70kV低剂量新技术—低剂量扫描与高质量图像的有效结合

张艳，袁慧书

北京大学第三医院 放射科，北京100191

70kV低剂量新技术—低剂量扫描与高质量图像的有效结合

张艳，袁慧书

北京大学第三医院 放射科，北京100191

本文介绍了70kV致微剂量超高分辨率CT扫描技术的原理，技术革新和应用，并探讨了低kV技术的相关剂量问题。70kV扫描在致微辐射剂量下，提供了超高的分辨率，是CT低剂量技术新的变革，提升了特殊病患群体的医疗服务质量。

计算机断层扫描；低剂量；高分辨率

0 前言

自20世纪70年代问世以来，CT断层扫描技术以其快速准确的特性，越来越广泛的被用于疾病的诊断与评估。但是，由于CT使用X光穿透人体，在得到精确信息的同时，还对人体造成了辐射伤害。据不完全统计，美国病人接受到的辐射64%来自于CT扫描，尽管CT检查只占到美国总医疗检查数目的11%；在欧洲，占总医疗检查数4%的CT扫描却输出了40%的总辐射剂量[1-2]。所以，降低CT检查的辐射剂量，可以有效地降低整个医疗服务过程中的总辐射剂量。同时，对于婴幼儿或者某些需要经常复查的成人病患，只有低剂量的CT扫描才是可以接受的[3]。因此，如何在保证诊断精度和质量的条件下，尽可能的降低CT的辐射剂量一直是全球放射学界最为关心的话题之一，同时也是CT技术的重要发展方向[4-5]。

现有的降低CT扫描剂量的技术主要包括：优化扫描范围、避开敏感器官、迭代算法、实时调节电流值以及调节球管电压等[6]。现有的西门子自动确认扫描范围（FastPlanning）技术可以根据扫描要求自动确定扫描范围，不仅加快了日常扫描流程，还避免了由于过大的扫描范围带来的多余辐射。而敏感器官专用防护（X-Care）技术和介入防护（Hand-Care）技术通过调节球管电流在不同扫描角度的分布，可以有效地降低对病人敏感器官（如乳房）的辐射[7-9]。鹰眼迭代重建（IRIS）技术可以有效地降低图像噪音达40%，使在常规扫描中使用更低的球管电流成为可能[10-11]。而更新一代的云重建迭代（SAFIRE）重建技术，不仅使用了比“IRIS”更优化的降噪模型（剂量降低大于50%），还在原始数据空间中去除了图像伪影，进一步改进了图像质量[12]。被业界广泛使用的四维实时剂量调节（CareDose4D）技术，根据病患的生理解剖特点，在三维空间各个方向和整个扫描过程中自动调节球管电流的输出，可降低扫描剂量最高达50%[13]。

相对于上述的线性降辐射的方法（如调节电流值等），扫描时使用较低kV值可以更大幅度的降低辐射剂量，因为CT辐射剂量的变化和球管电压近似成平方关系[14]。100kV扫描相对于120kV扫描可降低近30%的辐射剂量。不仅如此，较低的球管电压还可以增加造影剂的对比度，提高图像的对比信噪比，从而使减少造影剂用量成为可能，更好地提升类似肾受损病人的医疗检查质量[15]。在CT球管的可行范围内，越低的kV可以在越低的剂量下提供越高的对比信噪比。现在市面上刚刚推出的智能最佳kV扫描技术（CAREkV）可以根据扫描目的和病人的解剖特点，自动选择最优的球管电压，在最低的剂量下，提供最好的图像质量[16-17]。现在市面上的设备大多可以提供从80kV到140kV的扫描选择，但是极少有公司能够提供低至70kV的球管输出，从而使低kV低剂量技术在一定程度上受到了限制。

1 70kV技术的难点

70kVCT扫描相对于普通CT扫描的技术难点来自于球管和探测器：在探测器方面，由于70kV球管电压输出的X光子束的能量较低，使用普通数据采集方式获得的信号很弱，从而造成图像噪音较高，不适合临床诊断；而在球管方面，由于降低电压也会大幅度的降低X光子的输出数目，进而降低球管的输出效率，换句话说，增加了球管热能生成，影响球管寿命，而且低kV下的球管输出也会变得不稳定；同时，70kV电压下的球管会输出大量的低能量光子，这些光子无法穿透人体，对于成像没有贡献，反而提高了病人的辐射剂量，属于无效剂量。这也是为什么大多数公司现在无法提供临床可使用的70kV扫描技术的原因。但是，更低的球管电压扫描可以更好的提高针对婴幼儿病患和需要反复随访病人的医疗服务质量，对于低剂量技术的发展和使用有着重要的意义。

西门子公司最新推出的70kV技术，一方面通过使用新的信号采集和处理技术，提高了探测器在低kV下的信号敏感度，使图像噪音提升到临床诊断可以接受的程度；另一方面，新的球管技术使用了全新的电控系统，稳定并提升了球管的输出效率，在节省能源的同时，延长了球管的使用寿命；更重要的是，新的球管增加了特殊的滤波板，更好地滤除了低能量的光子，用以纯化70kV球管电压下的光子输出，从球管端避免了对病人的无效辐射。这样，来自探测器和球管的技术难点均得到了解决，使70kV致微剂量超高分辨率扫描成为可能。

