看不懂CT招標參數?讀這篇就夠了(3):X線系統篇

液態金屬軸承在相當長的一段時間內並不能完全代替機械滾珠軸承,起碼在中低端CT球管領域,畢竟液態金屬軸承更貴,並未廣泛普及。

第124篇原創

2022

相約第667天

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導語

“拆解”系列第3期,討論CT三大核心部件之二,由球管和高壓發生器組成的X射線系統。無論從科普還是CT選型角度,本文非常重要。

在所有的X線類設備,最重要也最有趣的一定是球管、高壓發生器與探測器。高壓發生器和球管共同組成X射線系統,探測器及組件組成採集系統,他們仨基本決定了一台設備的檔次。今天的主角就是球管及其背後的高壓發生器。

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5台高端CT高壓和球管參數橫對比(原創)

高壓發生器:運籌帷幄的元帥

高壓發生器歷史非常久遠,DR、DSA、CT等所有X射線類設備均需要高壓發生器。根據使用場景不同,其設計性能略有區別,但總體原理是一致的:根據掃描部位,主機確定掃描條件,即管電壓(kV)、管電流(mA)、時間(s),高壓發生器收到主機指令後啟動旋轉陽極,激勵燈絲電流,高壓快速達到預設值並開始曝光,以産生精確的管電壓和管電流,並産生所需X射線。

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高壓、球管、探測器(原創)

通常,CT高壓發生器安裝在機架轉子上並緊鄰球管,除高壓發生器外,還有控制陽極旋轉、陰極燈絲加熱的輔助電路;其作用是通過高壓電纜在球管上施加高壓。 與普放設備相同的是,   CT高壓發生器最重要的功能也是提供精確穩定的kV和mA   。不同的是,   CT高壓發生器需要更好的散熱以維持更長連續掃描時間,需要更小的體積以節省更多機架空間等   因此,當今螺旋CT上搭載的高壓發生器都具備小型、高性能、通用性等特點。

目前,GE、西門子、斯派曼、當立、萬睿視等均有高性能CT高壓發生器,其産品具有功率大(高達100kW)、高壓線性穩定度高(0.5%)、燈絲電流穩定度高(2%)等優點。下圖為GE、西門子、斯派曼目前最高端高壓發生器部分參數。

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三家高壓發生器對比(原創)

對於CT高壓發生器來説,輸出功率、響應速度、穩定性以及控制精度是決定了高壓發生器的品質。從招採角度,主要考慮   管電壓範圍、輸出功率、高壓發生器類型等指標性參數:

01

高壓範圍

高壓範圍指的是高壓發生器施加在球管陽極和陰極之間的電壓,即最小輸出管電壓和最大輸出管電壓之間的範圍。

早期高壓發生裝置僅有80kV、120kV和140kV,目前絕大多數的CT高壓範圍集中在80kV、100kV、120kV、140kV。隨著CT技術的發展,高壓檔位數也越來越豐富,甚至出現了“70、80、90、100、110、120、130、140、150kV”,可根據人體部位自動選擇合適的管電壓檔位。

需要説明的是,日常中所有的kV均為kVp。p指peak,即從零加壓到最高點的電壓。因為高壓從0到峰值,不是瞬間的,而是有一個爬升過程,即爬升時間或上升時間,這與磁共振的關鍵指標“梯度爬升時間”非常類似

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電壓上升時間(來自網際網路)   “上升時間”是從額定電壓的10%上升到90%所需的時間,一般要求在250毫秒以內,時間越快,電壓波形越陡峭。該指標通常不體現在CT選型或招採中,但其實非常重要。 在上圖綠色區域內,電壓和自由電子配合才是最佳産生X線的時間區間。   更短的上升時間,可以實現更快的kV、mA響應速度,避免患者遭受無效射線的傷害。  

Q1

60/70kV掃描意味著低劑量,是真的嗎?

臨床上,80kV一般用於易穿透組織,如兒科、CTA、灌注等。最常使用的kV還是主要集中在100、120、140kV。

一般來講,輻射劑量和kV呈指數關係,低kV掃描被認為是降低輻射劑量的一種手段,因此70kV甚至60kV被宣傳得很多,但千萬不要簡單的認為60/70kV是低劑量的代名詞。

患者劑量要結合發射參數(包括kV,mA,濾線)和吸收部位綜合考量,要理性看待低kV成像,仍需要大量的臨床實踐去驗證。

02

輸出功率

高壓發生器功率(kW),即管電壓(kV)和管電流(mA)的乘積。通常,功率一定程度上決定了CT檔次,因為更大的功率,能提供足夠的球管驅動能力,以實現更大電流輸出,能滿足各種類型的患者。

根據設備檔次不同,高壓發生器一般分為三個檔次: 1)   緊湊型,用於16排/32排檔CT,集中在 32/42/50 kW; 2)   性能型,用於 64排檔CT,集中在 50/80 kW; 3)   高端型,用於高端及超高端CT,集中在 110 kW左右;

目前,除GE和西門子使用自研高壓發生器外,幾乎所有CT均使用斯派曼(Spellman)高壓發生器,以斯派曼(Spellman)高壓發生器為例展示“緊湊型”“性能型”“高端型”:

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三個檔次高壓發生器對比(來自網際網路)    

Q2

高壓發生器有這麼多指標,為什麼以功率劃分檔次?

