大量的試驗和臨床測試，西門子在市場上推出了世界上第一臺螺旋CT掃描機的升級版：SOMATOM Plus-S。

「容積掃描」就是身體某個區域全部的圖像，如整個器官成像。

使用螺旋CT，患者體內發生的活動不再是問題。

SOMATOM Plus-S拍攝的圖像細節清晰，甚至可以用來確定患者的骨骼礦物質含量。

這意味著，這一系統可以與OSTEO CT軟體一起使用，來診斷和監控骨質疏鬆症狀的變化。

SOMATOM Plus-S自動定位脊椎骨的輪廓，確定要掃描的斷面，然後將結構以清楚易理解的圖形呈現出來。

這一過程的關鍵因素是這種掃描可以準確地重複，以便用於在定期檢查中查看疾病的發展變化。

通過螺旋CT確定骨骼礦物質含量，1991年

1990年，一切已經變得非常明朗，未來屬於螺旋CT。

在1992年秋舉行的RSNA年會上，其他主要的CT廠商發布了各自採用滑環和螺旋技術的CT系統。當時，眾多專家認為在未來螺旋CT只會用在高端系統上。這一預測後來被證明是錯誤的。

排的戰爭

在螺旋CT誕生後的10年，1998年，多層螺旋CT問世了。

當年的北美放射學年會上，四家主流CT生產商（GE，飛利浦，西門子，東芝）展出了4層螺旋CT。

多層螺旋CT的出現被認為是CT技術發展的第二次革命。

多層螺旋CT與單層螺旋 CT 和雙層螺旋CT相比有較大差別，兩者在設計原理和構造上明顯不同：

Z 軸上設有多排探測器結構，擁有多個數據採集通道，圖像重建所採用的計算方法也不同，掃描架、探測 器、數據採集系統 、圖像重建系統及計算機系統等都有較大的改進 。

左側為單層螺旋CT，右側為多層螺旋CT

傳統的探測器每轉只能掃描一個斷面。

在多層技術中，發光二極體分布在不同排的探測器部件上，可以各自獨立地處理X線管傳輸的信號，因而每次旋轉可以記錄多個斷面。

以SOMATOM Volume Zoom為例，每次旋轉可以記錄4個斷面。

這一多排探測器利用X線輸出的效率大幅度提高，可以將相對於患者的縱向圖像解析度提高8倍，同時可以顯著縮短身體較大區域的掃描時間。

在「自適應陣列探測器」中，斷面非常狹窄，外緣探測器單元更寬。

由於X線準直儀中有多種設定可以選擇，因而可以選擇每個斷面的解析度在0.5～5.0 mm之間，這樣得到的斷面就比之前更薄。

多層CT SOMATOM Volume Zoom也是心臟計算機體層掃描史上的重要轉折點。

首張正真意義上的冠狀動脈CT圖像於1999年在德國慕尼黑Klinikum Grosshadern醫院誕生。整個過程耗時約40 s，注射了超過160ml的對比劑。

1999年慕尼黑Klinikum Grosshadern醫院冠狀動脈圖像。

隨著技術的不斷進步，CT發展進入了一個探測器迅速變寬的時期，平均每18個月，探測器的排數就增加一倍，這段時間被稱為「排的戰爭」。還有學者總結這是CT的「摩爾定律」。

探測器排數每18個月增加一倍，這種趨勢在2007年東芝推出320層CT後停止。

但是這種趨勢在2007年終止了。

當年東芝在RSNA年會上展出了320層CT Aquilion One，世界上第一臺探測器寬度達到了16cm的CT，它由320排0.5mm的探測器單元構成。

寬探測器的CT為臨床研究帶來了一些嶄新的應用，但是隨之而來的是嚴重的錐形線束偽影，由於探測器變寬，而球管的光源還是點光源，導致兩側的圖像變形嚴重，最初的設備需要很多的探測器單元的數據對中心的數據進行校正。後來算法的改進對這些偽影進行了優化，但是之後再沒有更寬探測器的CT推出了。

東芝 320層CT Aquilion One，2007年

在這個階段，還有一種CT不得不提，那就是電子束CT（EBCT）。

電子束CT具有非常高的時間解析度，因此在解決心臟成像問題上曾一度被認為是非常好的解決方案，但是由於其密度解析度和空間解析度不及螺旋CT，而且螺旋CT轉速越來越快，優勢更加明顯，因此電子束CT逐漸被淘汰。

EBCT的構造圖

EBCT主要提升了時間解析度，但是密度解析度和空間解析度都不足。

Achenbach S， Ropers D， RegenfusM， et al. Contrast enhanced electron beam computed tomography to analysethe coronary arteries in patients after acute myocardial infarction. Heart， 2000， 84(5)：489-93.

