医用X-线成像历史的追溯、思考与期盼——为纪念我国第一台CT诞生30周年而作

庄天戈

上海交通大学，上海市，200030

在纪念我国第一台X线机诞生60周年，第一台CT机诞生30周年之际有必要追溯回顾一下国内外X-线成像的发展历程，冀能挖掘一些信息，得到一些对发展我国的医疗器械有益的启示。

自1895年伦琴发现X-射线以来，医用X-射线成像从投影成像扩展到断层成像；从几何断层成像发展到计算机断层成像；从传统的CT扫描发展到螺旋扫描；从吸收成像扩展到相位成像；从扇束CT发展到锥束CT；从单源成像扩展到双源乃至多源成像。从‘单能’扩展到‘双能’乃至能谱或彩色CT成像；从机械扫描经历了电子扫描；如此等等，不一而足。现在的X-线成像系统单位时间内取得的数据愈来愈多，病人所受剂量愈来愈少。广义上讲无论哪种X-线成像模式均可看作一个系统，系统内的组件主要由三大模块组成：X-射线源、检测器以及运动控制模块。不同的成像方式是由各式射线源、各种检测器以及它们与成像对象间的相对位置和相对运动（扫描方式）演绎而成。系统的输入是待成像对象（人体），系统的输出是图像（数据）。我们希望成像系统是理想的，也就是其点扩展函数是δ函数。对医学诊断还要求数据采集高速度、低剂量和低成本。像任何事物一样，医学X-射线成像术的发展有高潮、有低潮，有时发展快些，有时发展慢些。本文拟从一个视角扫描其发展历程，俾能以史为鉴，有所启迪。

1 医学X-线成像发展大事记

1.1 国际

1895年 伦琴发现X-射线，三天后伦琴夫人偶然看到了手的X-线造影，开创了X-射线摄影术；

1913 年 Coolidge 引入”热阴极”静止阳极X-线管[1]；

1921年 Bocage 在一篇法国专利中描述了一种断层成像（几何断层成像Geometric Tomography）方法；1921年～1922年，在Netherlands 工作的Ziedes Plantes 独立地开发出该方法[1]；

1930年 旋转阳极X-线管问世。其实，这个概念，早在1897年就由Thomson E 教授[1]提出；

1931年 Ziedes Plantes发表了他研究几何断层成像的结果与实际应用。并讨论了多切面放射摄影（muttisection radiography）；

1932年 几何断层成像术（分层片，X-射线体层摄影术）付诸应用；

1947年 同步辐射光源发现；

1948年 X-线影象增强器问世[2]；

1955年 R.W.Stanford研制出静电放射摄影（干板摄影，Xeroradiography）；

1956年 X-线电视问世；

1971年 Grant 发明模拟断层组合成像术（Analog Tomosynthesis）[3]；

1971年 Hounsfield G N (EMI公司)研制成世界上第一台头颅CT (Computed Tomography，计算机断层扫描仪)，并于同年9月安装于伦敦Atkinson-Morley 医院；翌1972年 取得世界上第一幅CT图像；Hounsfield等发表了世界上第一篇CT论文；

1974年 Siemens 研制成第二代头颅CT，Siretom 2000；

1975年 数字减影(Digital Subtraction Angiography,DSA)问世；

1977年 第一台全身CT Somtom 1在Siemens公司问世；

1979年 G.N.Hounsfield、A.M.Cormack 获1979年诺贝尔生理和医学奖；

1980年 动态空间重建器(Dynamic Spatial Reconstructor，DSR)在Mayo Clinic建成；该机1973年就开始研制[12]；

1981年 CR (Computed Radiography)问世 (富士) ；

1983年 电子束CT（Electronic Beam CT,或EBCT），C 100问世（加州大学 旧金山分校）；

1988年 平板检测器在 Xerox，PARC 研制成功[4]；

1989年 第一台螺旋CT（Spiral CT）由Siemens研制成功[5]；螺旋CT的新构想由日本学者Issei Mori 于1983年提出。他就这一新构想在1983年12月申请了美国专利，并在1986年12月正式获得专利授权[6]；

