X射線是德國(guó)物理學(xué)家倫琴(WilhelmKonrad Rontgen)1895年發(fā)現(xiàn)的。這項(xiàng)技術(shù)很快就被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，幫助醫(yī)生了解人體內(nèi)組成器官的生理、解剖及病理生理、病理解剖的變化，大大減少了疾病診斷的誤診率。
經(jīng)過(guò)120多年的發(fā)展，X射線成像技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，但不知你是否注意到，這些年來(lái)醫(yī)生給患者拍的X光片都是黑白片，這是因?yàn)楂@得人體組織3D彩色X光片的相關(guān)技術(shù)瓶頸一直未能突破。
近日，從新西蘭傳來(lái)了令人震撼的好消息。一對(duì)科學(xué)家父子歷時(shí)十年，終于研制成功三維立體(3D)彩色X射線醫(yī)用掃描儀。他們使用歐洲核子研究中心(CERN)為粒子物理研究開(kāi)發(fā)的Medipix3芯片技術(shù)——那正是為CERN找到“上帝粒子”希格斯玻色子立下汗馬功勞的技術(shù)。
醫(yī)生們期盼多年的3D彩色X光片終于變成了現(xiàn)實(shí)，當(dāng)看到那清晰顯示出人體皮膚、肌肉、骨骼、脂肪、疾病標(biāo)記物等的3D彩色掃描圖像時(shí)，不由得驚嘆：真令人難以置信！
CERN的Medipix
歐洲核子研究中心(CERN)因?qū)ふ业健吧系哿Ｗ印毕８袼共Ｉ佣劽澜纭?/p>
CERN擁有一種混合像素技術(shù)(Hybrid pixel technology)，CERN的大型實(shí)驗(yàn)裝置幾乎都采用了這種技術(shù)來(lái)探測(cè)粒子的對(duì)撞頂點(diǎn)或徑跡。CERN以及一些合作組成員從這里看到了機(jī)會(huì)，他們認(rèn)為這種技術(shù)完全可以進(jìn)一步研發(fā)，應(yīng)用于粒子物理研究之外的領(lǐng)域，Medipix項(xiàng)目就這樣誕生了。
混合硅像素探測(cè)器1995年的照片，顯示出153個(gè)高能粒子的軌道，展示了在高能物理中追蹤應(yīng)用的潛力(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
Medipix是一種用于粒子成像和檢測(cè)的芯片，其工作原理類(lèi)似于現(xiàn)代數(shù)碼照相機(jī)的傳感器。當(dāng)電子快門(mén)打開(kāi)時(shí)，這種芯片可以檢測(cè)并計(jì)數(shù)撞擊像素的單個(gè)粒子，使生成高分辨率、高對(duì)比度、高可靠度的圖像成為可能。
Medipix1于20世紀(jì)90年代由四個(gè)研究所經(jīng)非正式合作研制成功，展示了提供無(wú)噪聲單光子計(jì)數(shù)的技術(shù)潛力。實(shí)質(zhì)上，Medipix是個(gè)由成千上萬(wàn)個(gè)通道組成的集成電路，每個(gè)通道連接一個(gè)敏感元件，形成一個(gè)小的二維粒子探測(cè)器，能產(chǎn)生高分辨率、無(wú)噪聲的X射線圖像。
Medipix2的合作研制從1999年開(kāi)始，合作組有17個(gè)成員。目標(biāo)是改進(jìn)空間分辨率，研發(fā)更多的附加功能。具有時(shí)間或振幅測(cè)量附加功能的Medipix2改進(jìn)版本稱(chēng)為T(mén)imepix。Medipix2的研制原計(jì)劃進(jìn)行4年，由于在各類(lèi)粒子成像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，直到15年后該合作組仍然定期舉行會(huì)議。
2005年，歐洲的EUDet合作組(由12個(gè)國(guó)家的31個(gè)歐洲伙伴機(jī)構(gòu)組成，目標(biāo)是為歐洲的下一個(gè)大型項(xiàng)目——國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)的探測(cè)器研發(fā)打基礎(chǔ))與Medipix設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了接觸，提出了進(jìn)一步提高M(jìn)edipix芯片功能，期望每個(gè)像素既要能測(cè)量撞擊光子的數(shù)量，且要能測(cè)量粒子的到達(dá)時(shí)間。
Medipix3的合作研制從2007年開(kāi)始，合作組成員增加至21個(gè)。通過(guò)采用更先進(jìn)的CMOS(數(shù)字集成電路中的信號(hào)放大器件)工藝，可實(shí)現(xiàn)在單個(gè)小像素上集成兩個(gè)計(jì)數(shù)器，在前一個(gè)圖像被讀出時(shí)就能同時(shí)完成當(dāng)前圖像的拍攝，減少了死時(shí)間。
而Timepix3的功能更加強(qiáng)大，能夠記錄每個(gè)被探測(cè)光子的位置、能量/波長(zhǎng)、到達(dá)時(shí)間。使用這種芯片，圖像不再是黑白的了——圖像中可用不同的顏色來(lái)表示光子的不同能量，使圖像更清晰、更準(zhǔn)確。Timepix3在CERN的粒子物理實(shí)驗(yàn)中有非常出色的表現(xiàn)，這為它在醫(yī)學(xué)成像和更廣泛的輻射探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
