影像大爆炸:医学影像学的前生今世之 CT 和 MR 篇

2016-08-05 23:03 来源:丁香园 作者:
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中流砥柱:CT

1.      石破天惊:X 线的延续和发展

X 线的发现为探测人体疾病发挥了重要作用,但对于那些前后重叠的组织的病变,X 线就束手无策了。于是,科学家们开始寻找一种新的东西来弥补 X 线技术的不足。

1955 年,美国物理学家科马克在南非一家医院照管放射科的工作。科马克很快就发现 X 线在诊断上的缺点,由此萌发了对其进行改进的念头。1963 年,科马克发现人体不同的组织对 X 线的透过率有所不同,这个发现为后来 CT 的应用奠定了理论基础。

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图为科马克和 CT 重建原理

1967 年,英国电子工程师亨斯菲尔德在并不知道科马克研究成果的情况下,也开始了一种新技术的研发工作,并制作了一台能加强 X 线放射源的简单扫描装置。1971 年 9 月,亨斯菲尔德又与一位神经放射学家合作,在伦敦郊外的一家医院安装了他设计制造的这种装置。同年 10 月 4 日,医院用它检查了第一个病人。患者在完全清醒的情况下仰卧于检查床接受头部扫描,这次试验非常成功。

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图为亨斯菲尔德和人类首次头颅 CT 检查

此后的 1972 年,世界第一台正式应用于临床的 CT 诞生,当时仅用于颅脑检查;当年 4 月,亨斯菲尔德在英国放射学年会上首次公布了这一结果,正式宣告了 CT 时代的到来。1974 年,Robert Ledley  制造成全身 CT,检查范围扩大到胸、腹、脊柱及四肢。CT 的问世在医学放射界引起了爆炸性的轰动,被认为是继伦琴发现 X 射线后,工程界对放射学诊断的又一划时代贡献。 

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图为 Robert Ledley  制造的全身 CT

2.      转与不转:代代进步

如今,CT 技术已经经历了多代的发展和更新:

第一代 CT:第一代 CT 机多属于头颅专用机,而且每个断层扫描 1 次要 3-5 分钟,再传输成影像总计需要约 7 分钟。其机械性运动属于「平移-旋转式」(下图 A),X 射线管每次旋转 1°,总共转 180°。该设备只有一到三枚侦测器,而其 X 光呈线束状。由于这些扫描设备有很大的声音和振动,早期病患对 CT 检查均有不愉快的记忆。

第二代 CT :与第一代不同的是扫描器有多枚探测器,约 3-30 个,且 X 光由线束状转换成 5°-20°的小扇形束状;机械性运动仍属于「平移-旋转式」(下图 B),旋转角度亦从 l°变为 5°-20°,因而扫描时间大大缩减,只需 20-90 秒便可得到一个断面影像。

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图 A 为第一代 CT 原理,图 B 为第二代 CT 原理

第三代 CT:采用 30°-45°宽扇形 X 光射线配合对侧一排数百个探测器做同步 360°旋转,即旋转-旋转式(下图 C)。速度更快,只要 2-9 秒甚至更短时间内便能完成一个横断面的影像,可对全身进行扫描,而且机器的声音和振动也大幅减少,患者友好性增加。这也是临床应用最广的一代 CT。

第四代 CT:其特点是探测器固定排列 360 度,球管可以绕着受检体连续作 360 度旋转,即旋转-静止式(下图 D),扫描时间更可以缩短到单一断面 1 秒或少于 1 秒。

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图 C 为第三代 CT 原理,图 D 为第四代 CT 原理

第五代 CT:又称为超高速 CT、电子束 CT(EBT),出现于 1983 年,采用电子束扫描方式(传统 CT 机采用机械扫描方式),扫描时间非常短,约 50~100 ms。EBT 的特点是除了用于传统 CT 成像外,还可用于对血流速度的测定。

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图为第五代 CT 原理

螺旋 CT:螺旋 CT 出现于 1989 年,属于第三代 CT,即旋转-旋转模式。其采用滑环技术,能连续旋转进行容积扫描,通过图像重建可以获得任意方向的剖面图像,同时可以减小部分容积效应的伪影。螺旋 CT 扫描速度快,特别是对心脏等不停运动的器官,例如 Philips Core128 极速之心 128 层 CT 的心脏成像时间分辨率达到 30ms,极大的减少了心脏搏动等产生的伪影。