1993年 双层螺旋 CT (CT-MxTwin),在Elsint 公司下线，开创了多层螺旋CT的时代；

1995年 第一台DR (Digital Radiography)由杜邦公司在该年的 RSNA上展出[7]；实际上1992年国际上已有关于DR的报道；

1996年 第一台CBCT(cone beam CT，锥形束CT）——口腔CT，New Tom 9000，由意大利QR s.r.l公司制成。对Spiral CBCT扫描的理论研究最先由王革教授于1991年开创[8]；

1997年 数字组合断层成像 (Digital Tomosynthesis,DT) 出现，在2004年的RSNA上有产品展出；

1998年 4层螺旋CT，由GE、Marconi、Siemens制成；

2001年 16排CT，GE lightspeed 16，问世；

2004年 64排螺旋CT由 GE、Philips、Siemens、Toshiba 等公司独立制成；

2004年 256层螺旋CT 由Toshiba公司研制成功；

2005年 双源螺旋CT (Dual Source CT) 在Siemens公司问世；

2007年 东芝 320排螺旋CT acquilion one研制成功；

2007年 宝石CT 能谱成像由GE公司研制成功，并在RSNA上展出，2008年获FDA批准。该机型速度快，病人所受剂量小，可实现2个能量切换。

1.2 国内

1953年 我国自行研制的第一台医用X-线机200-53在上海精密医疗器械厂投产；几乎同时，东北精密医疗仪器厂也研制成功同一类型的X-线机[9]；

1955年 国产X-光管诞生(复旦大学、上海精密医疗器械厂)[9]；

1958年 国产手提X-线机诞生(杭州医疗器械厂)；

1983年 自主研发出碘化铯影像增强器(上海医疗器械九厂)；

1983年 我国第一台颅脑CT，XDN-1，在上海诞生并通过鉴定；

1987年 我国首台800ma X-线电视由上海医疗器械厂和上海交大研制成功[9]；

1988年 我国第二代颅脑CT，JD-21，在上海研制成功；

1990年 中华 I 号全身CT 于12月25 日在上海通过鉴定；

1994年 东大阿尔派全身 CT扫描仪 CT C6000问世；

1998年 东大阿尔派全身CT C-2000投放市场；

1999年 友通公司开发国内第一台DR：DR-2000[7]；

2000年 东大阿尔派制成国内第一台螺旋CT：CT C-3000，并投放市场；

2009年 东软NewViz 16 排螺旋CT问世；

2012年 东软NewViz 64 层螺旋CT问世；

2012年 清华朗视公司研制成口腔锥束CT (CBCT)，并获准生产。

2 医用X-线成像发展的三个阶段

依上述时序我们可以把国际上医用X-线成像的发展历程分成三个阶段：

第一阶段：从1895年至1971年 即从伦琴发现X-射线到计算机断层成像问世以前。横跨76年。这一阶段的特点是，以投影、模拟成像为主；X-线成像系统中的检测器主要是胶片。它集图像检测（记录）与显示于一身。一身两任，难以兼顾。由于胶片的固有缺点，图像质量难以提高。虽有胶片-屏结构，也只是对减少剂量有所裨益，却是以损失分辨率和增加斑纹作为代价。X-线影像增强器的引入，为X-线系统的透视模式增强了显示亮度，并为X 线电视创造了条件，但在改进图像质量方面作为不大，倒是“静电放射摄影”(Xeroradiography)原理的引入，使物理界和放射界眼前一亮。图像质量提高很多。因此CB Allsopp 教授有如下评价：“自从伦琴发现X-射线后，总的讲来，放射学没有取得任何进展，但Xeroradiography（静电放射摄影）无疑在放射图像的记录方法上，提出了一个新的原理。”Allsopp 教授是在1957年说这翻话的。即本阶段在头60年确实如此。在射线源方面，1947年发现同步辐射，但是显然没找到应用。这一阶段已有几何（经典）断层成像思想（1921年～1932年）[11]，但由于胶片是唯一的记录手段，断层图像质量不高，一次曝光只能获得一个断层。此后的一个亮点是：1971年在几何断层成像基础上提出的Tomosynthesis(analog)思想(模拟型组合断层成像)。它拓展了几何（经典）断层成像，一次曝光可重建多个断层，从而达到三维成像，并减小了剂量，但仍属于模拟性质，实现时需要引入光学器件和机械传动机构，结构复杂。在当时未引起注意，也未对放射成像领域带来冲击。但这一阶段的一些成果孕育着许多新的思想，为后面的发展埋下伏笔。

