1965年，英特爾的首席執(zhí)行官戈登?摩爾發(fā)現(xiàn)，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì)增加一倍。

五十年后，摩爾定律雖魔力依舊，但因?yàn)槲锢順O限的存在，摩爾定律或許終將消逝。

螺旋CT正面臨著同樣的問(wèn)題。世界上首臺(tái)螺旋CT SOMATOM Plus采集系統(tǒng)誕生于1988年，該CT一改過(guò)去平移－旋轉(zhuǎn)的方式，將掃描時(shí)間從所需的數(shù)十秒降低至0．25秒。

但在接下來(lái)的30年中，螺旋CT在基礎(chǔ)原理未變的情況下，僅經(jīng)歷了的兩次大變動(dòng)。其一是采集數(shù)據(jù)的方式由單層變?yōu)槎鄬蛹皫��?lái)的探測(cè)器寬度隨之持續(xù)增加，其二是由單球管變?yōu)殡p球管及帶來(lái)的先進(jìn)能譜技術(shù)。

整個(gè)過(guò)程中，限制螺旋CT發(fā)展的物理要素始終不變——球管－探測(cè)器的轉(zhuǎn)速與探測(cè)器的寬度是其難以跨越的兩道坎。

螺旋CT逼近兩個(gè)極限

對(duì)于醫(yī)生而言，信息越是豐富，診斷越為精確。因此，從螺旋CT誕生之初，各家CT廠商便陷入了球管－探測(cè)器轉(zhuǎn)速與探測(cè)器寬度的競(jìng)賽之中。不過(guò)，轉(zhuǎn)速的比拼在2010左右便已經(jīng)接近尾聲。

球管、探測(cè)器、高壓發(fā)生器等部件重量多達(dá)500公斤，在圍繞人體進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的離心力。通常而言，CT結(jié)構(gòu)能夠承受的極限離心力是75G，而其對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速是0．25秒／圈，時(shí)間分辨率趨于極限。

另一方面，探測(cè)器的單位像素大小和單位像素所獲得的有效信息量決定了每次拍攝CT影像的空間分辨率。探測(cè)器每一次投影收獲的像素越多，給予計(jì)算機(jī)成像的數(shù)據(jù)便越多，對(duì)應(yīng)獲得的圖像也就越清晰。目前東芝旗下的320層640排CT已經(jīng)把探測(cè)器的寬度壓縮到了極致，要繼續(xù)壓縮探測(cè)器的尺寸幾乎沒(méi)有可能。

從探索未知的角度上講，螺旋CT似乎已經(jīng)走到了其能力的盡頭。如果工藝不能優(yōu)化，那么，拋棄“螺旋” 設(shè)計(jì)或是問(wèn)題的唯一解法。

電子束CT的突破與遺憾

行業(yè)對(duì)于更高端CT的探索從未停止過(guò)。多層螺旋CT之前，美國(guó)的Douglas Boyd 博士曾于1983年開(kāi)發(fā)出了一種名為“電子束CT”的系統(tǒng)，并由Imatron公司將其推向市場(chǎng)。而后，GE用了15億美金將Imatron收購(gòu)，進(jìn)一步推動(dòng)電子束CT的研發(fā)。在CT的發(fā)展史中，電子束CT 被列為第五代CT。

電子束CT的X射線是由連續(xù)發(fā)出的電子束經(jīng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，以此撞擊環(huán)形排列的鎢靶后產(chǎn)生，其特點(diǎn)在于其探測(cè)器呈環(huán)排列，可隨時(shí)接受對(duì)側(cè)發(fā)出的X射線。以這種形式進(jìn)行排列，該CT掃描速度極快，可達(dá)50～100ms，對(duì)心臟、大血管的檢查有其獨(dú)到之處，幾乎不受心跳及血管搏動(dòng)的影響。

然而，由于其高昂的造價(jià)和患者檢查費(fèi)用；過(guò)高的維修費(fèi)用，對(duì)于醫(yī)院而言，購(gòu)置電子束CT遠(yuǎn)不如螺旋CT劃算。尤其是當(dāng)亞秒級(jí)掃描時(shí)間和多層螺旋能力的普通CT也可以獲得較高質(zhì)量的心臟圖像時(shí)，電子束CT的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)全然不在。頹勢(shì)之下，GE不得不關(guān)掉了電子束CT這一產(chǎn)品線。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，電子束CT的原理意味著它不會(huì)遭遇螺旋CT當(dāng)前面臨的兩道坎，如果能夠降低造價(jià)，它將擁有無(wú)限的潛力。

靜態(tài)CT有望成為第六代CT

時(shí)至2013年，戰(zhàn)場(chǎng)由美國(guó)轉(zhuǎn)向中國(guó)。擁有數(shù)十年醫(yī)學(xué)影像經(jīng)驗(yàn)的曹紅光與李運(yùn)祥等人在北京創(chuàng)立了納米維景，嘗試再造全新一代CT。數(shù)年沉浮后，積累了大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)之后的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)逐漸探索出一條明確的道路，并將目標(biāo)樹(shù)立為打造第六代CT——靜態(tài)CT。