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图为螺旋 CT 原理

总之,所有的改进都是为了一个原则:以患者为主,缩短扫描时间,提高分辨率。

3.      科技加身:所向无敌

CT 技术发展到今天,从最初的一个部位成像需要几分钟,到现在的几秒、亚秒,甚至可以对不断跳动的心脏进行「冻结」成像,可谓突飞猛进。不仅如此,随着探测器数目的增加及 MPR、MIP 等后处理技术的发展,CT 的功能越来越全面,人体全身上下无所不能,还出现了双源、能谱 CT 等具有特色的 CT 设备,甚至还能与最先进的 3D 打印技术结合。

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图为 CT 联合 3D 打印制作的连体婴的内脏模型

总之,CT 作为传统 X 线检查的改进和延续,已经成为医学影像学的中流砥柱。

后起之秀:MR

1.      幸运的橙子

1973 年,也就是首台 CT 扫描仪问世后的第二年,荷兰科学家罗伯ž洛赫尔开启了最初的核磁共振研究,并得到放射学界众所周知的核磁共振图像——诺丁汉的橙子。由这个幸运的橙子起步,磁共振成像开始了其成绩斐然的应用生涯。1980 年 12 月 3 日,罗伯ž洛赫尔和同事获得了全球第一幅人类头部的核磁共振图像。

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图为诺丁汉的橙子和首次头颅 MR 成像

2、     谈核色变,被迫改名

现在患者去医院只能看到「磁共振室」,而没有前面那个「核」字,据传原因在于:1983 年末,美苏核危机愈演愈烈,着眼于这一历史背景,美国放射学会推荐将核磁共振(NMR)改为磁共振(MR),以此缓解民众尤其是患者对于核医学的担忧,磁共振成像的术语也便沿用至今。

3、     超导现身,突飞猛进

就在改名的这一年,全球第一台超导磁共振 Philips Gyroscan S5 出现,这是世界上第一台医用全身磁共振成像系统。同年,在荷兰莱顿大学诞生了第一个具有主动屏蔽功能的磁体。一年之后的 1984 年,世界上首个表面线圈出现,所获图像可以显示非常小的细节,再次引起放射学界的轰动。

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图为人类首台超导 MR 及眼部成像

之后,MR 新技术层出不穷。从机器外观改进、体积和重量减小、孔径增大,到不同部位线圈和不同序列的开发,再到磁场强度不断的提高以及多种功能性成像如 DWI、SWI 等的出现,甚至与 PET 相结合形成 PET-MR,磁共振技术越来越全面和可靠,其应用也将越来越广。

2012 年,Philips 推出全球首台全数字磁共振。这是截至目前最新一代的磁共振,采用第三代射频发射技术——为磁共振精确定量成像提供强大支撑。而此前的 3.0T 磁共振,由于场强提高、主磁场和射频场不均匀等问题,导致脂肪无法完全抑制、化学位移伪影和 ghost 伪影严重,第三代射频发射技术可以很好的解决这些问题。此外,第三代射频发射技术还可以克服磁共振的「天敌」——金属植入物(比如假牙等)——造成的金属伪影,这种伪影常常导致 DWI 图像变形,使得图像难以用来诊断。

说到金属伪影,这个现象引起科学界的重视始于 21 世纪初,即金属材料在磁共振成像中使图像出现伪影,或使相应区域的影像模糊甚至消失。由于它的存在,医生难以准确鉴别病变真伪,容易出现漏诊或误诊。而现在,随着第三代射频发射技术的应用,困扰磁共振行业多年的金属伪影难题一去不复返。

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图为人类首个 MR 磁场屏蔽器和首个体表线圈

结语

医学影像学发展至今,X 线、CT 和 MR 三者互相补充、取长补短,为医学的发展和进步做出了重要的贡献。互联网时代的来临使我们得以借助「云」计算技术将各种影像检查设备进行互联互通,从而提供更为高效、精准的影像诊断。例如,Philips 的 IntelliSpace Portal 星云太空站就为 CT、MR 和核医学提供了一个可拓展的高级临床应用软件组合。不必移步到专用的工作站,您可在任何地方完成 3D 交互读片和诊断。

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随着科技的进步和发展,更多的未知和惊喜正在不远的未来等待着我们的发掘,医学影像学也必将一如既往的大踏步前行。就像 Arenon 教授在 2015 RSNA 开幕致词中引用星际迷航中的一句名言:让我们一起大胆地迈向不确定的未来!


编辑: 贾小玉

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