第二阶段：从1972年至1989年，即从传统CT发明到螺旋CT问世前的17年。这一阶段CT发明，开创了放射成像的数字化时代。CT的主要优点一是精确地重建断层图像，二是不以胶片作为检测手段，借助于将X-线强度转换成电信号的检测设备（气体、固体等）再予数字化，把图像采集与图像显示分开，利用窗宽/窗位，充分展示所关心的信息。本时段又可细分为1972年～1980年和1980年～1989年两个时期。1972年～1980年期间，CT 独步放射界，傲视“群芳”。但在1980～1989年即在螺旋CT出现前的那段时间内，X－CT 进步缓慢。相反在这一时段内，NMRCT(MRI)问世(1977年～1982年)，发展迅猛，且向功能成像发展。因此有人语带双关地叹曰：“No More Roentgen”[5](X-线成像已过时了)！其实在这一阶段中，也有许多探索性的研究，特别是在多源成像方面，如Mayo Clinic 于1980年研究成了动态空间重建器(Dynamic Spatial Reconstructor，DSR)[11]。其优点是能快速获取一批投影，立体成像。利用28个X-线球管，28组视频照相机，可在10 ms 内获得240个平行断层(层厚 1 mm)，并在一次心跳期内获得舒张阶段心脏的静止图像。但由于检测器灵敏度低且造价昂贵，只造了一台，未能普及，最终不得不在15年后废弃。另一个探索是1983年问世的电子束CT(EBCT)[12]。它利用扫描电子束X-射线管，无需机械运动。电子束由相当于阴极的电子枪发射，对在210度弧面上分布的阳极靶面扫描，由这些靶面依序发射X射线。扫描速度可达每秒24层，可对心脏作动态检查。缺点是源平面与检测器平面不重合，图像质量不好，X-管功率低，信噪比差，体积大和成本高（2倍于螺旋CT），未获好评。由于上述的先天缺点，EBCT坚持20年，至2004年全世界生产120台后逐步淘汰(在我国装机7台，现都废弃不用)。这些探索虽然失败，但为多源CT的研究提供了正、负二方面的经验。本段中，第一阶段发展的静电放射摄影（Xeroradiography）在1976年前仍然吸引一些研究人员的兴趣，但1980年后渐渐衰退，及至80年代末已届弥留。注意，本阶段虽出现模拟式Tomosynthesis，但由于实现困难，未得发展。在检测器方面，富士公司发明的成像板与CR 是对投射X线成像的一个不能忽视的贡献。

