CT剂量控制技术探讨

沈显威，崔喜民，仝青英，吕 明

CT剂量控制技术探讨

沈显威，崔喜民，仝青英，吕 明

分析了CT辐射剂量的影响因素，阐述了常规CT辐射剂量控制的原理和方法。通过对CT探测器、扫描速度、管电流、管电压及数据后处理等一系列主要技术参数进行分析，总结了现代CT辐射剂量控制所运用的新技术和新方法。提出了操作技师应依据患者个体体征进行量体裁衣来设定剂量和扫描方式的建议，为进一步降低CT辐射剂量提供借鉴。

CT；低剂量；X线辐射；剂量控制

0 引言

随着CT技术的发展与进步，CT影像的分辨率和清晰度越来越高，照射时间越来越短，在提供更加清晰和更大范围成像的同时，如何有效降低CT辐射剂量成为重要话题。辐射安全问题不仅影响到患者的疾病康复，也给医务工作者的健康和工作环境带来挑战。在美国，占整个放射学检查数量11%～13%的CT检查，其辐射剂量却约占整个放射检查的67%[1]。为研究CT检查的安全性，浙江大学医学院附属第二医院医务人员用46只大白鼠进行CT辐射安全性研究，结果表明，高曝光CT辐射剂量可致家兔急性脾组织的异常。有研究证明，过量头部CT辐射可引起短暂性脱发，人体相对“脆弱”的甲状腺和性腺对CT辐射敏感，精子和卵子在X线过量照射下会畸变，医疗辐射的致癌效应已成为大众健康的重要问题[2]。

为控制和降低CT辐射剂量，设备制造商和临床CT操作技师都做出了不懈的努力和尝试，在CT软硬件上做出了诸多改进，比如硬件上降低管电压或管电流，探测器、准直器及过滤器的性能改进。软件方面包括心电门控采集模式、滤波反投影技术（filtered back-projection，FBP）、迭代重建算法等。同时，临床CT操作技师也不断总结经验，因人施“量”，最大程度上降低CT辐射剂量。

1 CT剂量控制技术介绍

1.1 提升探测器性能

X线探测器是CT的核心部件，探测器设计的改变将直接影响X线辐射剂量的大小。一方面是探测器材料的不断创新和探索，早期使用高压惰性气体，后来发展为固体材料。因固体材料更适合螺旋扫描，所以现在高端CT基本都采用固体材料进行探测器的制备，如西门子探测器使用的稀土陶瓷、GE使用的人造宝石、飞利浦使用的固体钨酸铬、东芝的闪烁晶体等。另一方面是探测器从单层、多层、球面等制作工艺上不断进化。东芝Aquilion ONE/640配置了320排大面积探测器，实现16 cm超宽覆盖，摒弃了传统CT的螺旋扫描方式，最快0.35 s就能完成整个器官的成像，解决了包括心脏冠状动脉成像在内的各种复杂的传统CT成像难题。但随着Z轴宽度的增加，锥形线束的伪影明显加大，造成前后60帧图像横断面无效，限制了探测器宽度的无限增加。为此，球面探测器应运而生。飞利浦Brilliance iCT采用8 cm NanoPanel三维球面纳米探测器，通过高精度模块化技术将传统意义上的64排探测器整合为4块纳米探测器模块，每块NanoPanel都相当于256个传统CT的探测器单元。新纳米CT只需传统CT 1/5的X线即可获得清晰影像，只需1/2的造影剂即可获得卓越的增强效果。球面排列的运用，实现从硬件上消除散射线伪影，提高了图像清晰度，同时显著降低了射线剂量。

西门子双源CT是在机架内整合了2个X线球管和2套探测器（2个探测器成90°，分别对应1个球管）。这种双球管、双探测器的构造，克服了单球管、大螺距扫描信息的不足，结合大于3.0 mm的螺距扫描技术，加快了扫描速度，减少了对患者体型或身体状况的限制，从而实施更为恰当的扫描，临床应用范围得以拓展。2012年，西门子又推出了光子CT，该CT配备最新研发的Stellar光子探测器，具有“夜视”和“光栅”技术，可实现肿瘤精准成像和心血管清晰成像，提供疾病早期诊断的直接判断依据。该机采用“0”电子图像噪声纯净技术，以低辐射剂量获得高质量诊断图像。GE宝石能谱CT的宝石探测器，是在宝石中加入稀土元素，稳定性比传统稀土陶瓷探测器和钨酸镉探测器高20倍之多，结合宝石无缝切割技术，实现了低辐射剂量下获得更高图像质量。