Medipix的讀取芯片Timepix3(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
父子科學(xué)家的追求
1895年，德國(guó)科學(xué)家倫琴(Wihlem Rontgen)發(fā)現(xiàn)了X射線，震撼了整個(gè)科學(xué)界。僅僅幾個(gè)月后，這項(xiàng)技術(shù)就被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像，人類(lèi)得以窺視人體的內(nèi)部，對(duì)醫(yī)生診斷疾病有很大幫助。只是，此后120多年來(lái)，因技術(shù)上始終得不到突破，醫(yī)學(xué)上的X射線掃描只能停留在黑白片的時(shí)代，不禁令人感到有些缺憾，黑白圖像難以提供人體骨骼周?chē)M織和肌肉的更多信息及細(xì)節(jié)。
有一對(duì)新西蘭父子：菲爾·巴特勒(Phil Butler)與安東尼·巴特勒(Anthony Butler)。父親菲爾·巴特勒是坎特伯雷大學(xué)的物理學(xué)教授，兒子安東尼·巴特勒是奧塔哥大學(xué)的生物工程學(xué)副教授。他們決心致力于新型成像技術(shù)的研究，希望能夠發(fā)明一種探測(cè)人體內(nèi)部的3D彩色X射線掃描儀，以幫助醫(yī)生更好地診斷疾病。
安東尼·巴特勒(左)與菲爾·巴特勒(右)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
2005年，巴特勒父子提出了這個(gè)研究意向，當(dāng)時(shí)就引起了科學(xué)界的關(guān)注，這個(gè)項(xiàng)目被認(rèn)為相當(dāng)有發(fā)展前景。2007年，巴特勒父子創(chuàng)辦了MARS Bio-Imaging科技公司，并與新西蘭的坎特伯雷大學(xué)、奧塔哥大學(xué)就該項(xiàng)目開(kāi)始進(jìn)行合作。該項(xiàng)目還獲得另一些大學(xué)、法國(guó)手術(shù)機(jī)器人公司(Medtech)、GE醫(yī)療集團(tuán)的技術(shù)支持、新西蘭商業(yè)、創(chuàng)新和就業(yè)部(MBIE)的經(jīng)費(fèi)資助，以及一些相關(guān)協(xié)會(huì)的捐款。
傳統(tǒng)的X射線成像基于X射線穿過(guò)人體密度不同的組織吸收程度不一樣，攜帶了人體各部不同的密度信息在熒光屏或膠片上感光的強(qiáng)弱差別就顯示出灰度不同的陰影，這就是所謂的黑白X光片。如果通過(guò)某些圖片處理手段將人眼不能區(qū)分的微小的灰度差別顯示為較明顯的色彩差異，可以得到一種假彩色增強(qiáng)圖，便于解釋和提取有用信息，但這并不是真正的彩色X射線圖像。
巴特勒父子不想延續(xù)傳統(tǒng)的X射線成像的技術(shù)思路，他們需要的是全新的技術(shù)。 得益于新西蘭是CERN的協(xié)聯(lián)成員國(guó)，后來(lái)又成為Medipix3合作組的成員。巴特勒父子團(tuán)隊(duì)參加了CMS大型探測(cè)器的安裝(CMS用Medipix探測(cè)器監(jiān)測(cè)中子和電離輻射)。在合作過(guò)程中，他們深入了解了Medipix芯片的先進(jìn)技術(shù)，很想探索是否能將Medipix芯片用于記錄X射線穿過(guò)人體密度不同的組織時(shí)不同的吸收效率。經(jīng)Medipix3合作組授權(quán)，同意他們將Medipix3用于3D彩色X射線掃描儀的研發(fā)。
掃描儀最初的設(shè)計(jì)圖及完成后的樣機(jī)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
3D彩色X射線掃描儀
經(jīng)過(guò)10年多的努力，2018年7月終于傳來(lái)了令人振奮的消息：巴特勒父子的團(tuán)隊(duì)研制成功了全球第一臺(tái)3D彩色X射線掃描儀(MARS)。
經(jīng)自定義數(shù)據(jù)處理算法增強(qiáng)的Medipix3芯片可以檢測(cè)X射線穿過(guò)人體密度不同的組織時(shí)吸收效率的變化。而顏色則是由X射線光子的不同能量差異導(dǎo)致的。如果將光子的不同能量與特定的人體組織相匹配，并用數(shù)據(jù)處理算法為不同的人體組織分配相應(yīng)的顏色，不僅能區(qū)別人體不同組織的構(gòu)成，還能以不同的色調(diào)清楚地顯示骨骼、肌肉、脂肪、液體、鈣質(zhì)以及腫瘤標(biāo)志物等，再加上其他軟件的運(yùn)用，則能分析、篩選數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高分辨率的彩色3D圖像。
菲爾·巴特勒指出：Medipix3芯片在制造MARS以及在醫(yī)學(xué)診斷方面帶來(lái)了很大的優(yōu)勢(shì)。它的小像素以及精確的能量分辨率意味著這個(gè)新的成像工具能夠獲得其它任何成像工具都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的圖像。從黑白膠片升級(jí)到彩色照片是一種全新的X光體驗(yàn)，使醫(yī)生能以無(wú)創(chuàng)的方式看到受檢者體內(nèi)的各種細(xì)節(jié)，幫助醫(yī)生作出更準(zhǔn)確的診斷。