第三阶段 从1989年迄今。我们把1989年螺旋CT的问世，作为本阶段的起点和标志。在经过近10年的沉静后，1989年终于迎来了X-线成像特别是CT研究的爆发：先是螺旋CT问世，随后1993年多层螺旋CT问世；1998年GE、Marconi、Siemens、Toshiba等公司推出4层螺旋CT；2001年GE、Philips、Siemens、Toshiba等公司又推出16层螺旋CT；2004年GE 推出64层螺旋CT (VCT 64)。也就是说，每隔3年，CT的层数翻2番（4倍）。这个速率正好符合Moor定律（18个月翻一番）。计及2004年Toshiba 的256 排CT,螺旋CT层数的发展超过Moor定律的预测。速度之快,可谓惊人。另一条战线是：由于平板检测器的发展，导致1995年Digital Radiography (DR)的问世；接着1997年Digital Tomosynthesis（DT）问世；Cone-beam CT(CBCT，锥束CT) 在1990年开始萌芽，1996年首台锥束口腔CT（口腔CBCT）问世，随后发展加快。让我们通过文献检索来看看CBCT的研究与发展的趋势（利用Scopus数据库，以“cone beam CT”为检索对象）：作者对1994年、1998年、2002年、2006年和2010年分别采样检索得到当年文章数目依次为：3篇，20篇，54篇，251篇，和509篇，年平均增长率分别为4篇/年、8篇/年、49篇/年及64篇/年；也即按指数曲线增长。Digital Tomosynthesis也有类似情况：取1996年、2000年、2004年、2008年和2012年为采样检索分别得到当年文章数目为：3篇、8篇、19篇、95篇和135篇。年增长率分别为：1篇/年、3篇/年、19篇/年和10篇/年，持续发展。DT现在多用于数字乳腺机，也正在向胸片检查发展。CBCT现在多数情况用于牙科CT与小动物CT。DR、DT、CBCT等的发展，平板检测器（FPD）功不可没。对DT而言，没有FPD的介入DT是不可能适用于临床的。

3 思考与期盼

(1) 细察三个发展阶段，第三阶段可谓硕果累累，CT，DT纷纷登台…..发展惊人，且方兴未艾。而第一、第二阶段似无惊人之举。其实许多思想都在第一、第二阶段已经孕育形成，后面的发展属于“沙翁穿新袍”。这件新袍是微电子技术、IT技术和新算法组成。例如DT是把第一阶段的Tomosynthesis 结合FPD得来的；而Tomosynthesis是由第一阶段的几何断层成像思想发展过来的。FPD 有直接型和间接型。直接型是由第一阶段的Xeroradiograohy发展来的，可以说是芯片上的Xeroradiograohy，只需在同一芯片上加TFT就可转成数字信号。间接型是由第一阶段的影像增强器发展而来。1973年X-线影像增强器发展到第三代，利用CsI材料把X-线转成可见光，把它制成芯片加上CCD或光电二极管这就发展为间接型FPD。

(2) 在X-线成像发展的历程中，一代一代的科学家、工程师、医生进行了不懈的探索与研究，有的成功了有的失败了，有的一鸣惊人，例如Hounsfield和他的CT，有的昙花一现，如DSR，EBCT等；不管怎样，这些装置的发明者都是值得尊敬的。从整个成像领域讲，他们的研究提供了正面或反面的经验，为后人借鉴参考。