2 70kV技术的剂量和图像质量

在最近刚刚发表的研究成果中，瑞士的研究者们证实，在Definition AS平台上，针对普通成人患者（20例，年龄19～81岁），行颈部扫描，使用70kV电压相对于使用120kV的常规扫描方案，可以降低34%的辐射剂量[18]。为了降低70kV扫描中的图像噪音，研究者们特意提升了球管电流，使得70kV扫描的图像质量高于120kV扫描。即便如此，扫描剂量仍然从平均1.33mSv（120kV扫描）降低至0.88mSv（70kV扫描）。

随着70kV扫描变为可行，联合使用不同的低剂量技术，可以使CT扫描变得更加灵活多变，也更加绿色。联合使用SAFIRE迭代重建和70kV，相对于100kV扫描，剂量可以大幅降低；由于使用了SAFIRE技术，从而极大的提升了图像的信噪比和对比信噪比。这也意味着，使用低kV技术，可以在保证图像质量的前提下，减少造影剂的用量，降低了肾损伤的可能性。

当然，不得不指出的是，由于其光子能量低的特点，70kV扫描的应用范围受到了一定的局限，无法用于过胖病人的腹部扫描或者头部扫描，但是对于婴幼儿和部分成人患者，仍然是非常有价值的技术。

3 低kV扫描是否真的降低了病人的有效剂量

随着低kV扫描技术的推广，业界也有一些质疑的声音。怀疑主要集中在低kV扫描虽然从物理计量上确实降低了剂量，但是对于人体软组织而言，低kV扫描提升了光电效应的比例，那么病人的有效剂量是否真的下降了呢？有没有可能使用低kV扫描反而会提高对病人的辐射伤害呢？那么低kV扫描岂不是得不偿失？

针对这个问题，让我们首先回顾一下放射学界对于辐射剂量和辐射伤害的定义和测量。我们在CT扫描结束之后得到的DLP值（剂量长度乘积）是由CTDIvol （容积剂量指数）与扫描长度相乘得到的，表示1次CT检查中，患者所接受到的辐射剂量，或者说是辐射的电离能力。但是这个参数并不针对病人特定的扫描部位；由于不同的部位针对不同形式的辐射敏感度不同（小儿对于辐射伤害更敏感），所以物理学家们提出了用Effective Dose（有效剂量）来评估人体实际受到的损害。而有效剂量等于剂量长度乘积乘以剂量转换因子（Effective Dose Conversion Coefficient），就是日常使用的敏感度（k值）。这个剂量转换因子不仅代表不同部位对于辐射的敏感度，也代表了组织对于不同kV扫描的敏感度[19]。因此，要考察不同kV扫描对病人的辐射伤害，就需要考察在低kV下，剂量转换因子是否会大幅升高。

过去有不少针对不同kVCT扫描下（80～140kV），病患有效辐射（剂量转换因子的变化）的研究和成果[20-22]。美国和欧洲的放射学会还有各自的研究报告和标准[23-26]。虽然美国和欧洲的结果在数值上有些许差异，但是都表明剂量转换因子在80kV和140kV下基本上是一样的；甚至对于某些部位，其对80kV的k值甚至要低于140kV[20-21]。由于70kV是刚刚推出的技术，现在还没有针对70kV下的剂量转换因子的研究。但是,由于生物组织在医疗诊断能量范围内对于X光衰减值变化的线性性（生物组织对X光的衰减，从80kV到70kV的改变很小）以及70kV球管的新滤板技术（过滤低能量光子），所以，70kV扫描并不会使剂量转换因子增加。70kV下的超高分辨率主要来自于造影剂对X光吸收率的提升。由于70kV下的平均光子能量更加靠近碘造影剂的特性吸收尖峰，所以碘造影剂的吸收率会大增（图1）。

图1 碘造影剂对不同能级X光子的吸收率曲线

与此同时，X光辐射对生物组织的伤害也不能简单等效于光电效应的多少。根据现有的研究结果，辐射对于组织的伤害主要来自于：① 光子直接破坏细胞DNA结构；② 辐射电离细胞内的分子，产生游离电子，从而间接破坏DNA结构。而DNA结构的破坏，一般情况下，会受到身体的自动修复；但是高剂量的辐射，会使身体“来不及”修复伤害，从而造成细胞死亡；或者造成细胞的癌变，增加病人多年后患癌的几率[27-28]。在X光与生物组织的相互作用中，康普顿散射（Compton）效应和光电效应都可以电离分子，破坏DNA结构，因此,不能把X光的辐射简单等效于光电效应的比例，而应该综合考虑辐射总剂量和辐射的性质[29-30]。

4 小结

综上所述，致微辐射超高对比度70kV扫描技术从理论和实践上都在提供更好的图像信噪比的同时，可靠有效的降低了CT的辐射剂量。70kV技术的推出使得CT低剂量技术更加多元化，可以更好地为婴幼儿患者和部分成人患者提供低剂量低造影剂的绿色CT扫描，提升医疗服务的质量。

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70kV Low Dose Technology: Effective Combination of Low Dose CT Scan and High Quality Image

ZHANG Yan, YUAN Hui-shu
Radiology Department, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China

This paper introduces the principle, technology innovation and application of the 70kV lowdose high-resolution CT scan technique. Some issues regarding the effective dose for low tube potential CT scan are also discussed. The 70kV scan provide excellent resolution under extreme low radiation dose, which unfolds a new era for CT low dose technology innovation and improves the quality of medical service for the special patient population.

CT; low dose; high resolution

TH774；R814.42

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.05.055

1674-1633(2012)05-0144-04

2012-03-27

作者邮箱：huishuy@sina.com