1.2 加快扫描速度

扫描时间是指管球和探测器旋转一周所需要的时间。扫描剂量和扫描速度是相关的，速度越快，受检者接受的辐照时间越短，辐射剂量越低。随着高低压滑环、磁悬浮、气垫轴承等机械技术的开发应用，CT设备从平移旋转到多层螺旋，扫描时间也逐步从“分钟”缩短到“秒级”“毫秒”级。现在的高端CT的扫描速度可以达到0.25～0.35 ms。扫描时间的缩短除了能够有效降低患者辐照剂量、提高效率外，也是减少患者运动伪影的一个重要措施。西门子SOMATOM Definition Flash CT完成全胸扫描（包括心脏冠状动脉在内）仅需0.6 s。该机75 ms的时间分辨力以及高达43 cm/s的扫描速度使患者无需服药控制心率，首次实现无需屏气的低辐射“绿色”心脏成像。东芝320排CT完成全器官扫描仅需0.35 s，所需时间仅为64排的1/12～1/30，能满足全身大部分器官的全器官同期相成像。

1.3 创新管电流与管电压控制技术

扫描电流和辐射剂量成线性关系，扫描电压的平方与辐射剂量成线性关系，因此降低管电流和管电压都可有效降低辐射剂量。自动管电流调节技术应用于胸部及心血管增强CT，由于这2个领域组织具有着良好的对比度，利用该技术的低剂量成像已经取得了广泛的应用且成效显著[3-4]。传统螺旋扫描的自动毫安技术仅仅根据患者的体质量、身高和体型对X线曝光进行控制。现在的高端CT机都配备了三维剂量调控技术，实现个体化最优扫描参数配置。GE宝石CT的4D智能毫安技术和半剂量自动毫安扫描技术，可以在降低30%辐射剂量的同时，降低碘对比剂剂量，实现在保证图像质量的前提下，有效降低CT扫描辐射剂量和对比剂的碘剂量，实现双低概念，从而最大限度地降低对患者的潜在附加危害[5]。西门子CareDose4D技术，可针对不同的扫描部位或同一层面球管处于不同的扫描角度，动态调节球管电流。同时，选配热容量50 MHU球管，采用70 kV超低电压扫描，降低扫描剂量。

1.4 数据后处理能力迅速发展

通过硬件的改进来降低CT检查的辐射剂量，主要是通过改进X线采集技术来降低辐射剂量，因成效受限、研发成本高而渐入瓶颈。研究人员逐步探索软件上的改进。随着计算机整体水平的高速发展，CT图像重建模式有了突破性进展。目前最主要的方法就是利用强大的计算机平台，采用迭代重建技术，使CT只需采集很少的数据便可获得高质量图像，从而实现CT低辐射摄影。CT图像重建主要有2种基本方法：解析重建和迭代重建。滤波反投影技术是解析重建的主要算法，一直被作为CT图像重建技术的基础和“金标准”[6]。但该技术要求投影数据充分并且精确定量，为保证充分的投影数据量以确保能重建出达到临床诊断要求的图像，所需的CT辐射剂量就比较高。随着计算机处理数据能力的迅猛发展，迭代重建技术成为研究的热门。相比于传统的FBP，迭代重建算法可以有效克服FBP固有的问题，如可精确模拟系统几何学，改善多能光谱、散射、噪声、线束硬化和不完整采样数据等。因此，迭代重建算法能有效提高图像空间分辨力和减少伪影，降低辐射剂量。常用的迭代算法有代数重建算法（algebraic reconstruction technique，ART）、联合代数重建算法（simultaneous algebraic reconstruction technique，SART）、同步迭代重建技术中的Cimmino算法、基于协方差矩阵绝对值算法（covariance abosute value，CAV）等[7-8]。

宝石ASiR平台（ASiR turbo platform）的迭代重建技术能在图像质量不受损的前提下，降低50%的辐射剂量[9]。西门子双源CT采用Safire迭代重建技术，降低螺旋伪影，提高图像质量，降低剂量最多可达60%，是目前唯一可以在FDA认证中清楚写明剂量降低幅度等数字信息的技术[10]。飞利浦星光iDose4迭代重建技术采用双空间多模型技术，通过在投影空间和图像空间进行基于噪声模型系统和解剖模型系统的迭代运算，在确保图像质量的前提下降低80%的辐射剂量，提高68%的图像分辨率，是当前CT迭代重建算法的代表之作[11]。