納米維景明白，要想在大量探測(cè)器、球管的需求下實(shí)現(xiàn)靜態(tài)CT的商業(yè)化，自研是控制成本的關(guān)鍵一步。這一次，納米維景在出發(fā)前便敲定了靜態(tài)CT的構(gòu)想，從最基礎(chǔ)的核心元件造起，一步一步完成了CT芯片、探測(cè)器、閃爍體、高速窄脈沖高壓發(fā)生器等部件的研發(fā)。

七年磨一劍，2020年，由納米維景研發(fā)的世界第一臺(tái)靜態(tài)CT終于問(wèn)世，并于2020RSNA首展。這臺(tái)CT被納米維景命名為“復(fù)眼24”的靜態(tài)CT第二次公開(kāi)展示，則是在當(dāng)下舉辦的2021CMEF之上。

與螺旋CT結(jié)構(gòu)相比，靜態(tài)CT“復(fù)眼24”創(chuàng)新性地采用了與之完全不同的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)射線源環(huán)和一個(gè)探測(cè)器環(huán)。

射線源環(huán)由上百個(gè)獨(dú)立的射線源環(huán)狀排列，每個(gè)射線源均可獨(dú)立曝光，可支持最多6個(gè)射線源同時(shí)曝光輪流切換。此外，每個(gè)射線源的曝光時(shí)間、曝光能量都可以根據(jù)具體臨床需求進(jìn)行設(shè)置，這意味著該CT將不止于適用于某一部位成像。

探測(cè)器環(huán)的特別之處在于獨(dú)有的、模塊化的光子流探測(cè)器。這款探測(cè)器有別于傳統(tǒng)螺旋CT的積分探測(cè)器，也不同于光子計(jì)數(shù)探測(cè)器。是國(guó)際上第一次將光子流概念引入到CT領(lǐng)域。納米維景自研的高度集成化的信號(hào)處理模塊可以對(duì)圖像采集進(jìn)行硬件加速，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸零失真。

雙環(huán)結(jié)構(gòu)以靜止成像創(chuàng)新性地解決了以往螺旋CT設(shè)備機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度和器件所能承受離心力的限制問(wèn)題，可以輕松實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)十圈的高速旋轉(zhuǎn)，并在掃描過(guò)程中避免了產(chǎn)生類似于螺旋CT高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的拖尾效應(yīng)，信息捕捉更清晰，掃描輻射量也會(huì)大幅度降低。目前，“復(fù)眼24”的探測(cè)器內(nèi)生層具備288層信號(hào)的能力。

用一句話進(jìn)行簡(jiǎn)述：靜態(tài)CT技術(shù)與頂級(jí)螺旋CT相比，其時(shí)間分辨率提高了10倍、空間分辨率提高了64倍； 并且可以實(shí)現(xiàn)多能譜成像。

據(jù)納米維景透露，“復(fù)眼24”并非靜態(tài)CT的極限。事實(shí)上，納米維景的下一代靜態(tài)CT“復(fù)眼36”正處于研發(fā)之中，新一代的產(chǎn)品中，無(wú)論是時(shí)間分辨率、空間分辨率，還是質(zhì)譜識(shí)別的元素種類，都將獲得進(jìn)一步的提升。而在自研情況下，“復(fù)眼24”能夠以媲美GPS高端CT的價(jià)格走向市場(chǎng)。

為什么要實(shí)現(xiàn)CT的國(guó)產(chǎn)替代

顛覆式的技術(shù)路線，是一種“彎道換車”的思路。靜態(tài)CT是與螺旋CT擁有完全不同的復(fù)雜系統(tǒng)，其所需要的所有零部件都無(wú)法在市面上采購(gòu)到�，F(xiàn)有的國(guó)際供應(yīng)鏈不能提供靜態(tài)CT所需要的芯片、探測(cè)器、閃爍體、小型陣列球管、窄脈沖高壓發(fā)生器等等核心部件。要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)CT，就必須把這些核心部件都要一一攻破，才能實(shí)現(xiàn)這一里程碑式的創(chuàng)舉。

“中國(guó)是全球CT設(shè)備制造商數(shù)量最多的國(guó)家，但在高端球管、高端探測(cè)器等核心零部件上，卻一直依賴于美國(guó)、德國(guó)的進(jìn)口。換言之，國(guó)內(nèi)企業(yè)一直缺乏獨(dú)立打造最頂尖CT的能力。”曹紅光告訴動(dòng)脈網(wǎng)。“為了防止技術(shù)上被’卡脖子’，實(shí)現(xiàn)上游核心零部件的獨(dú)立自主，這是納米維景一直以來(lái)的期許，也是納米維景一直以來(lái)在做的事情�！�

因此，納米維景自創(chuàng)立以來(lái)，開(kāi)始了一系列靜態(tài)CT核心部件的研發(fā)。

首先是處理X光的分割。在螺旋CT上，閃爍體通常提供的是一束完整的激光，通過(guò)網(wǎng)格切成一條一條的縫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)像素化。由于靜態(tài)CT的像素大小大概是螺旋CT的1／64，這意味著要通過(guò)同樣的流程成像，必須將網(wǎng)格進(jìn)一步精細(xì)化。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，納米維景透露了一種新的材料生長(zhǎng)技術(shù)。通過(guò)這種技術(shù)，納米維景可以培養(yǎng)一種比靜態(tài)CT的像素更精細(xì)的材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)X光的精密分割。

