CCI创新周讯 | FDA批准首个光子计数CT系统

2021
10/14

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FDA和CT专家表示,这是CT技术范式转变的开始。



美国食品和药物管理局(FDA)于2021年9月30日,批准了世界上第一台光子计数CT扫描仪Siemens Naeotom Alpha。FDA和CT专家都表示,这是新CT扫描仪技术革命的开始,也是CT影像模式多年来最大的技术转变。而且,FDA还就该批准罕见的发布了一份新闻稿,指出其对医学成像的重要性。


 

西门子Naeotom Alpha上的心脏扫描。这是第一台商业化的光子计数CT扫描仪。于2021年9月30日获得FDA批准。图片由Deutscher Zukunftpreis/Ansgar Pudenz提供。


“CT是一种重要的医学成像工具,可以帮助诊断疾病、创伤或异常;规划和指导介入或治疗程序,并监测某些疗法的有效性,” FDA器械和放射健康中心诊断X射线系统团队的助理主任Laurel Burk博士表示 。“光子计数CT代表了近十年来计算机断层扫描成像的第一项重大新技术,并突显了FDA鼓励科学和诊断进步领域创新的努力。”


Siemens Naeotom Alpha旨在将穿过患者身体,并由探测器接收到的X射线光子信息转换为详细的3维图像。Siemens Naeotom Alpha设备使用新兴的光子计数探测器CT技术,可以测量穿过患者身体的每个单独的X射线光子; 而当前常规CT探测器测量的是多束X射线包含的总能量。在CT扫描仪中使用光子计数探测器,实际上是对常规CT成像的重新发明。


“在CT扫描仪中使用光子计数探测器实际上是对CT成像的重新发明,因为X射线探测器是决定图像质量的核心设备,例如手机摄像头中的百万像素数量决定成像质量,” 梅奥诊所CT临床创新中心的科学总监Cynthia McCollough博士表示,该中心与西门子合作开发系统和测试系统原型。“光子计数探测器比当前一代常规CT扫描仪改进非常多,这些特性可能会推动光子计数探测器成为未来几年CT技术的下一个重大转变。”


Cynthia McCollough博士还表示:“光子计数CT通过“计数”每个单独的X射线光子,可以观察到常规探测器技术无法成像的细小结构。” Siemens Naeotom Alpha一次扫描可以获得多种能量,可以获得患者更高分辨率的图像信息,且图像噪声低。常规CT与光子计数CT具体的成像效果,如下图所示。


 

通过光子计数CT改进中耳和内耳的可视化。中耳和内耳的微小解剖结构,如镫骨(上排)和耳蜗(下排)。左侧图像使用常规CT成像获得,右侧图像使用光子计数CT。图片由瑞典林雪平大学A. Persson博士提供。


光子计数CT探测器显著提高图像质量


Naeotom Alpha创新的核心是光子计数探测器,其主动探测层技术优于常规CT探测器。常规CT技术成像采用两步转换方案,首先使用探测器中的闪烁层将X射线光子转换为可见光,然后利用光电二极管光传感器将可见光转换为数字信号。由于经过中间步骤,相关X射线能量的重要信息丢失。因此,图像成像对比度降低、噪声大,且可能无法用于帮助诊断。


光子计数探测器已经在高能物理和核成像领域被使用了好几年。由于上一代光子计数探测器无法跟上高光子的速率,因此,之前无法与临床CT扫描仪一起使用。经Siemens 改进后,Naeotom Alpha的探测器提高速度后,可以与临床CT扫描仪一起使用。Siemens Naeotom Alpha使用独特的几何结构来执行最先进的心脏成像,能快速获得始终在运动的心脏的清图像。


光子计数CT探测器跳过将X射线转换为可见光的步骤,直接将X射线转换为电流信号。这允许根据不同的千伏(kV)能量水平,收集和分类每个脉冲的能量阈值,并实现双能量光谱成像。直接转换有助于在不丢失信息的情况下提高清晰度和对比度,还具有更高的空间分辨率,降低了扫描噪音和辐射剂量。


 

Naeotom Alpha CT扫描仪内光子计数传感器板的特写。图片由Deutscher Zukunftpreis/Ansgar Pudenz提供。


光子计数CT优点


  • 无电噪声: 针对肥胖患者和低剂量扫描更好的图像质量;

  • 更小的探测器像素: 显著提高空间分辨率,改善常规CT扫描仪的图像质量,且有助于降低图像噪声;

