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保健

硅梦:一项技术突破,让医生以惊人的清晰度窥视身体内部

托马斯·凯勒
2020年11月20日

威廉·伦琴丝毫没有意识到他将要彻底改变医生如何诊断和治疗伤病。1895年,这位德国物理学家和未来的诺贝尔奖获得者日韩毛片免费视频一级特黄:做实验当他发现一个通电的玻璃真空管产生神秘的射线时,他称之为X射线,可以穿过固体物体,包括他妻子安娜的手。日韩毛片免费视频一级特黄:[1]据报道,她在看到日韩毛片免费视频一级特黄:骨头的照片在她的手掌和手指里。日韩毛片免费视频一级特黄:[2]

放射学科诞生了。伦琴的发现很快激发了全世界许多聪明人的头脑,包括通用电气公司的联合创始人、第一任首席科学家伊莱胡汤姆森。汤姆森在伦琴的突破基础上,在一年内设计了日韩毛片免费视频一级特黄:X光机可以用来“诊断骨折和定位体内异物”日韩毛片免费视频一级特黄:[3]汤姆森也是日韩毛片免费视频一级特黄:推动通用电气开设通用电气研究实验室。日韩毛片免费视频一级特黄:[4]这家科学机构允许另一位杰出的通用电气科学家威廉·柯立芝发明了一种现代的X射线管,它可以在今天的任何医院或诊所扫描病人的骨折。柯立芝的试管也位于X射线机更强大的表亲计算机断层扫描(CT)的核心。

现在,通用电气研究院的工程师们和他们在通用电气医疗保健公司和瑞典创业公司Prismatic Sensors AB的同事们希望再次改变放射学的路线。研究人员已经找到了一种方法来极大地扩展CT已经令人印象深刻的成像能力。这个研究小组发明了一种新的方法来捕捉和分析通过人体的X射线,并将其渲染成心脏的细节图像,或者说肺部结节的图像。他们说,他们的方法旨在使医生能够更清楚、更具体地看到人体内部,同时使患者暴露在比传统CT扫描更少的辐射下。

他们的方法花了几十年的时间才发展出来,它使用了一种叫做光子计数的技术,并涉及到由“深硅”技术制成的超灵敏X射线探测器——这是一个很难开发的关键部件。日韩毛片免费视频一级特黄相信这项技术有可能成为CT成像的一个重要进步,它将使全世界数以百万计的患者受益通用电气医疗集团总裁兼首席执行官基兰•墨菲(Kieran Murphy)说。

事实上,这项技术的前景如此巨大,以至于通用电气医疗保健公司将在2021年1月前收购棱镜传感器公司,后者是找到制造深硅探测器方法的合作伙伴这是自拉里·卡尔普(Larry Culp)于2018年底加入通用电气董事长兼首席执行官以来的首次收购。Prismatic首席执行官Mats Danielsson说:“硅是迄今为止用于探测器的最纯净的材料,它提供了非常干净的信号。”。“使用深硅,你可以以前所未有的能量分辨率非常有效地计算光子数。”

马特·丹尼尔森在医学扫描仪前

 

这项突破性的技术不仅可以让医生将器官形象化到最精细的结构细节,还可能帮助医生分析病变、肿瘤和其他可能遇到的可疑结构。“就个人而言,空间分辨率,即检测和日韩毛片免费视频一级特黄分哪怕是最小的临床特征的能力,是最大的好处之一,”技术经理布鲁诺·德曼(Bruno De Man)说,他日韩毛片免费视频一级特黄着通用电气研究院(GE Research)的辐射成像团队,该团队是这项研发的关键。空间分辨率与能量分辨率相结合,对于肿瘤学、心脏病学、神经病学和许多其他临床CT应用,都有可能显著影响临床表现。例如,对肺结节的准确描述有助于医生判断它们是恶性还是良性。或者当患有心血管疾病的人有斑块时,向临床医生提供斑块的详细信息有助于他们的准确诊断。或者他们可以成像骨质疏松症患者的骨骼微观结构,帮助确定骨折风险。以上只是三个可能从该技术中获益的应用程序示例。”

自20世纪90年代初以来,科学家和工程师一直在努力完善光子计数CT,这项技术是这项突破的核心技术,2001年,他带领的光子研究小组在比利时的早期发展中加入了这项研究。为了了解光子计数CT是如何工作的,以及为什么它能带来放射学的巨大变革,了解常规CT扫描仪是如何工作的有助于理解。

葛威廉柯立芝

大约50年前首次出现的CT扫描仪使用X射线来制作人体的横截面图像,几乎像一条面包一样切片。他们使用探测器每秒对通过病人的X射线总强度进行数十亿次测量,然后利用这些信息重建身体内部的图像。用CT扫描仪,你可以看到面包上的洞的数量、大小和位置,而不必真正切开它。医生可以在病人体内发现肿瘤肿块。但即使是CT扫描仪也可能会遇到分辨率和辐射剂量等限制。

进入光子计数CT技术,它做了一些不同的事情。日韩毛片免费视频一级特黄:[5]探测器不只是测量通过的总强度,而是对单个X射线光子进行计数并确定每个光子的能量。丹尼尔森说:“它和普通的可见光相机没有太大日韩毛片免费视频一级特黄别。“只是能量更高。日韩毛片免费视频一级特黄对所有的光子进行计数,并逐个测量它们的能量,这为医生提供了更多的信息,这对医生阅读重建图像以寻找潜在的癌症和其他疾病非常有利。”

