CT低劑量技術的發展

何偉，張暉，汪纓

南京醫科大學第一附屬醫院 臨床醫學工程處， 江蘇 南京 210029

計算機斷層掃描（Computed Tomography）是利用計算機技術，對被測物體的斷層掃描圖像進行重建的掃描方式。該掃描方式利用單一軸面的射線穿透被測物體，根據被測物體各部分對射線的吸收率與透過率不同，通過計算機采集透過射線并進行三維重建成像。自1972年EMI公司工程師豪斯菲爾德研制出世界上第一臺CT至今，CT檢查在全球范圍內迅速展開，各大公司也相繼研發出具有劃時代意義的CT，檢查范圍幾乎包含了人體的所有組織，成為了臨床診斷中不可缺少的一部分[1]。但是CT檢查頻率的增加，使得輻射風險加大，因此醫療檢查中的輻射危害越來越受到醫護人員及大眾群體的關注。本文對近年來最新的一些可降低輻射劑量的新技術進行綜述，報道如下。

1 低劑量技術的發展現狀

隨著科學技術的進步，CT技術在近十幾年飛速發展。早期的CT由于硬件及軟件技術的限制，其主要問題是如何提高掃描速度及進行全身掃描。后來滑環技術的應用使CT檢查有了質的飛躍，檢查時間的縮短使患者全身斷層成像的輻射劑量大大降低，探測器排數增加到16排后，臨床開始嘗試冠狀動脈CT成像[2]。2005年第一臺雙源CT的問世引領放射影像學進入低劑量成像時代。現今西門子第三代雙源CT FORCE即將投入臨床，其搭配最新的迭代重建算法及更穩定的系統軟件平臺，集先進的光子探測器及零兆球管為一體，將會為臨床提供更快、更準、更安全的診斷手段。如今，低劑量成像技術的應用大幅降低了患者的輻射劑量，拓寬了CT的臨床應用，低劑量成像已是影像學科的熱門研究之一。

2 低劑量技術的應用現狀

目前應用于臨床的低劑量技術主要有心電門控技術、智能kV掃描、圖像重建算法、探測器、適形濾過器、敏感器官射線防護等，且這些低劑量技術的應用價值已經得到了充分的肯定。

2.1 心電門控掃描技術

在心臟CT檢查中，由于臟器的運動容易導致偽影，使得圖像的分辨率及診斷準確率降低。為了獲得更高質量的心臟影像，一般采用心電門控來進行有效影像的篩選。目前常用的心電門控技術有兩種，一種是回顧性心電門控（圖1），另一種是前瞻性心電門控（圖2）。理想的心臟成像時機最好是在心動周期的舒張期，而心率越快，舒張期越短。心臟門控掃描程序通過實時的心電圖門控觸發，心電圖脈沖劑量調控技術對心率的任何變化都會作出相應的調節[3]，心率較快時，會結合自動的進床速度來調節，如增加掃描螺距、加快進床速度、減少曝光時間。也就是說，心率越高，心臟成像所需時間越短，所需的劑量也就越少。回顧性心電門控是目前較普遍的一種掃描技術，首先采集所有心電時相上的數據，再將9~10個心動周期特定時相（舒張期）采集到的數據進行圖像重建，具有曝光量大、采集時間長等特點，適用于心率不齊、早搏、心率較快（>80次/min）的患者[4]。而最新的前瞻性心電門控只采集7~8個心動周期的特定時相，即只在心臟舒張期觸發掃描，然后對其中某個特定時相進行重建，去除了大量的冗余數據，相比前者平均有效輻射劑量可減少70%。但前瞻性心電門控只適用于心律平穩（60次/min）的患者，對心率控制和穩定性要求較高，通常不能再進行后期的數據篩選[5]。故在檢查患者心臟時，需根據病人心律情況選擇合適的門控方式，從而避免因圖像質量差導致的重復掃描。