其實不僅是高壓發生器,功率也是評價球管最重要的指標。功率意味著很多:

1)更大功率匹配更高的機架轉速。為了獲得更高時間解析度,機架轉速越來越快,必然也要更大的管電流,也就意味著更大的輸出功率。比如,0.35s/r搭配600mA/120kV和0.28s/r搭配900mA/120kV獲得類似圖像效果。

2)更大功率帶給我們更多的掃描自由。再比如,普通患者可以使用72kW(600mA/120kV)掃描;但遇到肥胖患者,必須使用108kW(900mA/120kV)掃描,否則就會因為光子饑餓而産生條紋偽影。

03

高壓發生器類型

一般來説,高壓發生器分為兩種,雙極型高壓發生器和單極型高壓發生器。之所以這麼區分是為了“迎合”單極型球管和雙極型球管。比如,有的是±70kV施加於球管兩極;有的是-140kV施加於球管陰極,陽極接地。

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典型雙極型高壓和球管(來自網際網路)   陽極接地技術(Anode End Grounded, AEG)最早是由萬睿視發明的。與雙極(±70V)球管不同,陽極接地的陰極接負-140KV,金屬殼接地,其優點很多:捕獲雜散電子;減小球管體積;降低Z軸位移;提高球管冷卻效率;減少離焦輻射,提升X射線源品質;此外,還可承受更大的重力加速度。

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典型單極球管(來自網際網路)   高壓發生器的構造,基本可分為逆變(Inverter),隔離(HV tank) 輔助電路(Auxiliary Power)等部分: 1)逆變器,主要由高頻功率電子器件組成,如IGBT,通過頻率控制來決定電壓輸出; 2)隔離油箱(高壓油箱),主要用於電氣隔離,因為逆變器會産生十幾萬伏特的高壓,一旦球管遇到故障,如沒有隔離是會引起很嚴重的電氣串聯事故。因此,通常使用高壓絕緣油,將變壓器耦合線圈主級(逆變器)和次級(負載)分別浸泡起來,即使負載端短路,逆變器和輔助電路在多數時候也受到保護。 和球管一樣,高壓油箱的損壞,多數也是由於氣密性破壞而進入空氣,在高壓下擊穿打火。所以,   遴選CT設備時,高壓發生器的供應商和産地可以看出該高壓發生器的水準。同樣的高壓發生器設計,不同的産地其壽命也不同,例如法國産的就優於印度産的。 3)輔助電路,主要用於提供陽極旋轉動力和陰極燈絲加熱所需的電流以及球管電流磁控偏轉(飛焦點)等。需要強調的是,燈絲加熱電流和球管管電流是兩個截然不同的概念:

管電流是燈絲産生自由電子,自由電子在高壓兩級之間運動形成的電流,一般為數百到一千多毫安培;燈絲加熱電流是輔助電源産生,其電流強度在十幾到幾十安培,根本不在一個數量級。

球管:攻城略地的將軍

CT球管,因需要不定期更換,及其動輒上百萬的單價,成為醫學影像圈最知名的“耗材”,沒有之一。

作為CT毋庸置疑的核心,球管是一種在高壓發生裝置作用下産生X射線的關鍵零部件。鋻於大家對其比較熟悉,加上已在球管系列(   上篇、   中篇、   下篇)詳細闡述其原理、結構和新技術,本篇不做過多介紹。 從原理和結構上,球管非常簡單;而從製造和工藝上,球管又相當複雜,因此,能設計和製造CT球管的廠商屈指可數,僅   飛利浦、西門子、GE、佳能等整機廠商,以及   萬睿視、當立等知名OEM廠商,除GPS外幾乎所有CT球管都來自這兩家。我國的   昆山醫源、無錫麥默、電科睿視、珠海瑞能也有CT球管,主要應用在球管替代領域,目前尚未在CT整機中使用。 從性能和壽命上,不同的CT球管差別巨大,最大管電流是700mA的和1300mA的;最長壽命是30萬秒的和300萬秒的,都根本不是一回事兒。   對於球管來説,主要考慮功率、管電壓、管電流、焦點尺寸、熱容量、陽極轉速、最大冷卻效率、冷卻方式、軸承技術等指標性參數。其中, 1)鋻於高壓發生器是為球管“服務”的,因此   球管功率、管電壓基本等同於高壓發生器的“輸出功率”和“管電壓”,不再重復; 2)無論從技術還是招標角度,   不建議分拆比較陽極轉速、最大冷卻效率、冷卻方式,除了“比大小”基本沒有實際意義,因為熱容量、陽極轉速、最大冷卻效率、冷卻方式共同決定(等效)熱容量。   對於醫院來説,我們要看結果,而不是過程。因此,只考慮(等效)熱容量即可。   綜上,重點介紹管電流、焦點尺寸、(等效)熱容量、軸承技術。