德曼说,正是每一个光子的量化能量信息,使得CT扫描仪能够比传统技术更精确地描述人体内的组织。“这是第一大好处,”他说。“日韩毛片免费视频一级特黄不仅仅是成像材料的密度,日韩毛片免费视频一级特黄还可以评估哪些材料构成了组织。这类信息可以帮助医生对各种疾病状态进行诊断。”

德曼说,第二个重要步骤涉及到单个探测器单元的大小。在棱镜传感器的硅突破性进展的基础上,该团队已将数千个微小的硅模块组装成探测器,每个模块的大小都是现有日韩毛片免费视频一级特黄标准探测器单元大小的一小部分。他说:“通常情况下,CT图像的分辨率约为半毫米,但现在的空间分辨率可能是原来的两倍或三倍,这对于可视化即使是最小的特征也很重要。”。

爱迪生X射线GE

 

探测器还对到达的光子进行数字计数——1、2、3——这一方法使研究小组有可能减少图像噪声,提高图像清晰度,并可能降低辐射剂量。德曼说:“日韩毛片免费视频一级特黄相信日韩毛片免费视频一级特黄实际上可以消除电子噪音的影响。”。“日韩毛片免费视频一级特黄测量每个光子和它的能量,这样日韩毛片免费视频一级特黄就可以给它分配一个权重。例如,这将允许用户强调低能量光子,这些光子携带更多信息,并有可能提高图像的对比度和噪声比。”

但硅探测器只是谜团的一部分。这个团队包括数学、统计学甚至量子物理学方面的专家,他们开发了一种软件,可以处理数十亿次的测量,并将捕获和计数的光子转换成医生可以理解的图像。德曼说:“所有这些底层算法都很复杂,但如果你聪明地做,你就能提取尽可能多的信息。”。

这离项目的开始还有很长的路要走。上世纪90年代初,通用电气研究院(GE Research)的科学家们开始研究光子计数探测器,他们尝试用碲化镉(CdTe)和碲化镉锌(CZT)等材料建造探测器,这两种材料在核成像方面效果很好。但这是一段艰难的旅程。德曼说:“我记得当我第一次加入通用电气研究院时,一些探测器专家认为光子计数永远不会奏效,而另一些人则恰恰相反,他们一直在推波助澜。”。

最终,通用电气的科学家们用CZT探测器制造了世界上第一个光子计数CT原型。通用电气在2006年公布了它,并在第二年作为一项临床研究的一部分对病人进行扫描。与此同时,世界各地的许多研究小组也开始使用相同的材料来探索光子计数CT探测器。

但光子计数扫描器从未成功;主要的限制是探测器的材料。德曼说:“日韩毛片免费视频一级特黄一直都知道,计算机辅助设计告诉CdTe和CZT有他们的挑战。“它们确实是核医学的伟大材料,在核医学中,计数率的要求没有CT那么高。但对CT的要求太高了。杂质会导致不稳定性和计数率的限制——光子计数的速度有多快。”

通用电气的团队一直喜欢硅,因为它的纯度,也因为半导体日韩毛片免费视频一级特黄已经基本上解决了如何批量生产由这种材料制成的零件。但是用它做一个CT探测器是一个遥远的尝试。最大的挑战,也许是硅在阻止到达的X射线光子的能力上相对较差。在CZT模块只有几毫米深的地方,硅模块必须深得多。

但是,在2015年,一次偶然的邂逅让通用电气的科学家们和丹尼尔森走到了一起,丹尼尔森把问题抛到了脑后,或者说是站在了一边。他和他的同事们发现,把硅模块侧向转动——在边缘——并测量康普顿相互作用,这样它们就能对图像做出贡献,从而解决了这个问题。日韩毛片免费视频一级特黄还听说了“日韩毛片免费视频一级特黄还没用X光探测器探测到”的问题,所以日韩毛片免费视频一级特黄还没能用X光来探测。

丹尼尔森则期待棱镜传感器成为通用电气大家庭的一部分。“这些年来,日韩毛片免费视频一级特黄真的非常了解通用电气的团队,”他说。“日韩毛片免费视频一级特黄的合作非常紧密。因此,日韩毛片免费视频一级特黄习惯于一起解决难题和完成工作。”

通用电气医疗预计将于2021年1月完成对棱镜传感器的收购。自2017年以来,该公司一直在该公司担任少数股权。

光子计数扫描仪信息图

 

日韩毛片免费视频一级特黄:[1]“威廉·康拉德·伦琴——事实”,NobelPrize.org。诺贝尔媒体AB 2020。<http://www.nobelprize.org/prives/physics/1901/rontgen/facts/>

日韩毛片免费视频一级特黄:[2]《威廉·伦琴夫人的手》,100张照片,是有史以来最具影响力的照片。时代公司<http://100photos.TIME.com/photos/wilhelm-conrad-rontgen-first-x-ray>

日韩毛片免费视频一级特黄:[3]“艾利胡·汤姆森X射线系统”,通用电气公司。<http://artsandcrulture.google.com/asset/elihu-thomson-x-ray-system-general-electric-company/DQF2悱jkXa8GdIQ?en=hl>

日韩毛片免费视频一级特黄:[4]“通用电气研究实验室:过去111年来平台创新的热点”,爱迪生技术中心。<http://edisontechcenter.org/GEresearchLab.html>

日韩毛片免费视频一级特黄:[5]发展中的技术。不出售。未经美国食品和药物管理局或任何其他全球监管机构批准或批准的商业可用性。

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