CT低剂量技术新进展*

刘 彬乔 磊白 玫

CT低剂量技术新进展*

刘 彬①乔 磊①白 玫①

目的：探讨目前CT低剂量技术的最新进展。方法：从宽探测器的应用、探测器材质的更新换代、大pitch加快扫描速度及迭代重建算法的演变4个角度，阐述低剂量技术的原理、优缺点和发展趋势。结果：CT低剂量技术的应用，可以在保证诊断有效信息的前提下，降低患者辐射剂量最多可达86%。结论：尽管存在一些限制，先进的CT低剂量技术可以大大降低患者辐射剂量，并为更深广的诊断需求提供了可能。

计算机断层成像；辐射剂量；受照剂量

1 宽探测器的应用

在双源、双能量CT初具雏形之前，纵观CT发展历程，CT扫描设备的演变过程一直遵循着探测器排数不断扩宽的路线。从2排、16排、64排、128排到现在的256排、320排。从这个角度出发，各厂商思路基本一致，就是不断地扩大单位时间内的覆盖范围，以求获得更快的CT扫描速度[1-6]。

随着探测器排数的不断增加，扫描速度的不断加快，CT在心脏检查中受到心脏搏动的限制得以克服，从16排开始MDCT冠脉成像逐步成为了非创伤冠脉检查的重要手段[1-2,6-8]。由于MDCT冠脉成像采用小Pitch进行扫描，与传统CT扫描相比，冠脉成像会给患者带来较大的辐射剂量，这个弊端也制约着MDCT冠脉成像的发展。降低冠脉成像辐射剂量的技术手段不断推陈出新，比如前、后ECG门控方法等。相关研究表明，从16排到64排CT冠脉成像，患者辐射剂量有所提高[6,10]。但随着256排CT的问世，辐射剂量却得以大幅下降[6,9]。表1列举了3种不同排数CT冠脉成像有效剂量的研究结果。由于各个厂商设计CT设备的系统构造不同，导致冠脉成像选取参数，如：螺距、层厚、扫描时间、管电流有很大差别，因此单纯对比剂量大小并不可取。表1中选取的3项研究结果是采用不同厂商生产的CT设备，但对每一项单独的研究采用的是同一厂商生产的不同排数的CT设备，因此具有可比性。

表1 不同排数CT冠脉成像有效剂量(mSv)

Hausleiter等[10]对比了采用Siemens Somatom Sensation Cardiac 16排和64排两种机型进行冠脉成像所致患者有效剂量(同时涵盖了采用及不采用ECG门控技术的数据)。研究结果表明：虽然64排CT极大提高了图像的空间和时间分辨率，但患者的有效剂量也大幅增加。从16排到64排空间分辨率的提高主要是依赖准直器和减小单层层厚实现的(从0.75 mm下降到0.6 mm)。时间分辨率的提升是依靠加快旋转速度得以实现。因此为了在减小层厚、提高旋转速度的基础上保证图像质量，需要提高管电流增加探测器接收光子的数量。管电流的增加使得辐射剂量也有了一定程度的增加。与此同时，单次扫描，64排CT可以获得更多层的原始图像，扫描范围也较之16排CT有所加宽，也是剂量增加的一个因素。

如果随着探测器排数增加就会带来辐射剂量增加，那么CT设备在排数上的更新换代就是一个很头疼的问题。然而幸运的是，从128排CT的问世，到现在的256排、320排CT，排数的进一步扩增，并没有导致辐照剂量的继续增加，反而出现了大幅下降的趋势。

Mori等[6]对比了Toshiba Aquilion 16排、64排及256排3种机型冠脉成像所致患者有效剂量，研究结果见表1。16排和64排CT冠脉成像采用的有效毫安秒(mA/s)是256排CT冠脉成像的4倍，有效剂量是256排CT的1.5～2.0倍。256排CT较之低排数CT能够降低辐射剂量的原因在于以下方面：①低排数CT在进行螺距＜1的螺旋扫描时照射野的重叠现象会增加受照剂量；而宽排数CT减小了照射野的重叠现象，在一定程度上降低了辐射剂量。②低排数CT冠脉成像为了解决心脏搏动带来的伪影问题采用ECG时域门控的方法，虽然是在整个心动周期采集数据(后门控方法)，CT成像系统只重建不同投照角度下相同ECG时相的图像，因此有很大一部分曝光图像是浪费掉了，曝光利用率并不高。相比之下，宽排数CT凭借极快的扫描速度，提高了曝光利用率，降低了辐射剂量。

