微米级CT设备破解看病难题 让耳部疾病无处遁形

2021-06-30 16:25:03

人体中最小的骨头是藏在耳朵内的听小骨,包括锤骨、砧骨和镫骨。此外,耳部还包括众多结构微小的骨腔、气房和骨管。

为了精准诊断耳部病变,医生会使用CT设备检查患者耳朵内的骨结构受损情况。但是,由于耳部一些骨头结构微小,在影像学诊断中存在“看不清、看不准”的难题,导致一些隐匿疾病无法得到精准诊断。

北京友谊医院影像中心主任王振常团队与清华大学、北京朗视仪器股份有限公司联手,成功发明了微米级耳科专用CT设备(以下简称耳科专用CT),填补了国内外在该领域的空白。拥有这一设备,医生就如同有了一双“火眼金睛”,能清晰识别耳部的微小结构,让耳部疾病无处遁形。

能看清耳朵内细如发丝的骨头

北京友谊医院放射科高级工程师尹红霞参与了耳科专用CT的研发。她告诉科技日报记者,研发该设备源于耳部骨结构的特殊性——微小。

除了听小骨,耳部还有构造精巧的内耳,包括耳蜗、前庭和3个半规管,即通常所说的“内耳迷路”。另外,耳部还包括众多容纳神经、血管、淋巴管走形的骨管道,比如前庭导水管、耳蜗导水管、面神经管等。一根头发丝直径约为40—50微米,耳朵内这些结构的精细部位只有几根发丝大小。

“在这些结构中,镫骨底板结构菲薄、厚度不均,用以封闭前庭窗。根据医学统计,镫骨底板的厚度在100—300微米。前庭导水管和耳蜗导水管是连通内耳到颅内的骨管道,对内耳压力平衡具有重要作用。前庭导水管的峡部直径为200微米左右。耳蜗导水管最狭窄处则通常小于100微米。”尹红霞介绍。

王振常说,耳科疾病主要分3类——耳聋、耳鸣和眩晕。明确病因,每一样都少不了拍片,影像学检查就是给诊治疾病提供可视化的客观证据。

但是,通过临床通用型CT设备看清耳部的微小结构并非易事。

目前,通用型CT的最优空间分辨力一般在300—700微米(不同型号设备略有不同),能够清楚显示中耳的锤骨、砧骨以及内耳的耳蜗、前庭、半规管骨腔等。但是,除非出现镫骨底板增厚的病理现象,通用型CT难以清楚显示镫骨底板。而对前庭导水管和耳蜗导水管,通用型CT只能观察宽大的水管远端,对于近端狭窄处则难以显示。

尹红霞介绍,新研发的国产耳科专用CT,其最优空间分辨力可达50微米,能分辨的最小结构或病变大概为2根发丝粗,是通用型CT设备分辨力的6倍多。实验结果显示,耳科专用CT对镫骨底板和前庭导水管全程可以做到100%显示,为耳科相关疾病提供了诊断利器。

此外,研发人员从患者舒适性和操作便捷性的功能需求出发,针对耳科精准定位做了特别设计。“通用型CT设备的扫描床一般只有上下、前后两自由度运动。耳科专用CT采用上下、前后、左右三自由度的扫描床设计,保证了在单侧耳部高清扫描时,可以方便地精准定位扫描区域。”尹红霞说。

重量约为通用型CT的一半

除了看得清、定位准,相比通用型CT设备,耳科专用CT小而轻便。

一般来说,通用型CT设备占地面积约为3米×3米,高度接近2米,总重为1.5吨至2吨。耳科专用CT占地面积约为3米×2米,高度1.7米,重量为800千克左右,约为通用型CT设备重量的一半。

小而轻便带来两个明显优势。一是占地面积小,节省空间。“理论上可以在更小的空间内安装,减轻了医疗机构的场地压力。”尹红霞说,另一个优势是适用范围扩大,便于普及。除了放射科,一些实力强的耳鼻喉科也可安装配备耳科专用CT。

当然,小而轻便的背后是更大的研发难题。尹红霞解释,小体积的CT设备无法直接使用通用型CT设备上的一些常用部件,因此整体结构设计以及零部件设计加工都要从零开始。

在系统架构方面,与多数通用型CT设备的单源—单探测器设计不同,耳科专用CT采用了双源—双探测器设计,也就是在机架上安装了两个X射线球管和2个平板探测器。同时,耳科专用CT还要有高精度的扫描控制装置。

然而,精度达到50微米的高分辨力成像对系统中任何不稳定因素都非常敏感,轻微晃动或偏离设计预期的运行都会导致图像模糊。

那么,如何在更小的机架上安装更多部件,同时确保力学平衡和高精度控制?

首先,合理的整体布局十分重要。研制团队多次更改设计图纸,反复对结构设计进行讨论和仿真,最终将众多部件巧妙配置。其次,精密部件和高精度加工是关键。整个机械运动系统由轴承、传动、电机、控制和反馈等部件组成,每一个部件必须有极高的精度,才能保证最终整合误差能够满足要求。所有这些突破成就了高稳定性、高控制精度的扫描装置,从而保证了耳科专用CT实现50微米空间分辨力的关键机械性能。

在保证专业化的前提下,经过多功能设计,耳科专用CT还可以进行常规的大视野成像。“通俗地说,就是耳科专用CT最大诊断区域几乎可以覆盖整个颌面部,不仅可以用于听小骨受损、耳硬化症等耳部疾病的诊断,对鼻、咽喉部位的疾病诊断也有帮助,对此研发团队正在获取更多的临床实验数据。”尹红霞说。

对制约空间分辨力的因素各个击破

截至目前,耳科专用CT样机已在北京友谊医院平稳运行8个月。

尹红霞告诉记者,样机研发耗时整整5年,经历了需求提出、设计可行性分析、产品总体设计、产品详细设计、样机制造和改进、测试和实验等多个阶段。后期的设备性能测试和设计改进也是长期的、反复迭代的过程。

据介绍,耳科专用CT样机研发成功前的近20年内,CT技术在空间分辨力方面都处于发展平台期。新的CT设备要想实现空间分辨力上的大幅突破,不得不独辟蹊径。

“我们采用系统思维的方式,对制约空间分辨力的多个因素逐一分析,然后各个击破。”尹红霞介绍,“一个重大创新是双成像系统整体架构设计,采用宽视+详视的设计方案——用宽视进行扫描区的精准定位,通过详视实现要观察目标区的高分辨力成像,从而突破了X射线焦点尺寸和探测器尺寸对空间分辨力提升的限制。”

此外,研发团队完成了提升核心器件性能、优化机械设计以及改进算法等诸多方面的技术突破。

比如,在核心器件方面,自主研制了高分辨力成像所必需的小焦点、大功率X射线发生器;在机械设计方面,通过精密轴承、传动系统及控制系统的配合实现稳定旋转和高精度位置反馈;在算法方面,专门针对小视野、高分辨力成像技术的特点和难点进行设计和攻关。

据尹红霞透露,目前该设备已获批进入国家药品监督管理局“创新医疗器械特别审查程序”,北京友谊医院的合作方也正在进行医疗器械注册工作,预计明年能投入市场应用。研发团队也有意将其推向国际市场。

未来,研发团队还将进一步优化设备外观、提升操作便捷性和交互友好性。同时,还将推动设备智能化发展,助力设备向基层普及。

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