CT低剂量技术的发展

何伟，张晖，汪缨

南京医科大学第一附属医院 临床医学工程处， 江苏 南京 210029

计算机断层扫描（Computed Tomography）是利用计算机技术，对被测物体的断层扫描图像进行重建的扫描方式。该扫描方式利用单一轴面的射线穿透被测物体，根据被测物体各部分对射线的吸收率与透过率不同，通过计算机采集透过射线并进行三维重建成像。自1972年EMI公司工程师豪斯菲尔德研制出世界上第一台CT至今，CT检查在全球范围内迅速展开，各大公司也相继研发出具有划时代意义的CT，检查范围几乎包含了人体的所有组织，成为了临床诊断中不可缺少的一部分[1]。但是CT检查频率的增加，使得辐射风险加大，因此医疗检查中的辐射危害越来越受到医护人员及大众群体的关注。本文对近年来最新的一些可降低辐射剂量的新技术进行综述，报道如下。

1 低剂量技术的发展现状

随着科学技术的进步，CT技术在近十几年飞速发展。早期的CT由于硬件及软件技术的限制，其主要问题是如何提高扫描速度及进行全身扫描。后来滑环技术的应用使CT检查有了质的飞跃，检查时间的缩短使患者全身断层成像的辐射剂量大大降低，探测器排数增加到16排后，临床开始尝试冠状动脉CT成像[2]。2005年第一台双源CT的问世引领放射影像学进入低剂量成像时代。现今西门子第三代双源CT FORCE即将投入临床，其搭配最新的迭代重建算法及更稳定的系统软件平台，集先进的光子探测器及零兆球管为一体，将会为临床提供更快、更准、更安全的诊断手段。如今，低剂量成像技术的应用大幅降低了患者的辐射剂量，拓宽了CT的临床应用，低剂量成像已是影像学科的热门研究之一。

2 低剂量技术的应用现状

目前应用于临床的低剂量技术主要有心电门控技术、智能kV扫描、图像重建算法、探测器、适形滤过器、敏感器官射线防护等，且这些低剂量技术的应用价值已经得到了充分的肯定。

2.1 心电门控扫描技术

在心脏CT检查中，由于脏器的运动容易导致伪影，使得图像的分辨率及诊断准确率降低。为了获得更高质量的心脏影像，一般采用心电门控来进行有效影像的筛选。目前常用的心电门控技术有两种，一种是回顾性心电门控（图1），另一种是前瞻性心电门控（图2）。理想的心脏成像时机最好是在心动周期的舒张期，而心率越快，舒张期越短。心脏门控扫描程序通过实时的心电图门控触发，心电图脉冲剂量调控技术对心率的任何变化都会作出相应的调节[3]，心率较快时，会结合自动的进床速度来调节，如增加扫描螺距、加快进床速度、减少曝光时间。也就是说，心率越高，心脏成像所需时间越短，所需的剂量也就越少。回顾性心电门控是目前较普遍的一种扫描技术，首先采集所有心电时相上的数据，再将9~10个心动周期特定时相（舒张期）采集到的数据进行图像重建，具有曝光量大、采集时间长等特点，适用于心率不齐、早搏、心率较快（>80次/min）的患者[4]。而最新的前瞻性心电门控只采集7~8个心动周期的特定时相，即只在心脏舒张期触发扫描，然后对其中某个特定时相进行重建，去除了大量的冗余数据，相比前者平均有效辐射剂量可减少70%。但前瞻性心电门控只适用于心律平稳（60次/min）的患者，对心率控制和稳定性要求较高，通常不能再进行后期的数据筛选[5]。故在检查患者心脏时，需根据病人心律情况选择合适的门控方式，从而避免因图像质量差导致的重复扫描。

图1 回顾性心电门控

图2 前瞻性心电门控

2.2 智能kV扫描

由于人体形状不规则，因此各部位对射线的穿透衰减程度不同。而CARE DOSE 4D技术（图3）可根据病人的体型实时调整管电流，对每个角度不同位置的管电流进行优化，从而可将辐射剂量降低至68%。众所周知，管电压和辐射剂量呈指数关系，管电压对降低剂量的影响远大于管电流。CARE kV是CARE DOSE 4D的升级版，CARE kV可根据各部位对射线的衰减程度确定合适的管电压。目前常用5个档的管电压，分别是70、80、100、120、140 kV，见图4。在不使用CARE kV的情况下，120 kV档使用率较高，在使用CARE kV后，120 kV档使用率明显降低，100 kV及80 kV档的使用率增加，而同一部位使用100 kV的辐射剂量会比使用120 kV降低60%。

