CT低劑量技術(shù)的發(fā)展與臨床應(yīng)用

張振

新疆醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，新疆 烏魯木齊 830000

CT低劑量技術(shù)的發(fā)展與臨床應(yīng)用

張振

新疆醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，新疆 烏魯木齊 830000

如何在不影響圖像質(zhì)量的前提下降低CT對患者的輻射劑量是近年來醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究的重點。本文對近年來主流的CT機低劑量技術(shù)如迭代算法、自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)、雙源CT技術(shù)的原理及應(yīng)用進(jìn)行了簡介，并著重介紹了這些CT低劑量技術(shù)在肺部、心臟冠脈、腹部、頭顱中的臨床研究及應(yīng)用，提出了對該技術(shù)未來發(fā)展方向的看法。

電子計算機斷層掃描；低劑量技術(shù)；輻射劑量；圖像重建

CT機自1973年開始應(yīng)用于臨床，至今已有40余年歷史。清晰的解剖學(xué)圖像以及快捷的成像速度使得CT在常規(guī)體檢、疾病篩查與診斷、手術(shù)方案制定及術(shù)后療效評估等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。因為CT成像的特性，使得其輻射劑量高于常規(guī)X射線檢查。然而，已有不少文獻(xiàn)顯示X線輻射會增加罹患疾病的可能性，2007年發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)學(xué)》雜志上的研究表明1.5%～2%的腫瘤可能是由于CT輻射所致[1]。例如，當(dāng)成年人腹部檢查有效劑量為10 mSv時，致癌風(fēng)險就會增加1/2000[2]。因此，在保證CT圖像質(zhì)量的同時降低輻射劑量成為醫(yī)學(xué)影像學(xué)界的研究熱點。低劑量CT技術(shù)應(yīng)運而生，成為CT發(fā)展的重要方向之一。

低劑量CT技術(shù)最早在1990年被紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的Naidich等[3]提出并應(yīng)用于肺部檢查中，他們的實驗證實：高質(zhì)量的肺部圖像在較低的劑量下也可獲得。但由于當(dāng)時CT軟硬件技術(shù)的限制，其成像質(zhì)量還無法完全滿足臨床診斷要求，而如今科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展為各種低劑量CT技術(shù)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 主流CT低劑量技術(shù)

影響X線輻射劑量的因素包括管電壓、管電流、螺距、掃描長度和時間等。最初，降低CT輻射劑量僅靠簡單地手動改變某些參數(shù)而實現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)了各種曝光控制技術(shù)，2005年開始對CT關(guān)鍵部件進(jìn)行重大技術(shù)革新，低劑量CT技術(shù)迎來了高速發(fā)展時期。近幾年出現(xiàn)了以迭代重建技術(shù)為代表的新型低劑量CT技術(shù)。目前應(yīng)用于臨床的主流低劑量CT技術(shù)包括迭代算法（Iterative Reconstruction，IR）、自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)等。

1.1 迭代算法

IR和解析算法（Analytic Reconstruction，AR）是常用的CT圖像重建算法。其中，在解析算法中以濾波反投影算法（Filtering Back Projection，F(xiàn)BP）為代表，其一直都被視為CT圖像重建方法的金標(biāo)準(zhǔn)。但FBP抑制噪聲效果差，在低劑量時重建的圖像質(zhì)量會明顯下降。因此，F(xiàn)BP對CT的輻射劑量要求較高。而IR則可以有效地克服FBP算法的這一問題。

IR基本原理是：對于某個重建視角，首先在估計的物體圖像上通過“前向投影”模擬一個綜合投影，這是對沿著該視角的衰減的第一次估計，但存在比較大的誤差[4]。這種估計盡可能地模擬真實CT系統(tǒng)中X射線光子穿過物體并到達(dá)探測器的過程，并通過將X射線光子的初始位置設(shè)置在一個小區(qū)域而非單獨的點來模擬有限的焦點大??；在X射線光子和物體相互作用的建模過程中，通過計算光子在輕微不同方向和位置進(jìn)入體素的路徑長度來考慮重建像素的大小和尺寸（而不是一個假想的點）；采用相同的方式，探測器單元的大小和形狀通過探測器響應(yīng)函數(shù)來建模。將綜合投影與探測器采集的實際測量值進(jìn)行比較檢驗，兩者之間的差異代表了當(dāng)前估計需要校正的誤差，并對當(dāng)前估計得到的圖像進(jìn)行校正。再將校正后的圖像帶入模型進(jìn)行下一次綜合投影模擬，并對實際測量值再次進(jìn)行檢驗和校正。如此反復(fù)，不斷檢驗和修正圖像信息，直到誤差降到最低，當(dāng)重建圖像和原始投影數(shù)據(jù)一致時迭代就會終止，經(jīng)過多次迭代和矯正更新就會重建出高質(zhì)量和低噪聲的圖像。