01

管電流

燈絲加熱後産生自由電子在球管兩極之間運動形成電流,産生的自由電子越多,形成的管電流就越大。管電流與高壓發生器功率、管電壓密切相關。最大管電流一般集中在300-1300mA之間,不同設備、球管檔次的管而不同。

如今,   越高端的CT,其球管電流越大。比如,西門子Force管電流可達1300mA,飛利浦iMRC球管可達1000mA。那這是為什麼呢? 因為,這是由一個最主要的複合參數:毫安培秒(mAs)決定的。 先舉個例子,張三在雨中邊飛奔,邊拿杯子(探測器)接雨水(X射線光子)。在到達目的地(掃描結束)之前,要想杯子接滿(採集足夠數據),要麼讓張三跑慢點(機架轉速慢),要麼讓雨下大一點(加大mAs)。 在CT採集數據時,mAs直接決定每個投影(view)的光子數。   為保證圖像品質,不同部位和器官需要的最低毫安培秒是不同的,毫安培秒過低就會造成光子饑餓(Photon Starving)     例如,一個部位成像軸掃需要270mAs,轉速為1秒,其球管達到270mA管電流即可,若轉速使用0.3秒,則管電流就要達到900mA。 因此,   轉速和管電流以及掃描協議必須要嚴格匹配,才能達到較好的成像效果。尤其是肥胖患者,在球管能力不足時産生的光子饑餓效應就非常明顯。  

以某高端CT為例,在0.28 s/r的超高轉速下,其最高電流僅為740mA,即最高207 mAs,在極速掃描時,碰到肥胖患者會略顯力不從心。

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肥胖患者光子饑餓現象   (來自網際網路)   近年來出現了一種   低千伏、高毫安培技術。比如,西門子64排CT在70kV時可達到驚人的825mA,使用濾線設備濾除不必要的軟射線人為硬化後,在不提高輻射劑量的前提下,可在肺、結腸等部位獲得較好的圖像品質和軟組織分辨能力。     

02

焦點尺寸

在重建CT圖像時,重建演算法尤其是FBP演算法,是將X線光源無限近似為幾何上的一個點,但是實踐中半影始終會存在。因為,X光源是點光源,CT成像為扇形束或者錐形束,就必將面臨半影的問題

因此,從這個維度講,   球管焦點尺寸越小,半影效應就越小,圖像品質也就越高。  

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球管焦點和圖像清晰度關係(來自網際網路)   ‍   目前目前已經應用在CT上的、業界最小的球管焦點是0.4×0.5mm,分別出現在西門子Force和佳能Precision上。但   凡事都有兩面性,球管的焦點不能做到無限小,因為考慮到陽極靶面承受灼燒的能力,小焦點承載過大電流就會影響球管壽命。   因此,一般球管會有若干個焦點,越大的焦點,對應的最大管電流也就越大。   球管焦點尺寸是個需要綜合考量的問題,在球管壽命和圖像品質之間做平衡。還以Force和Precision為例,Force是0.4×0.5mm/0.6×0.7mm/0.8×1.1mm三焦點設計;Precision的是0.4×0.5mm/0.6×0.6mm/0.6×1.3/0.8×1.3/1.0×1.4mm/1.6×1.4六焦點設計。 不過,優秀的廠家依然可以把小焦點輸出能力做到很強,比如飛利浦MRC球管,其小焦點(0.5mm×1mm)能承載50kW功率,但其球管壽命依然非常驚人。 作為球管損耗點之一,燈絲在長時間加熱後會抵達生命終點,有時小焦點先損壞,   通常還可以繼續使用大焦點掃描,但是需要修改部分掃描協議,患者也會承受更多輻射劑量,所以並不提倡這樣節約     如今,已經出現了快速可變的管電流技術,可以實時控制每個view的管電流,稱之為數字陰極技術。長久以來,僅靠控制燈絲加熱控制,是難以實現電流的瞬間精準調控的,數字陰極技術突破性地解決了這一問題。