  • 不减弱低能量光子的权重:提高了图像对比度,包括碘对比度噪声比(CNR);

  • 内置于每次扫描中的光谱特性成像:所有光子计数扫描都具有光谱CT组件。探测器可以将不同能量的光子合并,允许在后处理中访问它们以显示其他能量的图像。光子计数CT扫描仪将消除对专用双能CT扫描仪的需求;

  • 无需闪烁体的光子直接数字检测: 取消将X射线光子转换为可见光的两步转换过程,直接转换有助于提高图像质量。允许光子计数探测器区分每个光子的能量,以实现双能量光谱成像。


“这确实是探测器级别的变化,CT扫描仪发出的光子的计算方式发生了根本性的变化——顾名思义——计数,” 弗吉尼亚大学心血管医学系的Julian Ruffin Beckwith医学教授,心血管CT杂志 (JCCT) 主编,心血管计算机断层扫描学会(SCCT) 前任主席,FACC、FAHA、MSCCT的医学博士Todd Villines解释说。“这是一种更有效的利用光子能量的方式,因此不仅剂量更低,而且图像质量,尤其是与支架和钙化相关的图像质量,比常规探测器要好很多。”


光子计数CT扫描提升光谱成像


光子计数CT探测器可以在更广泛的kV水平范围内,利用以不同能量收集的光子箱来重建一系列类似于双能CT的单能图像渲染。光谱成像允许基于构成扫描中各种材料的化学元素进行材料分解,包括构成支架、骨科植入物和置换心脏瓣膜的钙和金属。


Villines 解释说:光谱成像的分解能力可以有效帮助减少图像中的金属伪影,这不仅适用于支架或人工瓣膜,还适用于通常会干扰图像视野的骨科植入物和手术钉。光子计数的光谱特性将使放射科医生或心脏病专家,能够在分子水平上剥离金属或钙,以揭示支架内或充满钙沉积物的血管中积聚的组织或斑块。


“我们有信心扫描支架或冠状动脉高度钙化的患者,” Villines还表示。“光子计数CT的意义非常深远。光子计数探测器的美妙之处,在于它允许将发射的X射线直接转换为能量,这是非常有效的。它还允许进行分类各种单能kV的不同能量。它还具有更高的空间分辨率,降低了噪音及更低的辐射剂量。”


光子计数CT在心脏成像上更具优势


为了获得始终在运动的心脏的清晰图像,西门子Naeotom Alpha使用独特的几何结构来执行最先进的心脏成像。


“这个扫描系统非常快,” McCollough说。“心脏成像就像给骑自行车的人拍照来计算轮子上的辐条数,但因为辐条在移动而变得模糊。有了新系统,我们可以捕捉到一个心跳的一小部分,仿佛冻结运动。”


 

梅奥诊所研究的新型第三代光子计CT扫描仪,通光谱特性减少来自密集冠状动脉钙化(箭头)的明亮信号,可以清楚地显示冠状动脉管腔(箭头)的完整部分。光谱 CT 能够对不同能量的照片进行分类,这些能量可用于根据光谱特性增强或减去图像中的化学元素,例如此处显示的钙和碘。


光子计数CT系统的发展


明尼苏达州罗彻斯特梅奥诊所的CT临床创新中心,近十年来一直致力于探索新兴的光子计数探测器CT技术如何使患者受益。这项工作是与开发原型系统的Siemens Healthineers合作的一部分。


梅奥诊所于2014年,安装了世界上第一个能够进行人体成像的光子计数探测器CT系统。第一批人体研究于2015年8月开始,与制造商密切合作以评估其临床潜力技术。


第二代原型机于2020年在梅奥首次亮相。该系统解决了第一代系统的许多设计限制。作为西门子正在进行的研究合作的一部分,第三代研究系统已于2021 年4月启动并运行。4月,梅奥诊所对新系统进行了首次心脏扫描,并引起了研究团队的热烈掌声。


“这种成像方式的进步每隔几十年才会出现一次,” 梅奥CT临床创新中心医学主任Joel Fletcher说。“以往CT技术的主要创新包括螺旋CT、多排CT和双能CT ”。Fletcher还表示:在接下来的5年或10年中,光子计数探测器CT将促使医学成像的重大进步,从而改善患者医疗。