1.5 心电门控技术日趋成熟

随着高端CT明显提高了CT冠状动脉成像的图像质量和成功率，临床医师逐步开始采用这种无创性方法进行冠状动脉疾病的筛查，并已成为冠状动脉疾病在影像学方面的首选检查手段。然而此项检查给受检者增加了辐射剂量。为降低照射剂量，心电门控技术得以深入挖掘。心电门控技术主要分为心电门控和心电触发2种方式，即回顾性门控（retrospectiveECG-gating）和前瞻性门控（prospective ECG-triggering），俗称后门控和前门控。前瞻性门控是利用心电图（electrocardiograph，ECG）的波形预选R波延迟时间触发扫描；回顾性门控是利用ECG和CT扫描的同步采集技术，获得连续螺旋扫描数据与心脏运动同步的资料。前者是一种节约放射剂量的心电门控技术，曝光利用率高，相对总曝光量低，有更好的对比度分辨力和时间分辨力，有效降低辐射剂量[3-4]。当心率≤65次/min且节律规则的患者行前瞻性心电门控CT血管造影术检查时，能在保证图像质量的同时显著降低辐射剂量，相比回顾性心电门控扫描辐射剂量降低约70%，但是回顾性心电门控的心率要求相对宽松，图像易于重建，检查成功率更高[12]。

GE公司LightSpeed VCT-XT运用电子束CT的前瞻性心电门控技术，其全心脏CT扫描时间小于1s，节省达90%的曝光剂量。用这款CT进行心脏扫描，其有效放射剂量甚至小于普通人群的自然本底辐射。西门子SOMATOM Definition双源CT采用适应性ECG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。在心率较快时，通过检查床钟摆式无缝式往复移动的“闪螺”技术，加上剂量调控技术减少心脏采集时管球曝光，心脏采集剂量可减少一半以上，CT冠状动脉成像的辐射剂量甚至低于1 mSv。结合前瞻性心电门控技术，飞利浦256层和东芝320层的宽探测器CT行冠状动脉成像的辐射剂量，已接近自然本底辐射（3～5 mSv）[13-14]。

2 结语

降低CT辐射剂量任重而道远，我们既要加强医疗设备新技术创新，同时更要重视应用层面上的管理。临床医师应合理把握CT检查适应证，避免不必要的CT检查。操作技师应建立辐射防护概念，正确掌握和处理图像质量与辐射剂量之间的平衡关系，在治疗方案的制订和剂量的选择上，尽可能“量体裁衣”，在保证影像质量的前提下降低患者辐照剂量。总之，随着CT成像技术的不断发展，辐射剂量控制也将得到不断改善。

志谢

本文承GE、Siemens、飞利浦、东芝公司提供资料，谨志谢意

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（收稿：2015-01-14 修回：2015-06-15）

Technologies for CT dose control

SHEN Xian-wei1,CUI Xi-min2,TONG Qing-ying3,LYU Ming3
（1.Department of Medical Engineering,Jilin Corps Hospital of PAP,Changchun 130052,China; 2.Department of Radiology,Jilin Corps Hospital of PAP,Changchun 130052,China; 3.Department of Medical Engineering,General Hospital of PAP,Beijing 100039,China）

The influencing factors of CT radiation dose were analyzed,and the principles and methods for conventional CT radiation control were described.The main technical parameters were analyzed for CT detector,scanning speed,tube current, tube voltage,data postprocessing and etc.Some newly-emerged technologies and methods were summarized for CT radiation dose control.It's suggested that the technician adopt tailored dose and scanning mode based on individual features.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（12）：132-134]

CT;low dose;X-ray radiation;dose control

R318.6；TH774

A

1003-8868（2015）12-0132-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.12.132

沈显威（1972—），男，博士，高级工程师，主要从事生物医学工程的研究工作，E-mail：shenxianwei@163.com。

130052长春，武警吉林省总队医院医学工程科（沈显威），放射科（崔喜民）；100039北京，武警总医院医学工程科（仝青英，吕 明）