虽然宽排CT的扫描模式使得冠脉成像受照剂量较之低排数CT冠脉成像已经有了大幅度的下降，但人们还在不断探究进一步减低辐射剂量的方法。比如在宽排CT系统中整合已广泛应用的3 D毫安自动调控系统，以及整合ECG门控技术等[9,11]。Chen等[9]对Philips Brilliance 256排CT冠脉成像采用不同程度的ECG前、后门控模式成像剂量进行了研究。结果表明，在保证图像质量的前提下，采用适当的ECG门控模式，最高可将剂量降低77%，仅需要2.7 mSv的有效剂量就可以进行一期冠脉成像扫描。

目前，宽排CT系统在降低扫描剂量的问题上有了突破性的进展，但如何能够更好的设计扫描模式，让宽排CT的特性得到最大程度的发挥，更好的服务于临床诊断，值得继续深入探讨。同时，对于宽排CT的关注目标已经不仅仅是单纯的降低剂量，已开始探究在保证足够低的辐照剂量前提下，如何提高管电流，以提升图像质量满足更多的诊断需要。

2 探测器材质的更新换代

CT成像系统中有众多环节，每个环节的性能都将影响到CT成像系统的成像质量和辐射剂量。其中探测器的性能是一个基本的重要环节。一直以来探测器的材质基本包含两大类，一类是GE公司采用的HiLight材质探测器；另一类是日立、东芝、西门子和飞利浦公司采用的GOS材质探测器。近年来随着GE公司的宝石能谱CT的问世，另一类新型材质的探测器进入人们的视线。“宝石”(Gemstone)材质探测器是GE公司投资5000万美金，耗时10年研发的新型透明多晶材料探测器。与老一代材质探测器相比，宝石材质探测器具有诸多优点。众所周知，对于探测器来说，X射线激发可见光速度越快越好，初始速度越快，可见光转换速度越快，清空速度越快，余晖效应越小。与GOS相比，宝石材质探测器可使X射线响应速度最快初始速度加快150倍，清空速度加快10倍，余晖效应降低到1/4。这一特性有助于提高图像空间分辨率和降低噪声，从而增加对低对比度的敏感性，促进临床中低剂量技术的应用。

3 大pitch加快扫描速度

随着CT技术不断提升，传统的单源计算机断层扫描(single-source computed tomography, SSCT)旋转时间和多扇区重建技术都在一定程度上提升了时间分辨率。但是受限于工业水平和CT旋转时产生的巨大离心力，目前最快的CT也只能达到0.27 s旋转一圈。多扇区重建也依赖于重建原始数据时相的选取和对患者心率的估计，并且不能摆脱冠状动脉带状伪影的困扰。采用传统SSCT进行冠脉成像扫描，如果螺距过大，获得多扇区原始数据的间隔就会比较大，严重影响到重建后图像质量。因此为了保证一定的时间和空间分辨率，SSCT进行冠脉成像需要采用较小的螺距进行扫描。即便生产厂商提供了可根据心率选择螺距的功能，为得到有用的诊断信息，在临床应用中可选择的螺距范围也很窄，一般在0.2～0.24之间。在较长的扫描时间里采用小螺距会给患者带来较大的受照剂量。对于＞100 bpm的心率，心脏舒张期很短，受到时间分辨率的限制，即便是提高了螺距，也很难获得该时相内的全部数据[12]。

近些年推出的双源计算机断层扫描(dual-source computed tomography，DSCT)通过两套成一定角度的X射线球管系统和两套探测器系统同时采集人体图像。与传统的16排及64排SSCT相比，DSCT最大的优势是83 ms的时间分辨率。这样高的时间分辨率使得冠脉成像单扇区重建成为可能，并且摆脱了心率的限制，即便是在高心率下扫描，通过单扇区重建，也能获得很好的图像质量。由于DSCT冠脉成像不再依赖于多扇区重建，螺距可以根据患者心率进行大幅度调节，以优化图像质量和辐射剂量。一般螺距的调节范围为0.25～0.5[12-15]。

