双源CT技术新进展——对光筛架构技术的认识

复旦大学附属华山医院静安分院，上海 200040

引言

20世 纪 80年 代， 磁 共 振（Magnetic Resonance，MR）扫描仪面世时曾一度名为核磁共振（Nuclear Magnet Resonance，NMR），业内曾有人戏言 ：“No more roentgen!”（X线成像已无更多的事情可做），其实则不然。CT诞生后40多年来从未停歇过发展脚步，自磁共振面世后，CT又有长足进步，诸如从层面CT到螺旋CT，从以器官的静态观察到动态成像；从形态学观察到功能性成像，它每迈出一步前进步伐，无不体现CT逆势成长的生命力。本文将从螺旋CT发明人之一Willi A. Kalender博士在发明螺旋CT后，对CT的展望开始进入讨论。

1 CT发展的方向

斯坦福大学Geoff Rubin博士曾询问螺旋CT发明人之一Willi A. Kalende：“何种技术或功能是当今CT设备还未实现但又是不可或缺的？”Kalender在其专著《计算机断层扫描——理论、技术、图像质量、临床应用》一书中答道：① 必须突破扫描范围的限制；② 必须突破复杂心率的桎梏；③ 必须实现“四率合一”（时间分辨率、空间分辨率、能量分辨率、密度分辨率）的成像；④ 必须由单纯影像显示到功能情况的呈现；⑤ 必须探索更低辐射剂量的方法。

如今，被Kalender博士提及的发展方向，正在逐一实现。1998年多排螺旋CT的面世，基本解决了Kalender博士的第一个展望，而其后CT的发展使Kalender博士的预测更得到证实；随着CT转速的不断提高以及采集方式多样化，第二个展望也已基本成为现实；此外，展望中的第三、四和第五也都先后实现。

先哲达尔文曾有名训：“能生存下来的物种不是最强的物种，而是最能适应环境的物种。”下文将对双源CT中，光筛架构技术进行介绍。

2 光筛架构技术

光筛架构技术是CT成像技术的重要改进之一。由于这一改进，使CT成像的射线束能谱更趋纯化，从而使被检者的辐射剂量得以进一步降低。

光筛架构的技术改进包括：① 高压发生器与X线管拓扑结构的改进；② 逆变单元采用“绝缘栅双极型晶体管”；③ X线管窗口附加滤过材料的改进；④ 多种线束滤过技术的组合。

3 光筛架构的基本组成

从技术原理而言，所有CT系统的影像链都由X线源（X线管）和X线检测装置（探测器）组成，光筛架构解决了CT成像中一系列新的技术要求，通过对线束硬化校正和“整形”，基本消除了硬化伪影和散射，避免探测器饱和，实现图像噪声的均匀化；通过减少低keV射线光子数量，提高X线光谱的平均强度，从而进一步优化能量分离，提升组织分辨能力；同时高压发生器与X线管的全新拓扑结构，以及绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的应用，使低管电压时图像信噪比得以明显提高。

作为新一代的架构（图1），光筛带来的技术创新包括一整套的光滤和光子筛，其中：① 通过标准光滤（线束硬化光滤）滤掉低能量光子；② 利用蝶形光滤（线束整形光滤）进一步去除扫描场外围的光子；③ 利用光子筛改变X线谱的平均强度。多年来，尽管高压发生器、X线管技术和探测器技术取得长足进步，线束滤过作为CT影像链的关键技术之一，却并未得到广泛的临床应用或改进。此外，由高压逆变单元新组件、X线管电路的新拓扑，以及第二代探测器集成化技术综合改进的影像链，使设备整体性能得以提升。

图1 光筛架构

3.1 材料的选择和位置

材料选择的依据：原子序数40≤Z≤83区间；② 非放射性、非挥发性；③ 可加工的单一元素中，锡（Sn）可成为附加光谱滤过装置的材料。

3.2 “光子筛”

由一定厚度的Sn制成可移动的、可选择的过滤器装置，其专门名称为“光子筛”。

3.3 位置和作用

在标准栅和蝶形光滤之外，光子筛过滤位于X线管的前端，通过光子筛将获得较窄的X线束光谱，大幅度减少射线束中低keV光子数量，从而获得较高的平均能量（图2）。

随着第一代双源CT的诞生，线束滤过是以这种新技术方法为基础而起步的，此后逐渐在临床应用研究中发现其能显著降低辐射剂量。在高对比度物体的穿透性和增强/非增强CT成像的独立扫描中的独特作用而得到不断改善。Sn 100 kV时，相同辐射剂量下的图像噪声始终低于120 kV标准X线图像的噪声（对于所有体模）。如果图像噪声恒定情况下，线束滤过技术有降低辐射剂量的可能性（图3）。

对于相同的辐射剂量但不同的X线光谱：① 120 kV；② Sn 100 kV ；③ Sn 150 kV。换言之，Sn 100 kV 与120 kV射线平均能量相同，但辐射剂量显著降低。

4 线束滤过的应用效果研究和前瞻

4.1 应用效果研究

在2019年第105届北美放射年会上，来自瑞典卡洛琳斯卡学院的Murkes教授展示了线束滤过在儿科影像检查的应用研究。Murkes教授及其团队曾对一组气道异物的儿童作线束滤过CT检查与传统放射学检查的回顾性比较研究。该研究总计评估分析136个检查案例，其中75例采用传统放射学检查（X线胸片/透视），其余病例则采用线束滤过CT检查，同时还比较了两者在诊断准确性和有效辐射剂量方面的差异。研究结果表明：气道异物线束滤过CT检查比传统放射学检查具有更低的辐射剂量，两者的中位数分别为0.04 mSv和0.1 mSv。在两种检查的敏感性与特异性方面，线束滤过CT为100%和98%，显示出远高于传统放射学检查的结果（33%和96%）。在两种检查的阳性和阴性预测值研究中，线束滤过CT的研究结果为90%和100%，也远高于传统放射学检查（60%和91%）。据此，Murkes教授及其团队得出结论：线束滤过CT在儿童影像检查中不仅可以有效降低辐射剂量，同时还能提高诊断的准确率。

4.2 展望

CT的光筛架构和线束滤过技术仍在不断完善中，虽然作为新一代技术架构，它具有显著的应用优势，但仍可以看到其在X线检测器方面还有改进的空间。同时，随着功能学CT影像和进一步探索低剂量CT，以及相关临床应用范围的不断扩展，将推动CT拓展新的技术使临床应用价值得到不断的创新。