图3 成人及儿童的CARE DOSE 4D技术

图4 不带CARE kV和带有 CARE kV 的管电压档使用率

这里需要指出，管电压越低时碘的CT值越高，管电压越高时CT值反而越低，相同浓度的碘剂在图像质量上100 kV比120 kV更亮。Schueller-Weidekamm等[6]的研究结果显示，在相同的对比剂总量和注射速率下，相比常规管电压，低管电压不仅能显著降低辐射剂量，而且二者的图像质量无明显差异。在做CT血管造影时，可以用更低的管电压配合低浓度的造影剂，得到与120 kV档相当甚至还要更高的CT值[7]。

另外，儿童对射线的敏感度要高于成人，使用低kV扫描能大幅降低不必要的辐射剂量。最新的CARE CHILD是只针对儿童的超低kV技术，可提供70 kV超低剂量和超高对比度扫描，优化对比度噪声比。在常规临床检查过程中，可根据病人的年龄、体重智能地选择合适的扫描方案，遵循放射防护最优化原则（As Low As Reasonably Achievable，ALARA），以兼顾剂量与图像质量[8]。

2.3 图像重建算法

滤波反投影算法（Filter Back Projection，FBP）和加权滤波反投影算法是目前最常用的CT重建技术。图像空间迭代重建算法（Iterative Reconstruction in Image Space，IRIS）很早就有了，但是由于当时计算机硬件条件受限，故未能广泛应用[9]。与FBP相比，IRIS可显著降低图像噪声，提高图像信噪比和对比噪声。IRIS本身不能降低辐射剂量，但可提高图像质量，这就意味着可以用更低的辐射剂量去扫描，然后得到与全剂量FBP图像质量相当的图像（图5~6），在图像质量与全剂量FBP图像无显著差异的情况下，IRIS能减少约40%的辐射剂量，这使得CT灌注成像成为可能。基于FBP算法重建的冠脉图像上会有比较重的容积伪影，图像上的钙化斑块会明显大于实际尺寸。冠脉本身很细，若有伪影会导致对管腔狭窄的过评估或假阳性。而IRIS可以明显地减轻射线硬化带来的伪影。FBP每秒重建约60幅图像，IRIS每秒重建15~20幅图像，IRIS以及最新的原始数据迭代重建（Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction，SAFIRE）都比FBP更消耗计算机资源，但随着计算机技术的飞速发展，更快更新的计算机会逐渐取代现有计算机，使得计算机资源消耗不再是困难[10-13]。

图5 采用FBP重建的全剂量图像

图6 采用IRIS重建的60%剂量图像

2.4 探测器

探测器是数据采集部分的一个重要组件，它是一种将X线转换为电信号的装置，电信号的大小与接收到的辐射剂量成正比。第一代气体探测器由惰性气体和气体电离室构成，通过测量电离室电流的大小来检测入射X线的辐射强度，但因其检测效率低，需要高mAs来获得强信号等缺点，早已被淘汰。目前使用最广泛的是固体探测器，固体探测器分为闪烁晶体探测器和稀土陶瓷探测器，其原理均是将X线能量转换为可见荧光，再经过光电倍增管或光电二极管转换成模拟信号，最后通过A/D转换为数字信号进行后处理。二者所不同的是稀土陶瓷探测器使用含有稀有金属的透明光学陶瓷来替代闪烁晶体，故与闪烁晶体探测器相比，其转换效率高、余晖小、稳定性好。

探测器在转换信号的过程中增加了电子噪声，同时带来了更多的信号损耗。近几年，西门子公司推出了最新的Stellar光子探测器。采用先进TSV光导及光子技术的Stellar探测器可将功能部件直接整合为单一晶片，去除常规探测器中的芯片和复杂电子线路板。这样不仅克服了电子元器件的噪声，也减少了电路与导线阻耗产生的热噪声，减少了信号在采集和传递过程中的相互串扰。CT的动态范围（Dynamic Range）越高，表示成像系统分辨信号强弱的能力越强，Stellar光子探测器采用HiDynamic技术，将动态范围扩展到120 dB，比常规探测器提高了200%，这就意味着微小信号的分辨率将显著提高，同时高信号不会饱和失真，可使图像质量得到大幅提升与改善。Stellar光子探测器的临床应用充分发挥了能量CT的优势，大幅提高了低kV成像质量，更有利于绿色CT概念的普及和发展[14-16]。

2.5 适形滤过器

人体横断面多为椭圆，由于射线硬化效应，X射线的衰减中间大于两边，CT机发出的X射线是一个光谱射线，而临床上需要的是某一特定能级的射线。滤过器位于X射线源与受检者之间，可吸收非特定能级的其他射线，同时针对性地减少位于人体外周的散射线，大幅降低对人体的辐射剂量。目前各大公司都已推出各型号滤过器，因为大部分人的心脏偏左，故这种滤过器是在常规领结形滤过器的基础上改进的心脏专用马鞍形滤过器，能有效降低心脏图像的射线硬化效应，再配合双源技术，使得心脏检查辐射剂量更小，图像质量更好，CT的检查也更加的人性化。