西门子表示:与梅奥和其他医院在光子计数CT项目上的合作取得了重大成功。“大约15年前,西门子Healthineers开始从事光子计数及其临床愿景的工作。我们始终相信其巨大的临床价值,经过与合作伙伴的不懈努力,很高兴我们获得了FDA 510(k)的批准,” 西门子Healthineers诊断成像负责人André Hartung说。


 

光子计数CT的COVID后患者的肺部图像。光子计数技术允许同时采集和可视化详细结构(中)、功能信息(右)和常规CT对比的图像(左)。由捷克共和国比尔森大学医院的J. Ferda博士提供。


主要CT供应商都在

开发光子计数CT系统


所有主要的医学影像设备公司都在开光子计CT探测器。虽然这项技术在学术研究上才几年,已经有几家供应商即将把这些探测器商业化,而西门子只是第一个推向市场的。


在RSNA 2020上,GE Healthcare表示光子计数CT探测器技术是未来的发展方向,并强调了其在2020年11月收购了瑞典Prismatic Sensors AB公司。该公司正在开发光子计数、深硅探测器。GE将其用于其原型光子计数CT系统,于2021年开始运行该原型系统。


三星正在与美国一所大型大学合作开发其PCD技术,并在RSNA 2020上讨论了新探测器。


飞利浦医疗也有正在运行的原型机。



译者评论


光子计数CT是医学影像技术发展的一个重大的里程碑。CT成像的基本原理是由探测器从各个角度收集穿过人体的X光信息,重建成为三维影像。在过去的几十年,由于技术的限制,CT探测器只能探测到一束X光的总能量,而无法区分每个光子的信息,这个过程有大量的信息损失和混叠,也限制了传统CT影像设备的分辨率、信噪比,造成了多种影像伪影。


光子计数CT的商用化,从技术底层改进了这些状况,把CT的成像能力向前推进了巨大的一步。它的优势主要体现在几个方面:更高的信噪比,更高的对比度,更高的空间分辨率、时间分辨率、能谱分辨率。拿时间分辨率来说,它“仿佛冻结了运动”,这可以显著降低由于心跳造成的运动伪影。拿能量分辨率来说,它可以完全超越传统的专用双能谱CT。光子计数CT可以得到每个光子的能量,这意味在图像重建的过程中,我们可以任意划分多个光谱(在有足够光子的情况下),这使CT对不同组织的分辨能力获得很大提升,金属、钙化、支架等物质的伪影显著减小。


这种新型设备也会带来新的挑战。首先它比传统的CT设备昂贵。光子计数CT最核心的是探测器部分,也是它最昂贵的部分,它的高昂售价会限制它的普及,特别是在最初的几年。另外,光子计数CT的信息量比传统CT大很多,比如它可以提供多个能谱的成像,这些新的信息是以前医生所不熟悉的。对于新的信息和更大信息量的解读,都给医生带来了挑战。不过我们相信,随着与之配套的人工智能技术的发展,这些挑战最终会得到很好的解决。


 


译者简介


马骏

睿心医疗

睿心医疗联合创始人&CTO,CCI四期学员

清华大学本科,美国约翰霍普金斯大学博士。以全系第一的成绩从清华大学生物医学工程系毕业,进入全美专业排名第一的约翰霍普金斯大学攻读博士学位。师从两位世界级学者:生物医学工程系主任Micheal Miller教授和应用数学系主任Laurent Younes教授,进行医学影像、图像处理和人工智能方面的研究。毕业以后,先后在GE、西门子等顶尖医疗器械公司工作,作为核心人员研发了多款世界领先的医学影像产品。随后进入达芬奇手术机器人公司,架构、设计并实现了新型机器人平台的人工智能和影像引导系统。在顶级学术期刊和会议发表多篇专业论文,并握有多项美国和中国技术发明专利。2017年与校友联合创立睿心医疗,致力于更早期、更精准、更无创地诊断心脑血管疾病。他领导睿心医疗研发了全球首个全自动化的“形态学 + 功能学”冠心病影像分析系统“睿心分数”,该产品已进入中国医疗器械创新绿色通道,完成全国首个大规模、前瞻性临床试验。睿心分数已获批NMPA三类证,在两百多家医院落地应用。

   

本期策划:沈雳

责任编辑:陈宝麟

编译作者&评论:马骏

后期制作:任燕龙  汪蕊

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关键词:
CT扫描,光子计数,CCI,FDA,探测器,X射线,分辨率

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