超越心跳

就在排的戰爭愈演愈烈的時刻，西門子的科學家們發現，單純增加探測器寬度並不能解決心臟成像的問題，因此需要從其他方面進行考慮。

這個時候，1977年的一個「多源CT」的專利進入視野。

多源CT系統由間隔排列的多個球管和多個探測器組成，這樣的設計有助於提高時間解析度。

但是實際上，由於空間限制，探測器越多，每個探測器就越小，會導致每個探測器的扇角越小，而所有探測器扇角的重疊區域才是有效的成像區域，過小的有效成像區域並不具有太大的臨床應用價值。

出於提高時間解析度的考慮，XY軸平面上間隔排列的雙源是比較理想的發展方向。

2002年開始研究雙源CT項目，當然當時還不叫雙源CT，代號是R2D2，意思是兩個球管和兩個探測器。

巧合的是，這個名字和星球大戰裡小機器人的名字一樣。

2002年11月的一張幻燈記錄了雙源CT思想的孕育和系統的最終參數。 「R2D2」這個代號，含義是2個X線管，2個探測器（ 2 x-Ray tubes & 2 Detectors），與當時熱映的《星球大戰》電影小機器人名稱一樣。

雙源CT，聽上去似乎是個很容易實現的概念：只需要集成第2個射線管，安裝第2個探測器，一臺雙源掃描機就組裝完畢了。

但是在現實中，實施這一概念在技術層面對工程設計人員來說是一個巨大的挑戰，因為在常規的單源CT系統中，掃描架的結構已經非常緊湊。如果沒有緊湊的STRATON X線管，雙源CT根本不可能出現，至少在不改變設備結構且不大幅增加掃描機體積的前提下無法實現。但是僅有射線管技術還不足以實現這一技術跨越。

工程設計人員需要對幾乎所有的部件進行優化，使之更為緊湊。這包括整個冷卻系統以及電子元件在掃描架中的排列方式。開發更加強力和更加高效的部件，僅僅這樣一個任務就將佔用工程設計人員未來多年的時間。

經過不懈的努力，2005年RSNA年會上，西門子展出了世界上第一臺雙源CT，SOMATOM Definition。

第一代雙源CT的時間解析度達到了83ms，首次進入了100ms以內，這意味著，進行心臟CT成像將不需要控制心率。

而兩個球管和兩個探測器的設計，使另一個CT成像領域——雙能量成像成為臨床的新選擇。

西門子成為唯一一家不再單純追求更多排數探測器的CT製造商，轉而開始全面關注新的雙源技術，這一舉措被視為頗具風險性。

但是事實很快證明，冒這種風險完全值得：首臺SOMATOM Definition安裝後幾周內，專家紛紛預測每年進行的約60萬次導管檢查很大一部分將被CT心臟成像所取代。

臨床研究也證實了這一技術的優勢，特別是在心臟成像方面，而這也正是CT掃描最擅長的地方。

基於此項成功技術和雙源技術的經驗，西門子於2009年推出新款設備——SOMATOM Definition Flash，該設備再次成為世界上最快的CT掃描機。

來自心臟成像的例子生動說明了SOMATOM Definition Flash所帶來的巨大進步。

此前，要獲得儘量少偽影的心臟細節圖像，平均需要的劑量在8～30mSv之間。而實現同樣的目的，SOMATOM Definition Flash所需的劑量不足1 mSv。

SOMATOM Session雜誌第23期（2008.12）封面，使用創新的前瞻性心電門控螺旋掃描模式（Flash模式）掃描一個心臟，有效輻射劑量僅為0.9mSv。相對於傳統掃描模式8-30mSv的輻射劑量顯著減低。

該設備之所以如此出眾，歸功於多種因素，其中包括高端CT掃描機的出色速度。掃描架每0.28s圍繞患者旋轉1周。

與此同時，患者在掃描機中的運動速度比當前所用的常規系統快2倍。這就是說，一個身高2m的患者，接受從頭到腳的掃描所需的時間不超過5s，胸部掃描只需要0.6s，心臟掃描只需要0.25s，即不到心臟跳動一次所需時間的1/2。

