你絕未見過的3D彩色X射線掃描儀它的芯片來自CERN

  X射線是德國物理學家倫琴（WilhelmKonrad Rontgen）1895年發現的。這項技術很快就被應用于醫學診斷，幫助醫生了解人體內組成器官的生理、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。

　　經過120多年的發展，X射線成像技術取得了令人矚目的進展，但不知你是否注意到，這些年來醫生給患者拍的X光片都是黑白片，這是因為獲得人體組織3D彩色X光片的相關技術瓶頸一直未能突破。

　　近日，從新西蘭傳來了令人震撼的好消息。一對科學家父子歷時十年，終于研制成功三維立體（3D）彩色X射線醫用掃描儀。他們使用歐洲核子研究中心（CERN）為粒子物理研究開發的Medipix3芯片技術——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。

　　醫生們期盼多年的3D彩色X光片終于變成了現實，當看到那清晰顯示出人體皮膚、肌肉、骨骼、脂肪、疾病標記物等的3D彩色掃描圖像時，不由得驚嘆：真令人難以置信！

　　CERN的Medipix

　　歐洲核子研究中心（CERN）因尋找到“上帝粒子”希格斯玻色子而聞名世界。

　　CERN擁有一種混合像素技術（Hybrid pixel technology），CERN的大型實驗裝置幾乎都采用了這種技術來探測粒子的對撞頂點或徑跡。CERN以及一些合作組成員從這里看到了機會，他們認為這種技術完全可以進一步研發，應用于粒子物理研究之外的領域，Medipix項目就這樣誕生了。

混合硅像素探測器1995年的照片，顯示出153個高能粒子的軌道，展示了在高能物理中追蹤應用的潛力（圖片來自網絡）

　　Medipix是一種用于粒子成像和檢測的芯片，其工作原理類似于現代數碼照相機的傳感器。當電子快門打開時，這種芯片可以檢測并計數撞擊像素的單個粒子，使生成高分辨率、高對比度、高可靠度的圖像成為可能。

　　Medipix1于20世紀90年代由四個研究所經非正式合作研制成功，展示了提供無噪聲單光子計數的技術潛力。實質上，Medipix是個由成千上萬個通道組成的集成電路，每個通道連接一個敏感元件，形成一個小的二維粒子探測器，能產生高分辨率、無噪聲的X射線圖像。

　　Medipix2的合作研制從1999年開始，合作組有17個成員。目標是改進空間分辨率，研發更多的附加功能。具有時間或振幅測量附加功能的Medipix2改進版本稱為Timepix。Medipix2的研制原計劃進行4年，由于在各類粒子成像領域應用廣泛，直到15年后該合作組仍然定期舉行會議。

　　2005年，歐洲的EUDet合作組（由12個國家的31個歐洲伙伴機構組成，目標是為歐洲的下一個大型項目——國際直線對撞機的探測器研發打基礎）與Medipix設計團隊進行了接觸，提出了進一步提高Medipix芯片功能，期望每個像素既要能測量撞擊光子的數量，且要能測量粒子的到達時間。

　　Medipix3的合作研制從2007年開始，合作組成員增加至21個。通過采用更先進的CMOS（數字集成電路中的信號放大器件）工藝，可實現在單個小像素上集成兩個計數器，在前一個圖像被讀出時就能同時完成當前圖像的拍攝，減少了死時間。

　　而Timepix3的功能更加強大，能夠記錄每個被探測光子的位置、能量/波長、到達時間。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表示光子的不同能量，使圖像更清晰、更準確。Timepix3在CERN的粒子物理實驗中有非常出色的表現，這為它在醫學成像和更廣泛的輻射探測等領域的應用打下了堅實的基礎。

Medipix的讀取芯片Timepix3（圖片來自網絡）

　　父子科學家的追求

　　1895年，德國科學家倫琴（Wihlem Rontgen）發現了X射線，震撼了整個科學界。僅僅幾個月后，這項技術就被應用于醫學影像，人類得以窺視人體的內部，對醫生診斷疾病有很大幫助。只是，此后120多年來，因技術上始終得不到突破，醫學上的X射線掃描只能停留在黑白片的時代，不禁令人感到有些缺憾，黑白圖像難以提供人體骨骼周圍組織和肌肉的更多信息及細節。

