CT技術發展進入低劑量成像時代

石明國

第四軍醫大學附屬西京醫院 放射科，陜西 西安 710032

CT技術發展進入低劑量成像時代

石明國

第四軍醫大學附屬西京醫院 放射科，陜西 西安 710032

本文回顧了CT技術的發展過程和當前水平，認為CT技術的發展已經步入了低劑量成像時代。并提出在應用CT低劑量技術的時侯應遵守ALARA（As Low As Reassenable Achievable）原則。由于當前CT低劑量技術種類繁多，本文在舉例歸納說明的同時，認為放射科醫生應該樹立良好的學習意識以更好地掌握和使用CT低劑量技術。

X射線；CT低劑量技術；ALARA原則

CT技術發展進入低劑量成像時代。回顧CT技術的發展過程可以發現，基于CT各個發展時期的軟硬件技術水平，臨床醫學對CT提出的主要需求是不同的，而解決這些主要的需求是CT技術發展最主要的驅動力。在CT的問世初期，不斷提高圖像質量、實現全身性應用和提高掃描速度是CT技術發展面臨的主要問題。到了16層螺旋CT問世后，臨床的主要需求則轉變為如何使得冠狀動脈CT成像技術能夠更加普遍性地應用，如是否可以實現不控制心率的冠狀動脈CT成像。2005年，雙源CT問世后，臨床對CT的主要需求則逐漸變化為如何能夠實現低劑量成像技術的普遍應用。尤其是在最近2年，對CT低劑量成像技術的研究和討論已經成為當代CT兩大研究熱門技術之一（另一研究熱門技術是CT能量成像技術）。之所以這樣，其主要原因有3條：首先是對CT的應用需求已經幾乎涵蓋了所有的臨床學科；其次是CT在各級醫療機構已經普遍地被使用，廣大醫務人員及受檢者對CT設備非常熟悉；最后是CT檢查的人數雖然只占到全部X線影像學檢查人數的2%，但是射線劑量卻占到了全部受檢人群接受的輻射劑量總量的20%或更高。相關研究認為，即使是醫用的低劑量電離輻射（0～100mSv）也會對人類的健康造成威脅，增加放射相關疾病的發生率。而接受的輻射劑量越高，則導致的風險越大。尤其是對于婦女和兒童等敏感人群而言，射線劑量的增加導致罹患放射相關疾病的風險的增加[1]。這里需要特別提到的是，2011年3月，日本“福島核電站核泄露事故”不但提高了全球廣大民眾對放射線的認識，更促使放射科醫生更多地認識和關注X線。

毫無疑問，僅從劑量角度考慮，CT低劑量成像技術發展的目的是盡可能降低X射線劑量。每人每年所接受的自然背景輻射劑量平均為2～5mSv。那么 ，CT的所有檢查是否都可以低于這個水平呢？再從CT應用的角度來看，CT技術的發展以滿足臨床需求作為其唯一目的，為滿足這個目的，一個核心要求就是CT的圖像質量要越來越好，能夠表達出足夠多的信息以明確疾病的臨床診斷。因此，根據不同的臨床診斷需要，實現更高的密度分辨率、空間分辨率及時間分辨率等評估指標一直是CT技術發展的方向之一。但是，在影響CT圖像質量的眾多因素中，X線的劑量毫無疑問是影響權重最大的因素。一般性而言，劑量越高，CT的圖像質量越好；劑量越低，則CT圖像質量越差。因此，如何綜合考慮X線劑量和圖像質量兩者之間的關系，是正確使用和研究CT低劑量技術的前提。對此，目前在放射學界取得較為一致認可的共識是，CT低劑量技術的使用和研究要遵循ALARA（As low As Reasonably Achievable，ALARA）最優化原則，即在保證獲取良好CT圖像質量（滿足臨床診斷的需求）的同時，盡可能合理地降低受檢者的檢查劑量[2]。

要在臨床工作實踐中踐行ALARA原則，最核心的要求就是，要實現對受檢者檢查劑量的個性化設定和掃描，從而可以最大程度地降低整個受檢人群的檢查劑量。由此，對放射科醫生提出了多方面的要求。首先要熟悉CT的X射線劑量測量方面的相關基本概念和知識；其次則要學習和熟悉不斷推出的、數量眾多的CT低劑量技術，能夠在臨床日常工作過程中對CT低劑量技術進行靈活正確地選擇和使用；最后能夠針對不同的受檢者條件和臨床檢查目的，綜合CT的軟硬件技術，全面地制定個性化的、符合ALARA原則的掃描方案。上述3點要求中前2點是基礎，第3點是手段，其最終目的是要實現對受檢者的檢查符合ALARA原則、個性化低劑量的CT掃描。以下就上述這3個方面要求分別進行闡述。

