全球首台相控陣CT化身肺部最強“偵察兵”

侯樹文 科技日報記者 王春

一台高精度“相機”，可以幫助醫生們觀察到2毫米以下的肺結節，精準辨別肺部結節良性還是惡性，同時為患者規避了因不必要手術導致的過度醫療……這便是由我國企業自主研發的全球首台相控陣CT。8月12日，這台相控陣CT在上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院進入臨牀試用階段，成為全球CT技術發展史上一次革命性飛躍的里程碑。

值得注意的是，北京納米維景科技有限公司（以下簡稱“納米維景”）完全憑藉自身力量，實現了該設備探測器、高壓發生器、球管等核心部件的自主研發與完全國產化。“在CT影像設備領域，相控陣CT技術是一個新物種，所有的核心零部件都是自主研發。我們走在‘無人區’，沒有作業可抄。”納米維景首席科學家曹紅光語氣堅定地説。

顛覆傳統CT技術原理

“傳統的機械旋轉架構相當於在掃描架上分別裝載1個或2個相機、光源，圍繞人體進行高速旋轉拍照；而相控陣CT的結構則是在掃描架上分別排列了一圈的光源和一圈的照相機。”曹紅光向記者解釋相控陣CT架構原理時提到。

傳統CT設備的框架是機械旋轉，掃描架圍繞人體進行高速旋轉。但是高速旋轉時會產生巨大的離心力，依據現有材料學和工程學，傳統螺旋CT性能已達到物理極限。

而相控陣CT光學旋轉模式是對傳統機械旋轉模式的顛覆。其掃描架內部採用“探測器陣列羣”與“掃描射線源陣列羣”組合的雙環結構設計。24個球管均勻排列在外周形成射線源環，64個光子流探測器則位於內周形成探測器環。射線源環在精確的曝光控制時序下輪流發射X射線，由對應的探測器接收。通過精密時序脈衝曝光替代機械旋轉結構，成功突破制約CT掃描速度的物理限制。

在臨牀應用上，相控陣CT可以為人體拍攝一張超高清的醫學影像，每張影像的像素可以由原來傳統CT拍攝像素的512×512提升到3072×3072。相較傳統螺旋CT實現空間分辨率提升64倍、時間分辨率提升3倍、單次掃描信息量提升144倍的突破。

“這相當於從普通望遠鏡升級到哈勃太空望遠鏡。”曹紅光表示，“相控陣CT可以幫助醫生看到人類活體的次級肺小葉，這是人體肺部器官中最小的功能區，這也是全世界第一次利用CT設備看到的最小的單元。”

實現CT領域技術領跑

為了突破傳統CT在醫療影像臨牀應用上像素小的侷限，納米維景突破重重難關自主研發了光子流探測器、分佈式X射線源陣列、稀疏角度成像算法等關鍵技術。尤其是光子流探測器的自主設計研發，更是突破了傳統CT探測器依賴進口的瓶頸。

傳統CT的探測器是第一代積分探測器，機械掃描CT的最高端產品是第二代光子計數探測器。早在2012年，納米維景團隊就研發了光子計數探測器。但是無論是積分探測器，還是光子計數探測器，都無法滿足相控陣CT的需要。於是納米維景開始向難度更高的第三代探測器——光子流探測器發起了挑戰。

“如果説光子流探測器有上百個技術難點，一點也不為過。”曹紅光介紹，光子流探測器難點之一就是要把感光芯片、模擬技術和數字技術三種技術融合起來。首先是把芯片從無到有地做出來，然後以此為基底進行晶體生長。僅是生長晶體這一個環節就有幾十道極具挑戰的工藝，需要企業自己一點點摸索。

什麼樣的晶體材料適合探測器的應用需求？這些晶體材料如何附着在芯片上？此外，生長晶體需要高精密度的設備，而這些設備也要靠企業從零開始設計……克服種種困難後，2016年初，納米維景自主研發的光子流探測器獲取了第一張X光成像圖，這一突破為後續相控陣CT的研發奠定了堅實基礎。

此次相控陣CT的成功研發，標誌着我國高端醫療裝備企業首次在CT關鍵技術領域實現全面自主可控，完成了從技術追隨者到領跑者的歷史性跨越。而納米維景仍在為相控陣CT拍出更加清晰醫學影像的道路上不斷探索。“我們正在研發的下一代相控陣CT，其分辨率可以達到像顯微鏡那樣的精度，幫助醫生利用CT設備就可以看到病理層面的影像。”曹紅光表示。