Dikkers等[15]采用具有可调节心率模拟心脏搏动功能体模进行研究，对比SSCT与DSCT冠脉成像图像质量和辐射剂量。研究结果显示，对于所有心率范围DSCT获得图像质量的评分明显优于SSCT。并且DSCT的图像质量稳定，而SSCT的图像质量随着心率的增加出现明显恶化趋势。对于不同心率范围，SSCT采用相同的螺距(0.2)，产生的有效剂量为15.2 mSv。而DSCT可根据不同的心率范围调节螺距(0.21～0.54)，有效剂量范围从50 bmp的19.7 mSv到110 bmp的8.0 mSv。对于70 bmp以上的心率，相比SSCT，DSCT在保证图像质量的前提下可大幅降低辐射剂量。除了体模实验，M.Wang等人采用临床病例对DSCT和SSCT的成像质量和辐射剂量进行评价得到了类似的结论[12]。在＜70 bmp的心率条件下，DSCT冠脉成像并无明显的剂量降低，但在＞70 bmp的心率条件下，相比SSCT，DSCT冠脉成像的辐射剂量大幅降低。

4 迭代重建算法的演变

迭代重建算法是当今CT领域的热门话题之一，几乎所有的厂商都开发、推广新型的迭代重建算法。其实早在CT诞生时，就存在迭代重建算法来完成原始数据的重建，最早是代数重建算法(algebraic reconstruction technique, ART)，这种算法很快就被解析重建算法取代。在过去的40年中，CT设备中广泛应用的解析重建算法为滤波反投影重建技术(filtered back projection，FBP)[16]，以FBP为代表的解析重建算法是基于投照数据反映的X射线衰减和像素值数学关系的一种算法。但是投照后的原始数据存在噪声，并且噪声在通过滤波反射投影后被放大。FBP重建算法需要选择滤波函数或卷积核以平衡重建后图像的空间分辨率和噪声，因此空间分辨率的提高就会增加噪声，在保证图像质量的前提下降低辐射剂量受到很大程度的限制。

迭代重建算法是基于噪声的统计模型，通过每次迭代提高图像质量，它假定图像是平滑的，对邻近的像素设定相同值。与传统的解析重建算法相比，迭代重建算法存在一些问题：①迭代算法要不断重复重建过程，因此比解析重建算法速度慢，由于重建速度慢，迭代重建算法最初应用于核医学发射断层扫描，发射断层扫描图像噪声较大，但是投影数据量较小，因此比较适合速度慢、降噪能力强大的迭代重建算法，随着计算机技术的发展，强大的计算能力使得迭代重建算法开始进入CT领域；②在迭代算法开始前，所有的投照数据必须已经生成；③如果循环次数超过了最佳迭代次数，过度降噪的结果反而会降低图像质量；④迭代重建结果依赖于噪声模型和对真实图像的假设。

迭代重建算法尽管存在上述限制，但仍受到人们的关注，其在降噪、提高图像质量上有不可比拟的优势[17-23]。目前开发的迭代算法，不仅针对降低泊松噪声有效，对射线硬化噪声、散射噪声及运动噪声都有一定的抑制作用。

目前迭代重建算法的发展速度很快。GE公司于2008年推出的新一代自适应统计迭代重建技术(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)，通过预期噪声图和轴扫图像相结合的方法减小像素值的变化(该迭代算法假定图像像素值的变化从统计学意义上不利于反应真实解剖结构)。如果图像中某个体素值与其临近的体素值相差悬殊，ASIR算法则会假定该体素没有真实的反应解剖结构，而是统计波动变化或是噪声导致。当考虑所有类似的因素，重建图像就进行了更新。由于仅需要有限的数次迭代过程就能完成这样的图像更新，与FBP相比ASIR的重建时间仅增加了50%。国内外涌现了许多基于ASIR重建算法成像质量与辐射剂量的相关研究[21-22]，结果显示，与FBP相比采用ASIR低剂量成像可以获得相同甚至更好的图像质量，而辐射剂量可减低65%。

在GE推出ASIR算法两年之后，西门子公司也推出了自己的迭代重建算法：图像空间迭代重建算法(iterative reconstruction in image space, IRIS)。与传统的迭代重建算法不同之处是，IRIS仅从原始数据生成一次“主”图像。主图像保留图像的全部信息，并含有大量噪声。剩下的计算是在图像空间基于主图像的迭代过程，对“主”图像不断修正，使其逐渐趋近于“真实”图像。噪声模型是基于原始数据生成的，并根据噪声模型提取图像特征、边缘信息、对比度噪声比等参数用于迭代修正算法。每次迭代修正完成后，生成的新图像与原始图像相比，在下一次迭代之前将更新数据添加到数据库中。由于IRIS是基于图像空间的迭代重建循环(而非原始数据空间)，因此加快了迭代速度。IRIS在降低图像噪声的同时根据扫描系统和重建参数特征保留了图像的锐利度和低对比结构。国内外研究表明[17,19-20]，与FBP重建算法相比，IRIS迭代重建算法，可以有效去除图像噪声，在不降低图像空间分辨率的情况下，大幅降低辐射剂量。胸部、腹部扫描辐照剂量可减低35%和50%，冠脉成像扫描剂量可减低40%～50%。但是采用IRIS方法重建图像的噪声纹理与FBP重建图像存在很大差别。以往医生已经习惯了FBP重建图像噪声的表达方式，IRIS在噪声纹理上的改变会在一定程度上给诊断带来困扰。