1 掌握測量的基本知識

放射科醫生要想做到符合ALARA原則的放射檢查劑量的個性化設定，首先就需要熟悉有關CT的X射線劑量測量的基本概念和知識。在關于CT的X線劑量的基本概念和知識中，最重要的是要明確認識X線劑量大小的評估參數。X線劑量大小的評估參數很多，如mAs、surface dose、HVL、mGy、mSv、CTDI （CTDI100/ CTDIFDA/ CTDIw/ CTDIvol）、DLP、Patient dose、Organ Dose及Effective Patient Dose等。但對使用CT的醫生來說，最重要的是要熟悉。之所以這樣說，是因為：① 由于CT常規采用高千伏掃描，X線的質屬于硬射線，與人體作用時主要是康普頓效應占主導地位，kV的變化對康普頓效應所占比例影響不大；②與此同時，CT的X線球管一般采用多重、多種射線濾過技術，導致管電流的mA值和實際的機架中心處的射線劑量不呈線性關系；③ 在相同的kV和mA設定條件下， 不同采集技術的使用會導致射線劑量非常之大的差別，如螺旋和序列掃描技術。所以在CT檢查過程中，即使采用較高的kV值和較大的mA值，有時也會導致較小的射線劑量產生；反之，即使有時采用較小的kV和mA設置，可能也會導致相對較高的檢查劑量。所以kV和mA值不能夠較為準確地表達CT檢查對受檢者產生射線劑量的大小。以Flash 模式為例，Flash掃描模式在胸痛三聯癥檢查和常規胸部檢查的，kV和mAs的設定分別是120kV和372mAs、120kV和130mAs時，雖然前者的mAs是后者的2.9倍，但是前者在機架中心處的實際X線劑量只有6.43mGy，而后者胸部常規檢查是7.26mGy，前者的射線量要低于后者。而CTDIvol、DLP和mSv 3個參數是獨立用于評估CT輻射劑量大小的參數。CTDIvol是采用國際統一標準和設備，在特定的掃描條件和掃描方式設定下，自機架中心處測得的實際發出的X線輻射劑量；而DLP則是CTDIvol和受檢者接受的X線掃描長度的乘積，即考慮了受檢者接受的X線輻射長度；mSv則是DLP和轉換系數的乘積，用于表達受檢者接受到的具有生物學損傷意義的X射線劑量的大小。這3個參數的測量和定義，國際上已經制定了明確的公式和限制條件，見下列公式[3]。

式中K值，見圖1。

以1例胸部檢查患者為例，如果在某個特定掃描條件下，其所接受的CTDIvol是3.47mGy，DLP是104mGycm，轉換系數是0.014，那么患者接受的具有生物學損傷意義的檢查劑量是1.456mSv。而根據國際放射防護委員會1990年發布的60號文件規定，放射工作者1年內接受的輻射的劑量限值是50mSv，同時連續3年內平均不高于20mSv；公眾個人的限值是1年1mSv，當連續5年平均劑量不超過1mSv時，允許某年高于1mSv。由此，我們對CT檢查的劑量就有了明確的印象和概念。

圖1 轉換因子k值

2 熟悉和掌握各種低劑量技術是制定符合ALARA原則的個性化低劑量掃描方案的前提

目前，全球幾個主要的CT生產商都陸續推出了低劑量技術，覆蓋了CT檢查掃描的環節、圖像重建環節和圖像處理環節等整個CT影像鏈。這里要說明的是，在圖像重建環節和圖像處理環節使用的CT低劑量技術是在不影響診斷準確度的前提下，提高對低信噪比圖像質量的容忍度，從而可以使得在掃描環節進一步降低X線的輻射劑量。如在掃描環節，GE、Philips、Siemens和Toshiba都推出了自動毫安調節技術，其中，Siemens還推出了業界唯一的自動kV調節技術——智能最佳kV掃描技術。在圖像重建環節，GE、Philips、Siemens 和Toshiba都分別推出了基于硬件水平提升的迭代算法ASiR、iDose4、SAFIRE和AIDR，其中，SAFIRE與一般的基于圖像空間的迭代算法不同，也是目前唯一的基于原始數據空間的CT迭代算法[4]。在圖像處理環節上述4大廠商又都推出了2D或3D的降噪技術。考慮到目前在上述4大廠家中，西門子的CT低劑量技術推出最早、種類多，所以下文以西門子CT為例，簡單概括介紹眾多的CT低劑量技術是如何實現在上述3個環節中的應用的。

