CT低剂量技术的发展与临床应用张振 新疆医科大学附属肿瘤医院，新疆 乌鲁木齐 830000 [摘 要]如何在不影响图像质量的前提下降低CT对患者的辐射剂量是近年来医学影像学研究的重点。本文对近年来主流的CT机低剂量技术如迭代算法、自动管电流调节技术、双源CT技术的原理及应用进行了简介，并着重介绍了这些CT低剂量技术在肺部、心脏冠脉、腹部、头颅中的临床研究及应用，提出了对该技术未来发展方向的看法。 [关键词]电子计算机断层扫描；低剂量技术；辐射剂量；图像重建 CT机自1973年开始应用于临床，至今已有40余年历史。清晰的解剖学图像以及快捷的成像速度使得CT在常规体检、疾病筛查与诊断、手术方案制定及术后疗效评估等方面发挥着越来越重要的作用。因为CT成像的特性，使得其辐射剂量高于常规X射线检查。然而，已有不少文献显示X线辐射会增加罹患疾病的可能性，2007年发表在《新英格兰医学》杂志上的研究表明1.5%～2%的肿瘤可能是由于CT辐射所致[1]。例如，当成年人腹部检查有效剂量为10 mSv时，致癌风险就会增加1/2000[2]。因此，在保证CT图像质量的同时降低辐射剂量成为医学影像学界的研究热点。低剂量CT技术应运而生，成为CT发展的重要方向之一。 低剂量CT技术最早在1990年被纽约大学医学中心的Naidich等[3]提出并应用于肺部检查中，他们的实验证实：高质量的肺部图像在较低的剂量下也可获得。但由于当时CT软硬件技术的限制，其成像质量还无法完全满足临床诊断要求，而如今科学技术的高速发展为各种低剂量CT技术的实现奠定了基础。 1 主流CT低剂量技术影响X线辐射剂量的因素包括管电压、管电流、螺距、扫描长度和时间等。最初，降低CT辐射剂量仅靠简单地手动改变某些参数而实现。随着科学技术的发展，20世纪90年代初出现了各种曝光控制技术，2005年开始对CT关键部件进行重大技术革新，低剂量CT技术迎来了高速发展时期。近几年出现了以迭代重建技术为代表的新型低剂量CT技术。目前应用于临床的主流低剂量CT技术包括迭代算法（Iterative Reconstruction，IR）、自动管电流调节技术等。 1.1 迭代算法 IR和解析算法（Analytic Reconstruction，AR）是常用的CT图像重建算法。其中，在解析算法中以滤波反投影算法（Filtering Back Projection，FBP）为代表，其一直都被视为CT图像重建方法的金标准。但FBP抑制噪声效果差，在低剂量时重建的图像质量会明显下降。因此，FBP对CT的辐射剂量要求较高。而IR则可以有效地克服FBP算法的这一问题。 IR基本原理是：对于某个重建视角，首先在估计的物体图像上通过“前向投影”模拟一个综合投影，这是对沿着该视角的衰减的第一次估计，但存在比较大的误差[4]。这种估计尽可能地模拟真实CT系统中X射线光子穿过物体并到达探测器的过程，并通过将X射线光子的初始位置设置在一个小区域而非单独的点来模拟有限的焦点大小；在X射线光子和物体相互作用的建模过程中，通过计算光子在轻微不同方向和位置进入体素的路径长度来考虑重建像素的大小和尺寸（而不是一个假想的点）；采用相同的方式，探测器单元的大小和形状通过探测器响应函数来建模。将综合投影与探测器采集的实际测量值进行比较检验，两者之间的差异代表了当前估计需要校正的误差，并对当前估计得到的图像进行校正。再将校正后的图像带入模型进行下一次综合投影模拟，并对实际测量值再次进行检验和校正。如此反复，不断检验和修正图像信息，直到误差降到最低，当重建图像和原始投影数据一致时迭代就会终止，经过多次迭代和矫正更新就会重建出高质量和低噪声的图像。 黃瑞明等[5]的研究表明，使用热发光剂量计（Thermo Luminescent Dosimeters，TLD）与标准的拟人化假体来测量辐射剂量，以两种不同的影像重组技术进行CT检查，比较FBP与IR（iDOSE-3与iDOSE-5）对于器官辐射剂量的差异。研究结果显示iDOSE-3及iDOSE-5分别比FBP的辐射剂量降低了12.24%～38.35%及21.10%～44.36%，尤其在卵巢、膀胱与睾丸的辐射剂量有明显的下降。因此，CT使用IR可大幅降低患者的辐射剂量而仍维持影像质量。 事实上，IR技术很早就已应用于CT，在相同剂量条件下，应用IR算法图像质量明显优于FBP，但IR算法计算量大，因而所需的存储空间大、耗时长，在计算机技术还比较落后的时期，IR的应用和发展受到了限制。