全球首台相控阵CT化身肺部最强“侦察兵”

侯树文 科技日报记者 王春

一台高精度“相机”，可以帮助医生们观察到2毫米以下的肺结节，精准辨别肺部结节良性还是恶性，同时为患者规避了因不必要手术导致的过度医疗……这便是由我国企业自主研发的全球首台相控阵CT。8月12日，这台相控阵CT在上海交通大学医学院附属瑞金医院进入临床试用阶段，成为全球CT技术发展史上一次革命性飞跃的里程碑。

值得注意的是，北京纳米维景科技有限公司（以下简称“纳米维景”）完全凭借自身力量，实现了该设备探测器、高压发生器、球管等核心部件的自主研发与完全国产化。“在CT影像设备领域，相控阵CT技术是一个新物种，所有的核心零部件都是自主研发。我们走在‘无人区’，没有作业可抄。”纳米维景首席科学家曹红光语气坚定地说。

颠覆传统CT技术原理

“传统的机械旋转架构相当于在扫描架上分别装载1个或2个相机、光源，围绕人体进行高速旋转拍照；而相控阵CT的结构则是在扫描架上分别排列了一圈的光源和一圈的照相机。”曹红光向记者解释相控阵CT架构原理时提到。

传统CT设备的框架是机械旋转，扫描架围绕人体进行高速旋转。但是高速旋转时会产生巨大的离心力，依据现有材料学和工程学，传统螺旋CT性能已达到物理极限。

而相控阵CT光学旋转模式是对传统机械旋转模式的颠覆。其扫描架内部采用“探测器阵列群”与“扫描射线源阵列群”组合的双环结构设计。24个球管均匀排列在外周形成射线源环，64个光子流探测器则位于内周形成探测器环。射线源环在精确的曝光控制时序下轮流发射X射线，由对应的探测器接收。通过精密时序脉冲曝光替代机械旋转结构，成功突破制约CT扫描速度的物理限制。

在临床应用上，相控阵CT可以为人体拍摄一张超高清的医学影像，每张影像的像素可以由原来传统CT拍摄像素的512×512提升到3072×3072。相较传统螺旋CT实现空间分辨率提升64倍、时间分辨率提升3倍、单次扫描信息量提升144倍的突破。

“这相当于从普通望远镜升级到哈勃太空望远镜。”曹红光表示，“相控阵CT可以帮助医生看到人类活体的次级肺小叶，这是人体肺部器官中最小的功能区，这也是全世界第一次利用CT设备看到的最小的单元。”

实现CT领域技术领跑

为了突破传统CT在医疗影像临床应用上像素小的局限，纳米维景突破重重难关自主研发了光子流探测器、分布式X射线源阵列、稀疏角度成像算法等关键技术。尤其是光子流探测器的自主设计研发，更是突破了传统CT探测器依赖进口的瓶颈。

传统CT的探测器是第一代积分探测器，机械扫描CT的最高端产品是第二代光子计数探测器。早在2012年，纳米维景团队就研发了光子计数探测器。但是无论是积分探测器，还是光子计数探测器，都无法满足相控阵CT的需要。于是纳米维景开始向难度更高的第三代探测器——光子流探测器发起了挑战。

“如果说光子流探测器有上百个技术难点，一点也不为过。”曹红光介绍，光子流探测器难点之一就是要把感光芯片、模拟技术和数字技术三种技术融合起来。首先是把芯片从无到有地做出来，然后以此为基底进行晶体生长。仅是生长晶体这一个环节就有几十道极具挑战的工艺，需要企业自己一点点摸索。

什么样的晶体材料适合探测器的应用需求？这些晶体材料如何附着在芯片上？此外，生长晶体需要高精密度的设备，而这些设备也要靠企业从零开始设计……克服种种困难后，2016年初，纳米维景自主研发的光子流探测器获取了第一张X光成像图，这一突破为后续相控阵CT的研发奠定了坚实基础。

此次相控阵CT的成功研发，标志着我国高端医疗装备企业首次在CT关键技术领域实现全面自主可控，完成了从技术追随者到领跑者的历史性跨越。而纳米维景仍在为相控阵CT拍出更加清晰医学影像的道路上不断探索。“我们正在研发的下一代相控阵CT，其分辨率可以达到像显微镜那样的精度，帮助医生利用CT设备就可以看到病理层面的影像。”曹红光表示。