圖1 回顧性心電門控

圖2 前瞻性心電門控

2.2 智能kV掃描

由于人體形狀不規則，因此各部位對射線的穿透衰減程度不同。而CARE DOSE 4D技術（圖3）可根據病人的體型實時調整管電流，對每個角度不同位置的管電流進行優化，從而可將輻射劑量降低至68%。眾所周知，管電壓和輻射劑量呈指數關系，管電壓對降低劑量的影響遠大于管電流。CARE kV是CARE DOSE 4D的升級版，CARE kV可根據各部位對射線的衰減程度確定合適的管電壓。目前常用5個檔的管電壓，分別是70、80、100、120、140 kV，見圖4。在不使用CARE kV的情況下，120 kV檔使用率較高，在使用CARE kV后，120 kV檔使用率明顯降低，100 kV及80 kV檔的使用率增加，而同一部位使用100 kV的輻射劑量會比使用120 kV降低60%。

圖3 成人及兒童的CARE DOSE 4D技術

圖4 不帶CARE kV和帶有 CARE kV 的管電壓檔使用率

這里需要指出，管電壓越低時碘的CT值越高，管電壓越高時CT值反而越低，相同濃度的碘劑在圖像質量上100 kV比120 kV更亮。Schueller-Weidekamm等[6]的研究結果顯示，在相同的對比劑總量和注射速率下，相比常規管電壓，低管電壓不僅能顯著降低輻射劑量，而且二者的圖像質量無明顯差異。在做CT血管造影時，可以用更低的管電壓配合低濃度的造影劑，得到與120 kV檔相當甚至還要更高的CT值[7]。

另外，兒童對射線的敏感度要高于成人，使用低kV掃描能大幅降低不必要的輻射劑量。最新的CARE CHILD是只針對兒童的超低kV技術，可提供70 kV超低劑量和超高對比度掃描，優化對比度噪聲比。在常規臨床檢查過程中，可根據病人的年齡、體重智能地選擇合適的掃描方案，遵循放射防護最優化原則（As Low As Reasonably Achievable，ALARA），以兼顧劑量與圖像質量[8]。

2.3 圖像重建算法

濾波反投影算法（Filter Back Projection，FBP）和加權濾波反投影算法是目前最常用的CT重建技術。圖像空間迭代重建算法（Iterative Reconstruction in Image Space，IRIS）很早就有了，但是由于當時計算機硬件條件受限，故未能廣泛應用[9]。與FBP相比，IRIS可顯著降低圖像噪聲，提高圖像信噪比和對比噪聲。IRIS本身不能降低輻射劑量，但可提高圖像質量，這就意味著可以用更低的輻射劑量去掃描，然后得到與全劑量FBP圖像質量相當的圖像（圖5~6），在圖像質量與全劑量FBP圖像無顯著差異的情況下，IRIS能減少約40%的輻射劑量，這使得CT灌注成像成為可能。基于FBP算法重建的冠脈圖像上會有比較重的容積偽影，圖像上的鈣化斑塊會明顯大于實際尺寸。冠脈本身很細，若有偽影會導致對管腔狹窄的過評估或假陽性。而IRIS可以明顯地減輕射線硬化帶來的偽影。FBP每秒重建約60幅圖像，IRIS每秒重建15~20幅圖像，IRIS以及最新的原始數據迭代重建（Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction，SAFIRE）都比FBP更消耗計算機資源，但隨著計算機技術的飛速發展，更快更新的計算機會逐漸取代現有計算機，使得計算機資源消耗不再是困難[10-13]。

圖5 采用FBP重建的全劑量圖像

圖6 采用IRIS重建的60%劑量圖像

2.4 探測器

探測器是數據采集部分的一個重要組件，它是一種將X線轉換為電信號的裝置，電信號的大小與接收到的輻射劑量成正比。第一代氣體探測器由惰性氣體和氣體電離室構成，通過測量電離室電流的大小來檢測入射X線的輻射強度，但因其檢測效率低，需要高mAs來獲得強信號等缺點，早已被淘汰。目前使用最廣泛的是固體探測器，固體探測器分為閃爍晶體探測器和稀土陶瓷探測器，其原理均是將X線能量轉換為可見熒光，再經過光電倍增管或光電二極管轉換成模擬信號，最后通過A/D轉換為數字信號進行后處理。二者所不同的是稀土陶瓷探測器使用含有稀有金屬的透明光學陶瓷來替代閃爍晶體，故與閃爍晶體探測器相比，其轉換效率高、余暉小、穩定性好。