黃瑞明等[5]的研究表明，使用熱發(fā)光劑量計（Thermo Luminescent Dosimeters，TLD）與標(biāo)準(zhǔn)的擬人化假體來測量輻射劑量，以兩種不同的影像重組技術(shù)進(jìn)行CT檢查，比較FBP與IR（iDOSE-3與iDOSE-5）對于器官輻射劑量的差異。研究結(jié)果顯示iDOSE-3及iDOSE-5分別比FBP的輻射劑量降低了12.24%～38.35%及21.10%～44.36%，尤其在卵巢、膀胱與睪丸的輻射劑量有明顯的下降。因此，CT使用IR可大幅降低患者的輻射劑量而仍維持影像質(zhì)量。

事實上，IR技術(shù)很早就已應(yīng)用于CT，在相同劑量條件下，應(yīng)用IR算法圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于FBP，但I(xiàn)R算法計算量大，因而所需的存儲空間大、耗時長，在計算機技術(shù)還比較落后的時期，IR的應(yīng)用和發(fā)展受到了限制。近年來，伴隨計算機技術(shù)的快速發(fā)展，IR技術(shù)不斷完善，存儲空間的問題已得以解決。IR技術(shù)也已成為各大廠商共同的研究熱點，紛紛推出各種IR軟件，如GE公司的自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建技術(shù)（ASIR）、基于模型的迭代重建算法（MBIR）；西門子公司的圖像空間迭代重建技術(shù)（IRIS）、飛利浦公司的iDose-4和東芝公司的三維自適應(yīng)迭代算法（AIDR 3D）等。

1.2 自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)

自動管電流調(diào)節(jié)（Automatic Tube Current Modulation，ATCM）是基于人體解剖衰減特性的差異，根據(jù)射線的衰減變化而自動調(diào)整管電流，在X、Y平面或沿著掃描方向（Z軸方向）按照一定算法以最優(yōu)化的方式控制管電流，從而降低不必要的投影方向的輻射劑量，或者預(yù)先設(shè)定一定標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量，以最小的輻射劑量達(dá)到成像目的。例如，胸部、骨盆的前后徑明顯小于左右徑，其前后位的組織較薄，X射線衰減較少；而側(cè)面較厚，X射線衰減較大。有研究表明用ATCM技術(shù)進(jìn)行所有部位掃描，總體輻射劑量可減少29.4%，其中腹部輻射劑量可減少29.7%。2008年北美放射學(xué)年會上，有廠家推出了選擇性屏蔽技術(shù)，這種技術(shù)能夠在X線球管旋轉(zhuǎn)到敏感器官，如眼睛、甲狀腺、乳房的直接照射位置時關(guān)閉X射線，從而避免直接照射輻射敏感器官[6]。另一種ADS非對稱屏蔽采集技術(shù)，可屏蔽Z軸掃描開始和結(jié)束階段無效的X射線，其使用心臟前置濾線器（Cardiac Bowtie）對X射線過濾，合理分布X射線照射區(qū)域，在不增加圖像噪聲的情況下，減少心臟掃描的輻射劑量。

1.3 雙源技術(shù)

2005年，西門子公司發(fā)布了業(yè)界首臺雙源CT。雙源CT是在目前成熟的64層CT技術(shù)上，由兩套球管和相對應(yīng)的兩組探測器構(gòu)成的兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，即在原64層CT基礎(chǔ)上增加1套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配有2個金屬球管和對應(yīng)的2個探測器系統(tǒng)，改變了常規(guī)一套球管和探測器的傳統(tǒng)CT成像方式。

Flohr等[7]對雙源CT的早期性能測試表明，雙源CT掃描速度極快，顯著提高了心臟冠脈檢查的質(zhì)量和成功率。此外，盡管雙源CT使用了兩套球管系統(tǒng)和兩套探測器，但在心臟CT掃描中，其放射劑量卻幾乎只有常規(guī)CT的一半[8]。這是由于雙源CT具備很高的時間分辨率，能夠在一次心跳過程中采集心臟圖像，從而使利用多扇區(qū)重建的大劑量掃描方法成為過去。另外，雙源CT采用了依據(jù)心電圖的適應(yīng)性劑量控制，最大程度地降低了心臟快速運動階段的放射劑量。但對于下肢肌腱的輻射劑量研究，有研究認(rèn)為雙源CT的離子輻射劑量明顯高于單能CT[9]。

2 CT低劑量掃描技術(shù)的臨床應(yīng)用

2.1 肺部掃描

胡榮慧等[10]的研究表明，20 mAs的低劑量螺旋CT掃描獲得的圖像質(zhì)量與常規(guī)劑量掃描的差異較小，且患者所接受輻射劑量降低90%，認(rèn)為20 mAs是肺部掃描的最佳劑量。鄒利光等[11]的研究表明，利用螺旋CT低劑量掃描對肺容積、肺密度定量分析，發(fā)現(xiàn)60 mAs以上低劑量掃描圖像質(zhì)量均為優(yōu)秀，能夠滿足肺容積和肺密度定量分析的需要。施穎銘等[12]認(rèn)為，低劑量CT是新發(fā)展的肺癌篩查工具，它針對容易罹患肺癌的抽煙等高風(fēng)險族群篩查，能使肺癌的死亡率降低20%，使得其他死因的死亡率降低7%。但篩檢的過程中會衍生肺結(jié)節(jié)的肺癌假陽性過高、長期追蹤的輻射暴露、過度診斷等問題。