2.6 敏感器官射线防护

严格控制各类扫描参数可明显降低辐射剂量，但在扫描过程中，对组织权重因子高的敏感器官（如腺体、红骨髓以及晶状体）的防护也是非常有必要的。现在通常用铅围裙、铅围脖覆盖的方式来对敏感器官进行防护。目前最新的技术是选择性曝光射线屏蔽技术，当球管正对某些敏感器官时会停止曝光，而在其他位置则正常采集数据，然后利用采集到的部分数据进行图像重建。

3 展望

CT低剂量技术的快速发展，给临床带来了极大的好处，各大公司也在持续改进和开发一些更新更好的产品。在我国，具有先进低剂量技术的高端CT多数集中在三甲医院，而在一些县级或是乡镇医院中装备的多是技术较落后的CT，甚至是淘汰多年的二手CT，加上操作人员低剂量意识不强且一味地追求图像质量，从而无法降低患者辐射剂量。现今，国内大部分患者初次接受CT检查基本是在基层医院，省级以上三甲医院很多是在基层医院检查的基础上进行诊断或是因检查结果不明而进行CT复查，这又间接导致了患者辐射剂量的加大。机器落后、操作人员意识不强、CT的重复检查及检查方案的不合理，是导致患者辐射剂量较高的主要原因。实际检查中如何充分利用低剂量技术，降低患者的辐射剂量，是影像科医生和操作人员面临的一个巨大挑战。影像工作者需在提高自身低剂量意识的同时结合先进的影像设备，根据患者的胖瘦、年龄及扫描部位，选择合适的管电压和管电流，制定出符合ALARA原则的低剂量扫描方案，以更好地贯彻低剂量思想和拓展CT低剂量应用。

[1] 高翠翠.降低CT辐射剂量研究新进展[J].医学影像学杂志,2012,22(4):676-679.

[2] 石明国.CT发展进入低剂量成像时代[J].中国医疗设备,2012,27(1):39-42.

[3] Entrikin DW,Leipsic JA,Carr JJ.Optimization of radiation dose reduction in cardiac computed tomographic angiography[J].Cardiol Rev,2011,19(4):163-176.

[4] 郭小超,刘建新,邱建星,等.冠状动脉64排螺旋CT成像中前瞻性与回顾性心电门控比较[J].中国医学影像技术,2009, 25(11):2004-2008.

[5] Leschka S,Stolzmann P,Baumuller S,et al.Performance of dual-energy CT with tin filter technology for the discrimination of renal cysts and enhancing masses[J].Acad Radiol,2010,17(4):526-534.

[6] Schueller-Weidekamm C,Schaefer-Prokop CM,Weber M, et al.CT angiography of pulmonary arteries to detect pulmonary embolism:improvement of vascular enhancement with low kilovoltage setting[J].Radiology,2006,241(3):899-907.

[7] 严汉民,黄岗.降低CT剂量的技术和方法探讨[J].医疗设备信息,2007,22(12):1-5.

[8] Choi SI,George RT,Schuleri KH,et al.Recent developments in wide-detector cardiac computed tomography[J].Int J Cardiovasc Imaging,2009,25(Suppl 1):23-29.

[9] Perisinakis K,Damilakis J,Tzedakis A,et al.Determination of the weighted CT dose index in modern multi-detector CT scanners[J].Phys Med Biol,2007,52(21):6485-6495.

[10] Scharf M,Bink R,May MS,et al.High-pitch thoracic CT with simultaneous assessment of coronary arteries:effect of heart rate and heart rate variability on image quality and diagnostic accuracy[J].Int J Cardiovasc Imaging,2009,25(Suppl 1):31-42.

[11] Hausleiter J,Meyer T,Hadamitzky M,et al.Radiation dose estimates from cardiac multislice computed tomography in daily practice:impact of different scanning protocols on effective dose estimates[J].Circulation,2006,113(10):1305-1310.

[12] Park EA,Lee W,Kim KW,et al.Iterative reconstruction of dualsource coronary CT angiography:assessment of image quality and radiation dose[J].Int J Cardiovasc Imaging,2011,28(7):1775-1786.

[13] Naidich DP,Marshall CH,Gribinc AR,et al.Low-dose CT-of the lungs preliminary observations[J].Radiology,1990,175:729-731.

[14] Rogolla P,Stover B,Scheer I,et al.Low-dose spiral CT:applicability to paedi atric chest imaging[J].Pediatr Radiol,1999,29(5):565-569.

[15] Chiu CH,Chern MS,Wu MH,et al.Usefulness of low-dose spiral CT of the chest in regular follow up of postoperative non-small cell lung cancer patients:prel iminary report[J].Thorac Cardio-vasc Surg,2008,125(6):1300-1305.

[16] Francone M,Napoli A,Carbone I,et al.Noninvasive imaging of the coronary arteries using a 64-row multidetector CT scanner:Initial clinical experience and radiation dose concerns[J].Radiology Medical(Torino),2007,112(1):31-46.