其次是核心部件探測(cè)器。對(duì)于靜態(tài)CT這一理念，國(guó)際上公認(rèn)其必須擁有光子計(jì)數(shù)探測(cè)器作為支持。但在納米維景看來(lái)，提取單一光子的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器不能滿足靜態(tài)CT的要求。為此，在科技部的支持下，納米維景研發(fā)出了全球首個(gè)光子流探測(cè)器，這是打造靜態(tài)CT的關(guān)鍵。

球管更是自研的核心，涉及靜態(tài)CT的成本與其擴(kuò)展性。由于靜態(tài)CT以射線源陣列輪流曝光切換替代螺旋CT旋轉(zhuǎn)，無(wú)需考慮向心力問(wèn)題。因此其CT的球管圍繞人體排列，一圈可排列24個(gè)球管。

由于球管的數(shù)量與設(shè)備價(jià)格、成像質(zhì)量均為正相關(guān)，因此，要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)CT的市場(chǎng)化，納米維景需要通過(guò)自研的方式降低球管成本，并盡可能將其小型化，以配置更多球管。

小型化并非易事，西門子的一款雙源CT，在置入兩個(gè)球管、兩個(gè)探測(cè)器后，CT內(nèi)部的空間便已滿滿當(dāng)當(dāng)，而納米維景可以將成套的球管和高壓部件排進(jìn)24組，足見(jiàn)其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和硬實(shí)力。

最后一個(gè)核心部件是窄脈沖高壓電源。螺旋CT的球管發(fā)射的是連續(xù)的X射線，而靜態(tài)CT沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，必須是每個(gè)球管輪流瞬間的脈沖發(fā)射X射線，這需要通過(guò)窄脈沖快速切換技術(shù)，精準(zhǔn)控制閃爍時(shí)間，并盡可能提升閃爍頻率。

開(kāi)關(guān)二字看起來(lái)簡(jiǎn)單，但由于射線的發(fā)射需要140kV的高壓電源作為支持，且需在數(shù)微秒級(jí)實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)。這一項(xiàng)技術(shù)的成功研發(fā)，同樣為納米維景筑起極高的技術(shù)壁壘。

做完了這些，整個(gè)靜態(tài)CT的核心技術(shù)便已基本塑造完畢。但在曹紅光看來(lái)，“工匠精神”不應(yīng)因?yàn)樽龅搅撕诵牟考�的完美制造而忽視了�?xì)枝末節(jié)。“你看到的每一個(gè)核心部件都是我們自己制造，我們的供應(yīng)鏈?zhǔn)墙�立在�?guó)內(nèi)的，這是納米維景的堅(jiān)持�！�

對(duì)于靜態(tài)CT的兩個(gè)提問(wèn)

CMEF是靜態(tài)CT首次在國(guó)內(nèi)亮相后，整個(gè)展廳周圍擠滿了圍觀的參會(huì)人員。但接下來(lái)，如何量產(chǎn)？如何發(fā)展？這是納米維景必須回答的兩個(gè)問(wèn)題。

2020年3月，納米維景在成都開(kāi)設(shè)的“靜態(tài)CT研發(fā)生產(chǎn)基地”項(xiàng)目正式開(kāi)工，計(jì)劃建成全球首個(gè)自主研發(fā)的靜態(tài)CT生產(chǎn)線，用以解決量產(chǎn)問(wèn)題。工廠建成后，納米維景將計(jì)劃實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)量1000臺(tái)的目標(biāo)。以回答市場(chǎng)對(duì)于量產(chǎn)的疑問(wèn)。

而對(duì)于公司的未來(lái)發(fā)展，曹紅光認(rèn)為，“納米維景”名字背后的故事便是其最好的答案。

“通過(guò)光學(xué)成像原理，我們能夠看到微米級(jí)的細(xì)胞，譬如，顯微鏡下，1個(gè)血細(xì)胞大概是7個(gè)微米，一個(gè)皮膚體細(xì)胞大概是12個(gè)微米。而CT是輻射成像，靠的是X光，它的波長(zhǎng)處于0．1納米至10納米這一范圍。從理論上講，我們可以用這樣短波長(zhǎng)識(shí)別人體更細(xì)微的結(jié)構(gòu)了。因此，如今‘復(fù)眼24’不過(guò)剛剛起步，納米級(jí)的影像才是我們的最終愿景。這便是納米維景。”

作為全新技術(shù)全新事物，目前，靜態(tài)CT處于進(jìn)入商業(yè)化前的階段。國(guó)家政策支持下，超高端CT正迎來(lái)市場(chǎng)上升期，海內(nèi)外數(shù)千億市場(chǎng)加持下，作為高瓴醫(yī)療系中的一員，納米維景的未來(lái)值得期待。

作者：趙泓維