2013年西門子推出了新一代的雙源CT系統，SOMATOM Force是當今世界最強大的CT掃描機，簡直是在突破目前科技方面的極限。

600多人花了5年的時間研製出了這一系統。這一系統的構造匯集西門子所有的高端部件，並且進一步升級。

1.6T重的掃描架每秒圍繞患者旋轉4周。這就相當於一輛奔馳E系列轎車以5倍於一架戰鬥機的速度在一個很小的圓形咖啡桌上做圓周運動。

與此同時，2個Stellar探測器和Vectron球管還需絕對精確地保持在各自的位置上，精確到不止是毫米，而是微米級別。

考慮到檢查床的速度，這一速度已經從每秒45cm提高到了每秒73.7cm，這是當前市場上最快的速度，這意味著現在使用這一系統掃描一個成人的整個上半身所用的時間不到1s。

與之前的機型相比，圖像解析度從0.33mm提高到了0.24mm。

在不降低圖像質量的情況下，使用SOMATOM Force掃描人體肺部所需的劑量僅為0.1 mSv，大約相當於乘坐從德國飛往阿根廷的航班所接受的自然輻射水平。

路在何方

放射科是一個醫院最重要的臨床科室之一，同時也是一個設備依賴型科室，新設備，新技術的應用有助於醫院整體實力的提升和發展。

目前CT的發展似乎主要有兩個方向，一是雙源CT，一是寬探測器CT。

不過受限於目前總體技術的發展水平，16cm的探測器還是非常尷尬的寬度，由於受錐形線束偽影的影響，實際成像的有效區域並沒有16cm，大部分人體器官並不能一次覆蓋，而CT更關心的是密度解析度和空間解析度，更寬的探測器並沒有顯著增加圖像質量，相反某些時候圖像質量還下降了。

很多廠家在東芝推出16cm探測器CT後，很多國內外的CT廠家也推出或者開始研發16cm探測器的CT。隨著探測器的變化，還需要對影像鏈上一系列設備進行改進和優化，如球管，重建算法等，這必將是一個艱苦而漫長的過程。

可以想像，如果僅僅是跟隨，顯然市場的同質化競爭會相當激烈，經過一輪廝殺之後，最終會淘汰大部分參與者。

未來CT的技術發展可能集中在光子技術探測器CT以及相位對比CT技術上。

光子計數探測器將實現多能量成像，與現在我們見到的雙能量，能譜，光譜成像等有著本質的區別，此外，光子技術探測器還將大幅度提高空間解析度，獲得更高清的圖像。

光子技術探測器可以直接將X光衰減轉換為電信號，從而獲得更清晰的圖像。

Willemink MJ，PerssonM，Pourmorteza A， et al. Photon-counting CT： Technical Principles and ClinicalProspects.Radiology 2018 Nov；289(2)：293-312.

高空間解析度多能量光子計數探測器（PCD）提高了解析度，減少了blooming效應。對於冠脈支架可以獲得更清晰的圖像。

Symons R， Roosen J， Debruecker Y， et al. Spectral ultra-high resolution coronary stent imaging with photon-counting CT： initial experience [abstr]. In： Radiological Society of North America scientific assembly and annual meeting program. Oak Brook， Ill： Radiological Society of North America， 2017； 101.

除此之外，細分市場可能也是CT發展的一個方向，比如專門用於乳腺檢查的乳腺CT，專門用於寵物檢查的小孔徑CT等等。

人工智慧的應用也不可小覷，但是目前人工智慧熱並非真正的CT發展方向，人工智慧應該是輔助醫生更標準地採集圖像並作出更精準的診斷，減少醫生的工作負擔，改進報告流程。顯然，人工智慧還有很漫長的路要走。

檢查流程的改進也是應該考慮的一個問題，掃描的速度已經很快的，而之前之後的工作需要更高的效率，人工智慧的加入相信可以幫助醫生更好地優化檢查的流程。

新的後處理技術如Cinematic Rendering將幫助醫生更好地跟患者以及臨床醫生交流。

如果仔細觀察，我們會發現，目前所有的設備都在學習CT，比如X光機可以做三維重建，鉬靶可以做斷層，DSA有類CT成像，MRI有多層技術。

當所有人都跟你比，學習你的時候，說明你處在領先的水平。

CT要學習的是MRI，努力提高密度解析度，使用更低的輻射劑量。

如果從豪斯菲爾德的原型機開始算，CT的發展到今年整整半個世紀了，特別是多層螺旋CT誕生以來的20年，CT技術得到了飛速的發展。

相信有大批的科學家共同努力，未來CT可期。

2018年12月31日於上海

原標題：回望：CT五十年（1968-2018）