在掃描環節中，西門子的智能最佳kV掃描技術，即CARE kV技術可以根據受檢者的體型和檢查目的，同時實現kV的自動選擇和mA的自動選擇，還可以實現曝光角度的自動選擇。該技術根據受檢者的體型和檢查類型，可以在70～140kV范圍內自動選擇合適的管電壓[5-8]，可以在降低50%輻射劑量的同時，增加及增強檢查圖像的對比度，從而提高圖像的質量。其在實現了降低掃描劑量的同時，也提高了圖像質量（圖2）。

圖2 智能最佳kV掃描技術在自動降低掃描劑量的同時，提高了圖像質量，實現最優的圖像質量和最低的劑量

這里需要特別提到的是，智能最佳kV掃描技術所能使用的70kV管電壓，其不但可以獲取前所未有的超高對比度CT圖像，更可以同時實現超低的輻射劑量。70kV的超高對比度掃描技術特別適合于兒童的CT檢查。掃描環節使用的SPS（Selective Photon Shield）技術是保證CT能量成像技術常規使用的必要技術。SPS技術的使用使得高低千伏能譜之間的平均能量值的差值變大，在降低無效輻射劑量的同時，提高了被掃描物體在二維能量空間的能量差異性[9-11]。SPS技術的使用使得CT能量成像的劑量低于常規單源CT，同時，使得被掃描物質的可被識別能力提高80%（圖3）。

圖3 SPS技術保證了CT能量成像技術常規使用的必要技術

在掃描過程中，使用X-CARE技術可以在實現受檢者檢查劑量最優的同時，選擇性地保護好敏感器官，以避免對敏感器官的直接照射，如避免對晶狀體、甲狀腺和乳腺的直接照射。X-CARE可以在其他成像條件保持不變的同時，減少40%的輻射劑量（圖4）。

圖4 X－CARE可以在其他成像條件保持不變的同時減少40%的輻射劑量

在圖像重建環節，西門子推出的SAFIRE算法（Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction ，SAFIRE）是一種基于原始數據空間的CT圖像迭代重建算法（圖5），其與傳統的基于圖像空間進行迭代重建的算法相比，SAFIRE可以使得72%的CT檢查劑量低于2.4mSv，同時，能夠更有效地去除圖像偽影，提高圖像質量。

圖5 SAFIRE算法是基于原始數據空間的CT圖像迭代重建算法

在CT圖像的處理環節，西門子推出的4D降噪技術，可以使得在掃描環節的劑量在原有水平基礎上進一步降低的同時，保證灌注分析的圖像質量和結果準確性不受影響。

3 制定出個性化的、符合ALARA原則的低劑量掃描方案

在熟悉掌握了有關CT劑量測量的基本知識和眾多的CT低劑量技術后，就要求放射科醫生能夠針對不同的受檢者條件和檢查的臨床目的，結合所使用的CT的軟硬件技術特點，制定出個性化的、符合ALARA原則的低劑量掃描方案。這對放射科醫生的業務能力提出了較高的要求。如1個簡單的CT胸腹聯合增強掃描，是采用不同曝光條件分別胸腹掃描，還是采用單一曝光條件一次性完整掃描，如采用單一曝光條件是采用胸部曝光條件，還是采用腹部曝光條件；是采用常規體部掃描方案，還是采用體部CTA掃描方案；是采用常規濾波反投影算法，還是采用迭代算法；患者是否能夠屏氣；患者體型是胖還是瘦，是均勻肥胖還是向心性肥胖；CT圖像是否需要后處理等。以上眾多因素都會直接或間接的影響到最終的檢查劑量的多少。這就要求放射科醫生能夠根據受檢者的個體情況、基本臨床資料、檢查目的及結合所使用CT的基本性能水平等作出綜合全面的判斷，從而制定出最優的個性化掃描方案。可以說，放射科醫生對CT低劑量技術掌握的水平高低決定了在醫療機構中整個CT檢查受檢人群所接受的輻射劑量水平的高低。