2.2 心臟冠脈檢查

隨著CT技術(shù)的發(fā)展，CT的時間分辨率和空間分辨率大大提升，尤其是雙源CT的誕生，使CT冠脈血管造影成為篩查冠心病首選的非創(chuàng)傷性檢查方法。

黃定宇等將TLD布點于假體內(nèi)，以國際輻射防護(hù)委員會報告所列出的輻射敏感器官作為假體布點的重點，測量16排、64排及256排CT對于心臟冠狀動脈檢查時的有效劑量。研究顯示，16排、64排及256排MDCT對于甲狀腺的吸收劑量分別為3.56、3.66、4.69 mGy，對于肺部等價劑量分別為49.75、58.72、58.84 mGy，對于心臟等價劑量分別為60.01、69.25、74.39 mGy，全身的等效劑量分別為21.48、26.89、24.83 mSv。未來，多層螺旋CT（MSCT）將會不斷地朝向減低病人劑量、獲得更好的影像質(zhì)量的方向發(fā)展，以獲得最佳的診斷效果。Moscariello等[13]的研究發(fā)現(xiàn)在CT冠脈檢查中降低50%的劑量，采用SAFIRE重建的圖像比采用傳統(tǒng)FBP重建的圖像具有更低的噪聲和略高的圖像質(zhì)量，有效劑量降低約40%。Husman等[14]的研究表明，前瞻性心電門控技術(shù)與常規(guī)回顧性門控掃描相比輻射劑量可以降低80%，且圖像質(zhì)量同樣能夠滿足臨床診斷的要求。

2.3 腹部檢查

腹部是腫瘤好發(fā)的部位，臨床上經(jīng)常使用腹部的多期掃描作為腹部疾病確診及隨訪的常規(guī)檢查手段，患者所接受的輻射劑量較高。由于腹部和盆腔臟器間密度差較小，組織自然對比不明顯，傳統(tǒng)CT腹部掃描中需要使用較高的劑量來保證圖像質(zhì)量，但通過使用CARE kV技術(shù)和SAFIRE重建技術(shù)，可以顯著降低腹部的掃描劑量。Schabel等[15]將SAFIRE重建技術(shù)運用到腹部血管增強掃描中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不降低圖像質(zhì)量的前提下減少了50%的輻射劑量。

2.4 頭顱檢查

頭顱CT檢查在所有CT檢查中占比較高，因為其對新鮮腦出血敏感性高。在掃描劑量方面，由于成人顱骨密度高，而顱腦中灰質(zhì)和白質(zhì)間的自然對比低，為了保證成像質(zhì)量，傳統(tǒng)掃描劑量都比較高，因此低劑量技術(shù)在嬰幼兒中應(yīng)用較多。但在一些低劑量技術(shù)出現(xiàn)后，頭顱掃描劑量也能夠被降低。鐘志勇等[16]采用CARE Dose4D技術(shù)對100例常規(guī)頭顱行CT檢查的研究表明，CARE Dose4D技術(shù)可以明顯減少對患者輻射劑量，并且圖像質(zhì)量可以滿足臨床診斷要求。陳永芊等[17]對行頭顱CT平掃的361例健康體檢者的研究表明，常規(guī)劑量掃描方式和頭部低劑量掃描方式的顱腦疾病檢出率比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，低劑量掃描方式受照放射劑量（容積CT劑量指數(shù)、劑量長度乘積）較常規(guī)劑量掃描方式低25%。

3 結(jié)語

CT成像系統(tǒng)的很多環(huán)節(jié)都存在著降低輻射劑量的技術(shù)提升空間，例如：寬探測器的應(yīng)用、探測器材質(zhì)的更新?lián)Q代、大pitch加快掃描速度及迭代重建算法的演變等。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，新的低劑量CT技術(shù)還會不斷涌現(xiàn)。低劑量CT成像是復(fù)雜、系統(tǒng)的技術(shù)革新過程，對醫(yī)務(wù)工作者來說，熟悉和掌握各種低劑量CT技術(shù)是順利完成低劑量掃描的前提。

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Development and Clinical Application of Low Dose Computed Tomography Technology

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.

computerized tomography machine;low dose technology;radiation dose;image reconstruction

ZHANG Zhen
Tumor Hospital Affiliated to Xinjiang Medical University,Urumchi Xinjiang 83000,China

TH774 [文獻(xiàn)識別碼]A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.022

1674-1633(2016)09-0087-03

2016-03-07

作者郵箱：39017798@qq.com