2011年飞利浦公司推出了第四代迭代算法iDose4。iDose4迭代算法在减少图像噪声的同时尽可能少地改变噪声功率谱。因此保留了与FBP图像相同的噪声纹理，易于让临床医生接受。Mieville等[17]研究发现，iDose4迭代算法在降低图像标准方差的同时，图像的噪声功率谱曲线并未有明显改变。但是，需要指出的是，与FBP相比iDose4虽然减少了重建图像的噪声，并未改变MTF曲线。这就意味着如果想得到更好地空间分辨率，iDose4需要结合图像锐化滤波。也就是说，如果采用iDose4进行低剂量扫描，需要改变重建参数以保证图像质量。东芝公司也推出了自己的迭代算法AIDR，AIDR是一种适应型算法，可以自动计算出最优迭代次数。

近来GE公司又推出了一套完全迭代重建算法亦称基于模型的迭代重建算法(model-based iterative reconstruction，MBIR)，商业名称为VEO。和其前身ASIR不同的是，VEO采用的是原始数据空间的完全迭代算法。在重建时不单单考虑数据的统计值，还关注设备的几何特征，如扫描物体的体素、焦点大小和探测器有效尺寸等参数。不但如此，为了提高模型的精准度，引入了复杂的数学公式以考虑射线硬化、散射和金属尾影的物理效应。国外已有研究结果显示[17]，与前一代迭代重建算法(如ASIR和iDose)相比，VEO表现出更优越的降噪功能，并能有效地提高图像的空间分辨率，同时能有效降低辐射剂量67%～86%。但是由于复杂的计算，VEO的实现需要很长的计算时间，因此VEO的临床应用还需要一段时日。

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Latest development of low-dose CT technique

LIU Bin, QIAO Lei, BAI Mei

Objective: To decrease the radiation for computed tomography examination and to improve the safety of patients is an important direction of the development of CT technique. Methods: We demonstrated the principles, merits and drawback and their potentialities of each kind of new low-dose CT technique. Results: With the new developed low-dose CT technique, patients’ dose could be reduced by 86% without losing clinical information. Conclusion: Despite of some limitation, new developed low-dose CT techniques can decrease patients’ dose dramatically and make more widely and deeply clinical needs possible.

Computed tomography; Radiation dose; Exposure dose

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing 100053, China.

1672-8270(2012)08-0048-05

TH774

A

刘彬,女,(1979- ),硕士，工程师。首都医科大学宣武医院医学工程科，研究方向：医疗设备质量控制。

2012-03-18

国家自然科学基金(30870751)“多拍螺旋CT临床成像质量与受检者受照剂量优化配比及评价方法研究”

①首都医科大学宣武医院医学工程科 北京 100053

China Medical Equipment,2012,9(8):48-52.

从1972年计算机断层成像(computed tomography，CT)正式宣告诞生，CT成像技术已经不断演化发展成为全球广泛使用的重要诊断手段之一。随着科技的不断发展，CT设备飞速地更新换代，很多以前停留在“概念”和“实验”阶段的设想也依托先进的科技得到了广泛的实现。在层出不穷的CT新技术中，如何降低辐射剂量，提高检查安全性，成为CT技术一个重要发展趋势。CT低剂量已成为所有CT学术论坛聚焦的热点问题，受到各个领域的关注。通过总结归纳近年来不同厂商推出有关低剂量成像的相关内容，解析阐述低剂量CT扫描新技术的产生、基本原理、优缺点及有待解决的问题。

CT成像系统的很多环节都存在着降低辐射剂量的技术提升空间。因此，低剂量CT成像是个复杂、系统的技术革新过程，对低剂量技术的探讨主要从以下几方面进行阐述：宽探测器的应用、探测器材质的更新换代、大pitch加快扫描速度及迭代重建算法的演变。