4 小結

回顧過去，自2005年標志著CT技術的發展步入了低劑量成像時代雙源CT問世，低劑量技術的研究和應用受到了越來越多的重視。到現在為止，雖然只有6年的時間，但如果根據CT低劑量技術發展的理念變化來區分的話，CT低劑量技術的發展過程已經可以分為3個階段。第1個階段是降低劑量，增加噪聲，降低了圖像質量，就是簡單的降低掃描劑量。第2個階段是降低劑量，降低噪聲，保持圖像質量不變，這時的CT低劑量技術代表是迭代算法的出現。第3個階段是降低劑量，增加對比度，提高圖像質量。以上3個階段的劃分不但標志著CT低劑量技術發展的突飛猛進，更代表著人們對CT低劑量技術認識的不斷深化和提高的過程。

目前，隨著CT技術的不斷發展，新的CT低劑量技術還在持續不斷出現。如何能夠最大程度地使用好這些低劑量成像技術，對影像科醫生而言是一個巨大挑戰。文本再次強調，在應對這個挑戰的過程中，放射科醫生應該樹立良好的工作學習習慣，樹立終身學習的意識，認識到只有不斷的學習和實踐，才能夠掌握最新的CT技術，從而更好地服務于廣大患者。而在這個過程中，加深了解和掌握先進CT技術的生產商的新設備、新技術，各種成像技術間的良好溝通交流及互動是十分必要的。

[1] Slovis TL.CT and computed radiography: the pictures are great, but is the radiation dose greater than required?[J].Am J Roentgenol,2002,179(1):39-41.

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

[3] American Association of Physicists in Medicine (AAPM) Report 96. The Measurement, Reporting, and Management of Radiation Dose in CT[M]. New York: AAPM, 2008.

[4] Moscariello A,Takx RA,Schoepf UJ,et al.Coronary CT angiography: image quality,diagnostic accuracy,and potential for radiation dose reduction using a novel iterative image reconstruction technique-comparison with traditional filtered back projection[J].Eur Radiol,2011,21(10):2130-2138.

[5] 付傳明,徐官珍,陳倫剛,等.低劑量對比劑在64排螺旋CT主動脈成像中的探討[J].中國體視學與圖像分析,2011,16(1): 96-102.

[6] Yu L,Li H,Fletcher JG,et al.Automatic selection of tube potential for radiation dose reduction in CT: a general strategy[J]. Med Phys,2010,37(1):234-243.

[7] Kalender WA,Deak P,Kellermeier M,et al.Application- and patient size-dependent optimization of x-ray spectra for CT[J]. Med Phys,2009,36(3):993-1007.

[8] Winklehner A,Goetti R,Baumueller S,et al.Automated attenuation-based tube potential selection for thoracoabdominal computed tomography angiography:improved dose effectiveness[J].Invest Radiol,2011,46(12):767-773.

[9] 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.

[10] Schenzle JC,Sommer WH,Neumaier K,et al.Dual energy CT of the chest: how about the dose?[J].Invest Radiol,2010,45(6):347-353.

[11] Stolzmann P,Leschka S,Scheffel H,et al.Characterization of Urinary stones with dual-energy CT: improved differentiation using a tin filter[J].Invest Radiol,2010;45(1):1-6.

[12] 戴婭楠,于鐵鏈,蘇大同,等.增加噪聲模擬低劑量胸部CT掃描的研究[J].天津醫科大學學報,2010,16(2):329-332.

[13] 周小兵,王德杭.CT低劑量掃描的探討[J].中國醫學裝備, 2011,8(7):36-38.

[14] 黃云海,田璐,魯書琴,等.眼眶面顱骨低劑量螺旋CT掃描技術臨床應用價值的研究[J].現代醫用影像學,2009,18(4): 193-197.

[15] 黃愛苓,賈彬,劉娟,等.多層螺旋CT膝關節低劑量掃描對影像質量的影響[J].醫學影像學雜志,2010,21(10):1511-1513.

CT Entering Low Dose Imaging Times

SHI Ming-guo
Radiology Department, Xi jing Hosipital, Fourth Military Medical University, Xi'an Shaanxi 710032,China

This paper retrospects the level of CT technologies. CT technologies enter low dose imaging times based on CT developing history and current CT situations. ALARA principle is key standard for doctors using CT low dose technologies in routine clinical works. There are a lot of CT low dose imaging technologies, and how to grasp and use the technologies is a big challenge for radiological doctors. The author surgests doctors should have a very good continous study consciousness for the sake of grasping CT low dose imaging technologies.

X-ray; CT low dose technology; ALARA principle

R814.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.01.012

1674-1633(2012)01-0039-04

2011-11-27

作者郵箱：smg2002@163.com