技術(shù)上得到突破之后，巴特勒父子和他們的合作者用一個(gè)小型的樣機(jī)進(jìn)行臨床試驗(yàn)：研究癌癥、骨骼和關(guān)節(jié)，以及導(dǎo)致心臟病和中風(fēng)的血管疾病，醫(yī)生可針對(duì)每個(gè)患者設(shè)計(jì)個(gè)性化的治療計(jì)劃，包括靶向藥物治療或微創(chuàng)手術(shù)。
MARS的小型樣機(jī)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
安東尼·巴特勒認(rèn)為：這種成像技術(shù)是新一代大型醫(yī)學(xué)成像的創(chuàng)新，3D彩色X射線圖像將為臨床醫(yī)生提供目前在CT、MRI或PET掃描中不可能獲得的信息。最終，MARS掃描儀將能更好地診斷和監(jiān)測(cè)多種疾病，為患者帶來(lái)更好的結(jié)果——特別是在中風(fēng)預(yù)防、關(guān)節(jié)置換和癌癥治療等方面。
圖為MARS掃描儀拍攝的一個(gè)踝關(guān)節(jié)的3D彩色X射線圖像，可以看到腳踝的骨頭、腳后跟區(qū)域的填充物(紅色的軟組織、白色的骨頭，而脂肪則是渾濁的黃色)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
圖為MARS掃描儀拍攝的戴手表手腕部分的3D彩色X射線圖像，白色的是軟組織中的部分手指骨，連手表的結(jié)構(gòu)都能完整重現(xiàn)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
CERN擁有的技術(shù)有相當(dāng)部分已成為當(dāng)今廣泛流行的許多技術(shù)的核心。CERN的知識(shí)轉(zhuǎn)移小組一直都在努力讓CERN的技術(shù)應(yīng)用到高能物理學(xué)以外，特別是醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。MARS掃描儀的成功伴隨著CERN粒子探測(cè)器技術(shù)研究的發(fā)展，伴隨著Medipix芯片的改進(jìn)升級(jí)，還得益于成像設(shè)備的設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)等多項(xiàng)前沿技術(shù)的發(fā)展。
媒體的相關(guān)報(bào)道(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
期待MARS掃描儀能盡快商業(yè)化，成為醫(yī)療界不可或缺的工具，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的診斷和個(gè)性化的治療。當(dāng)然，可能還需要數(shù)年時(shí)間MARS掃描儀才能獲得它所需的所有許可和批準(zhǔn)，以便能安全地在醫(yī)院和診所臨床使用，但未來(lái)看起來(lái)十分光明。
參考資料
1、CERN Technology Used To Create First Ever 3D Color X-Ray
https://www.forbes.com/sites/meriameberboucha/2018/08/01/cern-technology-used-to-create-first-ever-3d-color-x-ray/#4955f3783b3d
2、Applying CERN’s detector technology to health: MARS Biomedical 3D spectroscopicx-ray imaging
3、Applying CERN’s detector technology to health: MARS Biomedical 3D spectroscopicx-ray imaging
4、First-ever color X-ray will deliver moreaccurate diagnoses
https://nypost.com/2018/07/13/first-ever-color-x-ray-will-deliver-more-accurate-diagnoses/
5、First 3D colour X-ray of a human using CERNtechnology
http://www.eurekamagazine.co.uk/design-engineering-news/first-3d-colour-x-ray-of-a-human-using-cern-technology/176081/
6、X光掃描123年以來(lái)的最大問(wèn)題被新西蘭人解決
http://m.sohu.com/a/241592656_170973
7、CERN芯片使人體的第一張3D彩色X射線圖像成為可能
http://www.sohu.com/a/240516358_223764
8、世界首個(gè)三維X光彩色掃描儀誕生
https://t.qianzhan.com/caijing/detail/180717-6d067e0a.html
9、新西蘭發(fā)明世界第一臺(tái)3D全彩X射線光譜儀
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1605950107255216972&wfr=spider&for=pc
10、3D彩色醫(yī)療掃描儀震撼了世界
http://www.toutiaotime.com/Home/index/show/id/30517.html
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