(3) 比较国内X-线成像的研发成果与国际的差距是明显的。单从产品问世的时间看，国际上X-线管1913年问世,我国1955年制成，时距42年；再看X-线电视，国际上1956年问世，国产的X-线电视系统在1987年出现，落后32年；国际上第一台头颅CT 于1971年问世，1972年临床应用。我国第一台头颅CT于1983年鉴定，时差11年；国际上第一台全身CT于1977年问世。我国在1990年造出全身CT样机（中华I号），时差达13年，且未投产；真正投产销售的则是1994年东大阿尔派生产的CT C6000，落后17年。至于螺旋CT，国外于1989年首创生产，我国于2000年才由东大阿尔派生产，落后也达11年。所喜的是16排螺旋CT我们落后仅9年（2001相对2009），而64排螺旋CT落后只有8年了（2004相对2012）。差距正在缩小。如从技术角度分析，我们的产品借鉴、模仿的多，独立设计的少；跟踪的多，创新的少。落后原因是多方面的，有整体工业基础落后、科研投入不够、人才储备不足、管理体制不善，理论研究欠缺、转化研究脱节等。这些只能作为负面教训吸取。但不能否认老一辈研究人员对国产高质量X-线成像装置的追求之梦从未泯灭。笔者近来重访30年前参加研制第一台CT研制尚健在的主要研发人员和查阅了所保存的部分技术文件，深为他(她)们当时不畏艰难，敢于拼搏的精神所感动。课题组硬是在“一穷二白”的基础上啃出了第一台CT，为国人留下了宝贵的财富。拙著“CT原理与算法”[12]一书就是在国产第一台CT的基础上写成的。感到欣慰的是：国内从事CT开发研究的不少工作人员从拙著中获得了CT的启蒙知识和基本算法,踏上CT研发之路，造福大众。第一台CT的研制成功有“零的突破”的喜悦，也有未能扩大投产的遗憾。值得总结的地方很多。好在，近15年来，在国力、人才、技术、管理等方面都有大幅度改善。国内除东软外，2011年3月成立的上海联影医疗科技有限公司（简称‘联影’）给我国高端医疗设备包括医用X-线成像器械的创新发展带来了希望。他们吸取了以往的教训，实行制度创新、融入先进理念，积聚雄厚资金、广纳精英人才，依靠先进技术，以振兴国内高端医疗设备的研发制造、推动中国医疗科技的创新与发展为己任，志存高远，同心同德，合力奋战，在不到2年的时间内已有多款产品问世，且质量得到临床专家的认可与好评。一代新人换旧人，长江后浪推前浪，我们有信心期盼他们共同担负起发展我国X-线成像设备的重任为化解某些国外企业在中国高端医疗成像设备市场的垄断地位而努力！

4 结语

本文是作者根据收集的资料结合自己的体会写成的，由于工作环境所限，资料收集不全，视野欠广，高度不足，分析也不够。有些观点不一定正确甚至错误；许多产品问世年份由于计算标准不同也有误差。意在抛砖引玉，希望读者不吝批评指正。本文写作过程中，原上海医疗器械研究所参加国产第一台CT研制的技术负责人 殴玫华教授、楼竹秀高工等提供了许多宝贵资料与信息，在此表示衷心的感谢！

[1] Euclide S.X-ray Imaging Equipments[M].Illinois:Charles C Thomas Publisher,1985.

[2]Krestel E.Imaging systems for medical diagnostics[M].Berlin and Munich:Siemens Aktiengesellschaft,1990.

[3]Grant DG.Tomosynthesis:a three-dimensional radiographic imaging technique [J].IEEE Trans Biomed Eng,1972,19(1):20-28.

[4]Antonuk LE,Boudry J,Yorkston J,et al.Development of thin film flat panel arrays for diagnostic and radiotherapy imaging[J].SPIE,1992,1651:94-105.

[5]Kalender WA.X-ray computed tomography [J].Physics in Medicine and Biology,2006,51 R29-43.

[6]Issei Mori.Computerized tomographic apparatus utilizing a radiation source[P].US:4630202,1986.

[7]李铁.医学影像设备的十年回顾[J].中国医院设备采购指南,2005上.

[8]Wang G,Ye Y,Yu H.Approximate and exact cone-beam reconstruction with standard and non-standard spiral scanning[J].Phys Med Biol,2007,52(6):R1-R13.

[9]唐东生.中国现代医用设备产业发展回顾[J].中国医疗器械信息,2010,16(1):12-25.

[10]Allsopp CB.Physics methods in medical diagnosis[J].Brit J Appl Phys,Suppl,1957,8(S6):S40-S47.

[11]庄天戈.医学放射成像与医学影像信息学[J].中国生物医学工程学报,2008,27(2):169-173,181.

[12]庄天戈.CT原理与算法[M].上海:上海交通大学出版社,1992.