近年来，伴随计算机技术的快速发展，IR技术不断完善，存储空间的问题已得以解决。IR技术也已成为各大厂商共同的研究热点，纷纷推出各种IR软件，如GE公司的自适应统计迭代重建技术（ASIR）、基于模型的迭代重建算法（MBIR）；西门子公司的图像空间迭代重建技术（IRIS）、飞利浦公司的iDose-4和东芝公司的三维自适应迭代算法（AIDR 3D）等。 1.2 自动管电流调节技术 自动管电流调节（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）是基于人体解剖衰减特性的差异，根据射线的衰减变化而自动调整管电流，在X、Y平面或沿着扫描方向（Z轴方向）按照一定算法以最优化的方式控制管电流，从而降低不必要的投影方向的辐射剂量，或者预先设定一定标准的图像质量，以最小的辐射剂量达到成像目的。例如，胸部、骨盆的前后径明显小于左右径，其前后位的组织较薄，X射线衰减较少；而侧面较厚，X射线衰减较大。有研究表明用ATCM技术进行所有部位扫描，总体辐射剂量可减少29.4%，其中腹部辐射剂量可减少29.7%。2008年北美放射学年会上，有厂家推出了选择性屏蔽技术，这种技术能够在X线球管旋转到敏感器官，如眼睛、甲状腺、乳房的直接照射位置时关闭X射线，从而避免直接照射辐射敏感器官[6]。另一种ADS非对称屏蔽采集技术，可屏蔽Z轴扫描开始和结束阶段无效的X射线，其使用心脏前置滤线器（Cardiac Bowtie）对X射线过滤，合理分布X射线照射区域，在不增加图像噪声的情况下，减少心脏扫描的辐射剂量。 1.3 双源技术 2005年，西门子公司发布了业界首台双源CT。双源CT是在目前成熟的64层CT技术上，由两套球管和相对应的两组探测器构成的两套数据采集系统组成，即在原64层CT基础上增加1套数据采集系统，配有2个金属球管和对应的2个探测器系统，改变了常规一套球管和探测器的传统CT成像方式。 Flohr等[7]对双源CT的早期性能测试表明，双源CT扫描速度极快，显著提高了心脏冠脉检查的质量和成功率。此外，尽管双源CT使用了两套球管系统和两套探测器，但在心脏CT扫描中，其放射剂量却几乎只有常规CT的一半[8]。这是由于双源CT具备很高的时间分辨率，能够在一次心跳过程中采集心脏图像，从而使利用多扇区重建的大剂量扫描方法成为过去。另外，双源CT采用了依据心电图的适应性剂量控制，最大程度地降低了心脏快速运动阶段的放射剂量。但对于下肢肌腱的辐射剂量研究，有研究认为双源CT的离子辐射剂量明显高于单能CT[9]。 2 CT低剂量扫描技术的临床应用2.1 肺部扫描 胡荣慧等[10]的研究表明，20 mAs的低剂量螺旋CT扫描获得的图像质量与常规剂量扫描的差异较小，且患者所接受辐射剂量降低90%，认为20 mAs是肺部扫描的最佳剂量。邹利光等[11]的研究表明，利用螺旋CT低剂量扫描对肺容积、肺密度定量分析，发现60 mAs以上低剂量扫描图像质量均为优秀，能够满足肺容积和肺密度定量分析的需要。施穎銘等[12]认为，低剂量CT是新发展的肺癌筛查工具，它针对容易罹患肺癌的抽烟等高风险族群筛查，能使肺癌的死亡率降低20%，使得其他死因的死亡率降低7%。但筛检的过程中会衍生肺结节的肺癌假阳性过高、长期追踪的辐射暴露、过度诊断等问题。 2.2 心脏冠脉检查 随着CT技术的发展，CT的时间分辨率和空间分辨率大大提升，尤其是双源CT的诞生，使CT冠脉血管造影成为筛查冠心病首选的非创伤性检查方法。 黄定宇等将TLD布点于假体内，以国际辐射防护委员会报告所列出的辐射敏感器官作为假体布点的重点，测量16排、64排及256排CT对于心脏冠状动脉检查时的有效剂量。研究显示，16排、64排及256排MDCT对于甲状腺的吸收剂量分别为3.56、3.66、4.69 mGy，对于肺部等价剂量分别为49.75、58.72、58.84 mGy，对于心脏等价剂量分别为60.01、69.25、74.39 mGy，全身的等效剂量分别为21.48、26.89、24.83 mSv。未来，多层螺旋CT（MSCT）将会不断地朝向减低病人剂量、获得更好的影像质量的方向发展，以获得最佳的诊断效果。Moscariello等[13]的研究发现在CT冠脉检查中降低50%的剂量，采用SAFIRE重建的图像比采用传统FBP重建的图像具有更低的噪声和略高的图像质量，有效剂量降低约40%。