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國產微米級CT設備 破解耳科疾病看不清、看不準難題

人體中最小的骨頭是藏在耳朵內的聽小骨,包括錘骨、砧骨和鐙骨。此外,耳部還包括眾多結構微小的骨腔、氣房和骨管。


為了精準診斷耳部病變,醫生會使用CT設備檢查患者耳朵內的骨結構受損情況。但是,由于耳部一些骨頭結構微小,在影像學診斷中存在“看不清、看不準”的難題,導致一些隱匿疾病無法得到精準診斷。


北京友誼醫院影像中心主任王振常團隊與清華大學、北京朗視儀器股份有限公司聯手,成功發明了微米級耳科專用CT設備(以下簡稱耳科專用CT),填補了國內外在該領域的空白。擁有這一設備,醫生就如同有了一雙“火眼金睛”,能清晰識別耳部的微小結構,讓耳部疾病無處遁形。


能看清耳朵內細如發絲的骨頭


北京友誼醫院放射科高級工程師尹紅霞參與了耳科專用CT的研發。她告訴科技日報記者,研發該設備源于耳部骨結構的特殊性——微小。


除了聽小骨,耳部還有構造精巧的內耳,包括耳蝸、前庭和3個半規管,即通常所說的“內耳迷路”。另外,耳部還包括眾多容納神經、血管、淋巴管走形的骨管道,比如前庭導水管、耳蝸導水管、面神經管等。一根頭發絲直徑約為40—50微米,耳朵內這些結構的精細部位只有幾根發絲大小。


“在這些結構中,鐙骨底板結構菲薄、厚度不均,用以封閉前庭窗。根據醫學統計,鐙骨底板的厚度在100—300微米。前庭導水管和耳蝸導水管是連通內耳到顱內的骨管道,對內耳壓力平衡具有重要作用。前庭導水管的峽部直徑為200微米左右。耳蝸導水管最狹窄處則通常小于100微米?!币t霞介紹。


王振常說,耳科疾病主要分3類——耳聾、耳鳴和眩暈。明確病因,每一樣都少不了拍片,影像學檢查就是給診治疾病提供可視化的客觀證據。


但是,通過臨床通用型CT設備看清耳部的微小結構并非易事。


目前,通用型CT的最優空間分辨力一般在300—700微米(不同型號設備略有不同),能夠清楚顯示中耳的錘骨、砧骨以及內耳的耳蝸、前庭、半規管骨腔等。但是,除非出現鐙骨底板增厚的病理現象,通用型CT難以清楚顯示鐙骨底板。而對前庭導水管和耳蝸導水管,通用型CT只能觀察寬大的水管遠端,對于近端狹窄處則難以顯示。


尹紅霞介紹,新研發的國產耳科專用CT,其最優空間分辨力可達50微米,能分辨的最小結構或病變大概為2根發絲粗,是通用型CT設備分辨力的6倍多。實驗結果顯示,耳科專用CT對鐙骨底板和前庭導水管全程可以做到100%顯示,為耳科相關疾病提供了診斷利器。


此外,研發人員從患者舒適性和操作便捷性的功能需求出發,針對耳科精準定位做了特別設計?!巴ㄓ眯虲T設備的掃描床一般只有上下、前后兩自由度運動。耳科專用CT采用上下、前后、左右三自由度的掃描床設計,保證了在單側耳部高清掃描時,可以方便地精準定位掃描區域?!币t霞說。


重量約為通用型CT的一半


除了看得清、定位準,相比通用型CT設備,耳科專用CT小而輕便。


一般來說,通用型CT設備占地面積約為3米×3米,高度接近2米,總重為1.5噸至2噸。耳科專用CT占地面積約為3米×2米,高度1.7米,重量為800千克左右,約為通用型CT設備重量的一半。


小而輕便帶來兩個明顯優勢。一是占地面積小,節省空間?!袄碚撋峡梢栽诟〉目臻g內安裝,減輕了醫療機構的場地壓力?!币t霞說,另一個優勢是適用范圍擴大,便于普及。除了放射科,一些實力強的耳鼻喉科也可安裝配備耳科專用CT。


當然,小而輕便的背后是更大的研發難題。尹紅霞解釋,小體積的CT設備無法直接使用通用型CT設備上的一些常用部件,因此整體結構設計以及零部件設計加工都要從零開始。


在系統架構方面,與多數通用型CT設備的單源—單探測器設計不同,耳科專用CT采用了雙源—雙探測器設計,也就是在機架上安裝了兩個X射線球管和2個平板探測器。同時,耳科專用CT還要有高精度的掃描控制裝置。


然而,精度達到50微米的高分辨力成像對系統中任何不穩定因素都非常敏感,輕微晃動或偏離設計預期的運行都會導致圖像模糊。


那么,如何在更小的機架上安裝更多部件,同時確保力學平衡和高精度控制?


首先,合理的整體布局十分重要。研制團隊多次更改設計圖紙,反復對結構設計進行討論和仿真,最終將眾多部件巧妙配置。其次,精密部件和高精度加工是關鍵。整個機械運動系統由軸承、傳動、電機、控制和反饋等部件組成,每一個部件必須有極高的精度,才能保證最終整合誤差能夠滿足要求。所有這些突破成就了高穩定性、高控制精度的掃描裝置,從而保證了耳科專用CT實現50微米空間分辨力的關鍵機械性能。


在保證專業化的前提下,經過多功能設計,耳科專用CT還可以進行常規的大視野成像?!巴ㄋ椎卣f,就是耳科專用CT最大診斷區域幾乎可以覆蓋整個頜面部,不僅可以用于聽小骨受損、耳硬化癥等耳部疾病的診斷,對鼻、咽喉部位的疾病診斷也有幫助,對此研發團隊正在獲取更多的臨床實驗數據?!币t霞說。


對制約空間分辨力的因素各個擊破


截至目前,耳科專用CT樣機已在北京友誼醫院平穩運行8個月。


尹紅霞告訴記者,樣機研發耗時整整5年,經歷了需求提出、設計可行性分析、產品總體設計、產品詳細設計、樣機制造和改進、測試和實驗等多個階段。后期的設備性能測試和設計改進也是長期的、反復迭代的過程。


據介紹,耳科專用CT樣機研發成功前的近20年內,CT技術在空間分辨力方面都處于發展平臺期。新的CT設備要想實現空間分辨力上的大幅突破,不得不獨辟蹊徑。


“我們采用系統思維的方式,對制約空間分辨力的多個因素逐一分析,然后各個擊破?!币t霞介紹,“一個重大創新是雙成像系統整體架構設計,采用寬視+詳視的設計方案——用寬視進行掃描區的精準定位,通過詳視實現要觀察目標區的高分辨力成像,從而突破了X射線焦點尺寸和探測器尺寸對空間分辨力提升的限制?!?/p>


此外,研發團隊完成了提升核心器件性能、優化機械設計以及改進算法等諸多方面的技術突破。


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點、大功率X射線發生器;在機械設計方面,通過精密軸承、傳動系統及控制系統的配合實現穩定旋轉和高精度位置反饋;在算法方面,專門針對小視野、高分辨力成像技術的特點和難點進行設計和攻關。


據尹紅霞透露,目前該設備已獲批進入國家藥品監督管理局“創新醫療器械特別審查程序”,北京友誼醫院的合作方也正在進行醫療器械注冊工作,預計明年能投入市場應用。研發團隊也有意將其推向國際市場。


未來,研發團隊還將進一步優化設備外觀、提升操作便捷性和交互友好性。同時,還將推動設備智能化發展,助力設備向基層普及。


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