探測器在轉換信號的過程中增加了電子噪聲，同時帶來了更多的信號損耗。近幾年，西門子公司推出了最新的Stellar光子探測器。采用先進TSV光導及光子技術的Stellar探測器可將功能部件直接整合為單一晶片，去除常規探測器中的芯片和復雜電子線路板。這樣不僅克服了電子元器件的噪聲，也減少了電路與導線阻耗產生的熱噪聲，減少了信號在采集和傳遞過程中的相互串擾。CT的動態范圍（Dynamic Range）越高，表示成像系統分辨信號強弱的能力越強，Stellar光子探測器采用HiDynamic技術，將動態范圍擴展到120 dB，比常規探測器提高了200%，這就意味著微小信號的分辨率將顯著提高，同時高信號不會飽和失真，可使圖像質量得到大幅提升與改善。Stellar光子探測器的臨床應用充分發揮了能量CT的優勢，大幅提高了低kV成像質量，更有利于綠色CT概念的普及和發展[14-16]。

2.5 適形濾過器

人體橫斷面多為橢圓，由于射線硬化效應，X射線的衰減中間大于兩邊，CT機發出的X射線是一個光譜射線，而臨床上需要的是某一特定能級的射線。濾過器位于X射線源與受檢者之間，可吸收非特定能級的其他射線，同時針對性地減少位于人體外周的散射線，大幅降低對人體的輻射劑量。目前各大公司都已推出各型號濾過器，因為大部分人的心臟偏左，故這種濾過器是在常規領結形濾過器的基礎上改進的心臟專用馬鞍形濾過器，能有效降低心臟圖像的射線硬化效應，再配合雙源技術，使得心臟檢查輻射劑量更小，圖像質量更好，CT的檢查也更加的人性化。

2.6 敏感器官射線防護

嚴格控制各類掃描參數可明顯降低輻射劑量，但在掃描過程中，對組織權重因子高的敏感器官（如腺體、紅骨髓以及晶狀體）的防護也是非常有必要的。現在通常用鉛圍裙、鉛圍脖覆蓋的方式來對敏感器官進行防護。目前最新的技術是選擇性曝光射線屏蔽技術，當球管正對某些敏感器官時會停止曝光，而在其他位置則正常采集數據，然后利用采集到的部分數據進行圖像重建。

3 展望

CT低劑量技術的快速發展，給臨床帶來了極大的好處，各大公司也在持續改進和開發一些更新更好的產品。在我國，具有先進低劑量技術的高端CT多數集中在三甲醫院，而在一些縣級或是鄉鎮醫院中裝備的多是技術較落后的CT，甚至是淘汰多年的二手CT，加上操作人員低劑量意識不強且一味地追求圖像質量，從而無法降低患者輻射劑量。現今，國內大部分患者初次接受CT檢查基本是在基層醫院，省級以上三甲醫院很多是在基層醫院檢查的基礎上進行診斷或是因檢查結果不明而進行CT復查，這又間接導致了患者輻射劑量的加大。機器落后、操作人員意識不強、CT的重復檢查及檢查方案的不合理，是導致患者輻射劑量較高的主要原因。實際檢查中如何充分利用低劑量技術，降低患者的輻射劑量，是影像科醫生和操作人員面臨的一個巨大挑戰。影像工作者需在提高自身低劑量意識的同時結合先進的影像設備，根據患者的胖瘦、年齡及掃描部位，選擇合適的管電壓和管電流，制定出符合ALARA原則的低劑量掃描方案，以更好地貫徹低劑量思想和拓展CT低劑量應用。

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