Husman等[14]的研究表明，前瞻性心电门控技术与常规回顾性门控扫描相比辐射剂量可以降低80%，且图像质量同样能够满足临床诊断的要求。 2.3 腹部检查 腹部是肿瘤好发的部位，临床上经常使用腹部的多期扫描作为腹部疾病确诊及随访的常规检查手段，患者所接受的辐射剂量较高。由于腹部和盆腔脏器间密度差较小，组织自然对比不明显，传统CT腹部扫描中需要使用较高的剂量来保证图像质量，但通过使用CARE kV技术和SAFIRE重建技术，可以显著降低腹部的扫描剂量。Schabel等[15]将SAFIRE重建技术运用到腹部血管增强扫描中，结果发现在不降低图像质量的前提下减少了50%的辐射剂量。 2.4 头颅检查 头颅CT检查在所有CT检查中占比较高，因为其对新鲜脑出血敏感性高。在扫描剂量方面，由于成人颅骨密度高，而颅脑中灰质和白质间的自然对比低，为了保证成像质量，传统扫描剂量都比较高，因此低剂量技术在婴幼儿中应用较多。但在一些低剂量技术出现后，头颅扫描剂量也能够被降低。钟志勇等[16]采用CARE Dose4D技术对100例常规头颅行CT检查的研究表明，CARE Dose4D技术可以明显减少对患者辐射剂量，并且图像质量可以满足临床诊断要求。陈永芊等[17]对行头颅CT平扫的361例健康体检者的研究表明，常规剂量扫描方式和头部低剂量扫描方式的颅脑疾病检出率比较，差异无统计学意义，低剂量扫描方式受照放射剂量（容积CT剂量指数、剂量长度乘积）较常规剂量扫描方式低25%。 3 结语CT成像系统的很多环节都存在着降低辐射剂量的技术提升空间，例如：宽探测器的应用、探测器材质的更新换代、大pitch加快扫描速度及迭代重建算法的演变等。随着医疗技术的不断发展，新的低剂量CT技术还会不断涌现。低剂量CT成像是复杂、系统的技术革新过程，对医务工作者来说，熟悉和掌握各种低剂量CT技术是顺利完成低剂量扫描的前提。 [参考文献] [1]Brenner DJ,Hall EJ.Computed tomography-an increasing source of radiation exposure[J].N Engl J Med,2007,357(22):2277-2284. 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Development and Clinical Application of Low Dose Computed Tomography Technology Abstract：Decreasing CT radiation dose without affecting image quality is an important direction for research of medical imaging in recent years. This paper introduced the principle and application of mainstream CT low dose technologies in recent years,such as iterative algorithm,automatic tube current adjusting technology,dual source CT technology,and emphatically detailed the clinical research and application of low dose CT technology in lung,heart coronary artery,abdomen and head. It also put forward views of the future development direction of the technology. Key words：computerized tomography machine;low dose technology;radiation dose;image reconstruction ZHANG Zhen [中图分类号]TH774 [文献识别码]A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.022 [文章编号]1674-1633(2016)09-0087-03 收稿日期：2016-03-07 |