03

(等效)熱容量

熱容量,其定義為:球管處於最大散熱率時,連續使用下陽極熱量累積的最大允許值,即連續負荷能力的指標,單位是HU(Heat Unit)。

在如今的招採中,熱容量幾乎成為了評價球管最重要的指標。球管的檔次也是據此劃分,如2MHU、3.5MHU、5.3MHU、8MHU、30MHU、33MHU等,由此也産生了一批評價球管熱性能的指標,其中最重要的是陽極熱容量和散熱率。 球管的熱容量,由球管陽極靶材料和構造參數決定。一般來説,陽極靶越大,熱容量越大。但   在當前CT系統普遍追求高轉速的前提下,更大更重的靶盤越來越接近陽極軸承的機械性能極限,對球管的可靠性(壽命)是很大的挑戰。因此,球管熱容量的最大值基本停留在8MHU。

於是,越來越多的球管廠商開始追求提高“最大散熱率”,第一個吃螃蟹的是西門子0兆球管,其最大散熱率達到驚人的7300KHU/min,也開始有了“等效熱容量”這個概念,30MHU、50MHU球管開始流行。不過,等效熱容量並沒有嚴格的標準,除了常規指標,陽極冷卻技術、機架散熱設計、甚至迭代演算法都會影響等效熱容量。

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不同球管熱容量和效率對比(來自網際網路)

Q3

招標的時候到底要不要認等效熱容量? 

現代球管技術進步巨大,等效值是要認的,尤其是通過新式陽極冷卻方式實現的等效熱容量。比如,飛利浦iMRC球管,雖然其熱容量為2.4MHU,但採用了液態金屬軸承、陽極直接水冷(透心涼)、螺紋軸承、節段陽極等散熱技術,其等效熱容量則高達30MHU等。

2010年,國際電工委員會(IEC),發佈新的國際醫用球管標準(IEC 60613-2010),正式將“熱容量”指標刪除。我國也于2016年發佈新標準《醫用診斷X射線管組件電氣及負載特性》(YY/T0064-2016),也刪除該指標,與IEC保持一致。至此,熱容量“理應”退出歷史舞臺。 但是,“熱容量”過於深入人心,目前在招採中依然被當作評價球管的重要指標,因其一定程度上代表檢查流通量。我們經常聽到“8MHU大熱容量球管滿足臨床高通量檢查需求”,但實際上5.3MHU球管能實現360人次/8小時的CT掃描,哪家醫院有這麼大的檢查量? 此外,   我們之所以如此關心球管,一方面是關係圖像品質,更重要的自然是球管太貴,更高的壽命,意味著醫院更省錢。   因此,   在評價球管的熱容量時,建議同時考慮熱容量+功率,功率為主、熱容量為輔導,才更穩妥。  

Q4

為什麼不把壽命也作為球管評價標準?

其實有,第三方替代球管基本都會保球管壽命,有些廠家其實也會保球管,目前最長紀錄是保30萬秒(或保12個月)。

通常廠家最列一個“最低壽命”,但意義不大。比如,我們會把外形、財富、才華作為找對象的標準,但不會把壽命作為考量依據,因為這是不可預期的,符合正態分佈就不錯了。

目前來看,除了極個別CT球管的壽命較短外,絕大部分CT球管正常都在一年以上,部分甚至能達到3年以上。

我們知道,隨著醫術進步,人類的平均壽命越來越高。球管也一樣,隨著平板燈絲和液態金屬軸承等技術的愈發普及,其壽命一定會越來越長。

04

軸承技術

在液態金屬軸承技術出現之前,球管都是以機械滾珠作為轉動支撐,但滾珠受熱會變形,磨損也變形;此外,轉速越快,噪音越大,磨損越嚴重。因此,   很多球管故障並不是燈絲斷了,而是陽極卡死,或者轉速不達標,導致無法曝光。   這就是為什麼越高端的CT,其機械滾珠球管壽命越短。  

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機械滾珠軸承球管(來自網際網路)   近幾年,又興起了液態金屬軸承(   下篇)技術,相較于滾珠軸承,能以幾乎無摩擦式工作,陽極的熱容量也更大。   憑藉其零磨損、零震動、高散熱率,液態金屬軸承球管成為長壽的代名詞,不過它怕突然斷電,需要更注意使用。   因此,筆者認為   液態金屬軸承在相當長的一段時間內並不能完全代替機械滾珠軸承,起碼在中低端CT球管領域,畢竟液態金屬軸承更貴,並未廣泛普及。  

小結

值得一提的是,現在優秀的第三方OEM廠商已能提供完整的X射線系統(球管和高壓發生器),甚至能提供全影像鏈解決方案。從這個角度講,大大地降低CT研發門檻被,這也是為何我國近十年來雨後春筍般涌現了十幾家CT整機廠商的重要原因。比如,聯影uCT 960+與東軟Neuviz Epoch的高壓、球管參數是一模一樣的。 此外,萬睿視、當立、斯派曼等核心部件OEM供應商的存在,也如鯰魚般刺激並帶動著國內零部件廠商的進步。。。

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