中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

2022年上海医疗器械展会揭秘高端医疗影像设备关键指标:CT的转速越快越好吗?

2022-07-01

近年来,CT等高端医疗设备或成为”十四五”医疗装备产业发展规划及2022年上海医疗器械展会Medtec China的发展重点。回顾CT的发展历程,会发现一个规律,直到最近几年仍然符合——那就是CT的转速越来越快。这就涉及到了关于转速提升的一个关键问题,离心力。离心力(centrifugal force)是一种虚拟力,是惯性的体现,它使旋转的物体远离它的旋转中心。离心力与物体的质量,角速度和旋转半径有关。角速度为2π/T。角加速度等于ω2r。

自从螺旋CT产生以来,CT的最高转速已经从每圈1s提升到目前最快的0.24s(CardioGraphe,2018)。但看似简单的答案背后,又涉及到很多相关的问题。



离心力(G)与机架转速(t,s)、旋转半径(R,cm)之间的关系为:G=11.18·10-6·R·(60/t)2

从上述计算公式可以看出,球管和探测器在高速旋转时的离心力与转速和旋转半径成正比,转速快到一定程度后,每增加0.01s都要付出巨大的代价。2013年RSNA上发布的SOMATOM Force转速提高到了0.25s,此后一直是转速最快的CT。2018年发布的CardioGraphe心脏专用CT通过减小孔径(60cm)从而减少旋转半径(旋转中心到探测器的距离),进而将机架转速提升到0.24s。



离旋转中心0.7 m的物体上离心力与旋转频率的函数关系的图示。
Jiang H . Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, 2nd Edition. 2009.

除了机架需要更强大以对抗离心力之外,还有一个是球管能够承受的离心力。球管作为非常精密的组件,需要在高速旋转中精确控制曝光的参数。球管对于离心力的上限有要求,例如某球管能够承受的离心力是33.1G。如果超过这个值,可能会造成硬件的损坏。说完球管,还有一个与之相关的问题:探测器的采样率(Sampling Rate)。采样率(采样频率)是指每秒从连续信号采样的离散信号个数,它用赫兹(Hz)来表示。例如Spectral CT 7500(2021)最高采样率为4800 Hz,带有飞焦点技术的SOMATOM Definition AS+(2007)最高采样率为4608 Hz,两者分别以最快转速采集,每圈投影数分别为1296次(0.27s)和1520次(0.3s)。采样率一定的情况下,转速越快,每圈的采样率就会越低。例如某CT可以使用一定的最高采样率运行,转速从0.28提升到0.20s,每圈的投影数量会减少40%。因此提高转速的同时,可能需要适当提高采样率或进行其他优化以保证图像质量(影响图像质量的因素非常多,采样率低并不意味着图像质量一定差,需要综合评估)。



CT球管

如果离心力以及相关的问题如果能解决,那就需要考虑如下两个问题:
一、最快转速的提升对心脏成像有什么帮助?
通常,转速越快,心脏成像的运动伪影就越小。在介绍时间分辨率时,我们提到过心脏成像对于时间分辨率的要求(参见:CT的时间分辨率)。正常的窦性心律为60-100次/分,对于正常心率的患者,如果不控制心率,CT设备的时间分辨率至少应为100ms,理想情况下应低于75.5ms。在无限接近100ms的路上,120ms和115ms达到的效果可能非常接近。因此冒着指数增加离心力来增加制造成本而提高0.01s的转速,可能并不划算。

所以,我们看到了一个非常内卷的市场宣传,因为转速增加的获益是肯定的,对于进一步提升时间分辨率,有两种途径:

第一是增加x-y轴平面球管的数量,比如2005年在RSNA上发布的第一代双源CTSOMATOM Definition,利用0.33s的转速,实现了83ms的时间分辨率,使得螺旋CT的时间分辨率首次低于100ms,从而告别了对心率控制药物的依赖。

第二种是软件算法,比如iTRIM技术,通过减少数据的量从而提高时间分辨率,对于转速0.48s的设备,可以将时间分辨率从240ms提高到195ms。软件算法通常获得效果没有机架转速提升来的明显,所以我们能看到高端CT的转速还在不断加快。

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二、最高转速是否可以常规应用?

我们知道,管电压决定光子的质,而mAs决定光子的量。为了保证一定的光子数量,转速提高时,需要更高的管电流,比如同样是200mAs,转速是1s时,管电流需要200mA,如果转速加快到0.25s,则需要800mA。

对于宽探测器的CT设备,可以通过增加球管到探测器的距离来减少锥形线束伪影,所以我们可以看到很多CT设备的孔径很大,比如Revolution CT(2013)的孔径是80cm,uCT960+(2018)的孔径达到了82cm。随着孔径增加,锥形线束伪影可以得到一定限制。但,增加孔径一方面又增加了离心力,需要更稳固的机架设计。另一方面,球管的管电流也需要相应地增加,才能保证同样的图像质量。

所以,我们可以看到与转速伴生的一项重要工作,就是增加球管的最大管电流,特别是在低kV时,因为低kV需要更高的管电流进行补偿。SOMATOM Force单个球管在70-90kV时,最大管电流为1300mA,两个球管同时工作(如心脏成像,大螺距,DS模式等)时,可以提供最高2600mA的管电流。

即使是同样是管电流水平,不同的探测器宽度,不同的机架孔径也会有不同的效果。一般来说,探测器越窄,机架孔径越小,图像质量改善的效果越显著,相同图像质量的情况下,剂量降低的潜力也越大。



心脏CTA

因为这些限制,我们不难发现,在很多CT设备的常规检查中,通常不用最快的转速进行扫描,甚至某些设备在心脏成像时,可能也不用最快的转速,比如Revolution CT在心率较低的患者中,会自动选择0.35s的转速进行检查,从而获得更好的图像质量。有时候,病人是很难配合设备完成检查的,比如外伤,老年,儿童等不能配合的病人,就需要用尽可能短的时间完成检查。这就需要将各种扫描参数进行优化组合,比如在SOMATOM Force中,可以使用TurboFlash模式,可以在每秒737mm的速度下进行扫描,从而尽可能减少患者的运动。

2022年上海医疗器械展会Medtec China发现,对于转速增加伴随的离心力的增加而言,稳固的机架设计仅仅是最基本的问题,还需要解决稳固的球管设计,球管的最大管电流等等一系列的问题。所以,你看,CT成像是一个折衷的过程,需要各种条件相互平衡,才能获得相对理想的结果。

来源:XI区