　　有一對新西蘭父子：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的物理學教授，兒子安東尼·巴特勒是奧塔哥大學的生物工程學副教授。他們決心致力于新型成像技術的研究，希望能夠發明一種探測人體內部的3D彩色X射線掃描儀，以幫助醫生更好地診斷疾病。

安東尼·巴特勒（左）與菲爾·巴特勒（右）（圖片來自網絡）

　　2005年，巴特勒父子提出了這個研究意向，當時就引起了科學界的關注，這個項目被認為相當有發展前景。2007年，巴特勒父子創辦了MARS Bio-Imaging科技公司，并與新西蘭的坎特伯雷大學、奧塔哥大學就該項目開始進行合作。該項目還獲得另一些大學、法國手術機器人公司（Medtech）、GE醫療集團的技術支持、新西蘭商業、創新和就業部（MBIE）的經費資助，以及一些相關協會的捐款。

　　傳統的X射線成像基于X射線穿過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。如果通過某些圖片處理手段將人眼不能區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傳統的X射線成像的技術思路，他們需要的是全新的技術。 得益于新西蘭是CERN的協聯成員國，后來又成為Medipix3合作組的成員。巴特勒父子團隊參加了CMS大型探測器的安裝（CMS用Medipix探測器監測中子和電離輻射）。在合作過程中，他們深入了解了Medipix芯片的先進技術，很想探索是否能將Medipix芯片用于記錄X射線穿過人體密度不同的組織時不同的吸收效率。經Medipix3合作組授權，同意他們將Medipix3用于3D彩色X射線掃描儀的研發。

掃描儀最初的設計圖及完成后的樣機（圖片來自網絡）

　　3D彩色X射線掃描儀

　　經過10年多的努力，2018年7月終于傳來了令人振奮的消息：巴特勒父子的團隊研制成功了全球第一臺3D彩色X射線掃描儀（MARS）。

　　經自定義數據處理算法增強的Medipix3芯片可以檢測X射線穿過人體密度不同的組織時吸收效率的變化。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，并用數據處理算法為不同的人體組織分配相應的顏色，不僅能區別人體不同組織的構成，還能以不同的色調清楚地顯示骨骼、肌肉、脂肪、液體、鈣質以及腫瘤標志物等，再加上其他軟件的運用，則能分析、篩選數據，將數據轉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以及在醫學診斷方面帶來了很大的優勢。它的小像素以及精確的能量分辨率意味著這個新的成像工具能夠獲得其它任何成像工具都無法實現的圖像。從黑白膠片升級到彩色照片是一種全新的X光體驗，使醫生能以無創的方式看到受檢者體內的各種細節，幫助醫生作出更準確的診斷。

　　技術上得到突破之后，巴特勒父子和他們的合作者用一個小型的樣機進行臨床試驗：研究癌癥、骨骼和關節，以及導致心臟病和中風的血管疾病，醫生可針對每個患者設計個性化的治療計劃，包括靶向藥物治療或微創手術。

MARS的小型樣機（圖片來自網絡）

　　安東尼·巴特勒認為：這種成像技術是新一代大型醫學成像的創新，3D彩色X射線圖像將為臨床醫生提供目前在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測多種疾病，為患者帶來更好的結果——特別是在中風預防、關節置換和癌癥治療等方面。

圖為MARS掃描儀拍攝的一個踝關節的3D彩色X射線圖像，可以看到腳踝的骨頭、腳后跟區域的填充物（紅色的軟組織、白色的骨頭，而脂肪則是渾濁的黃色）（圖片來自網絡）

　　圖為MARS掃描儀拍攝的帶手表手腕部分的3D彩色X射線圖像，白色的是軟組織中的部分手指骨，連手表的結構都能完整重現（圖片來自網絡）

　　CERN擁有的技術有相當部分已成為當今廣泛流行的許多技術的核心。CERN的知識轉移小組一直都在努力讓CERN的技術應用到高能物理學以外，特別是醫療領域的應用。MARS掃描儀的成功伴隨著CERN粒子探測器技術研究的發展，伴隨著Medipix芯片的改進升級，還得益于成像設備的設計、醫學數學和數據可視化技術等多項前沿技術的發展。

媒體的相關報道（圖片來自網絡）

　　期待MARS掃描儀能盡快商業化，成為醫療界不可或缺的工具，實現更準確的診斷和個性化的治療。當然，可能還需要數年時間MARS掃描儀才能獲得它所需的所有許可和批準，以便能安全地在醫院和診所臨床使用，但未來看起來十分光明。