低剂量技术在CT检查中的应用现状

低剂量技术在CT检查中的应用现状1/7低剂量技术在CT检查中的应用现状张朋祥[摘要]CT技术的快速发展，给临床诊断带来了划时代的便利。可以说，CT的技术进步推动了整个基础医学研究及临床医学学科的发展。人们在感谢CT为人类健康做出巨大贡献的同时，越来越多的人开始担忧CT辐射带来的潜在危害，如何降低CT检查剂量成为当今医务人员和设备生产商共同关注的问题。本文就当前各种低剂量技术在CT检查中的应用做一个系统阐述。[关键字]低剂量AEC迭代技术心脏检查1．发展低剂量CT检查技术的重要性从疾病筛查、肿瘤随访到急诊处理，由于CT不断提升的易操作性和不断拓展的信息量，临床上接受CT检查的人数与日俱增。随之而来的是，CT检查所致的公众辐射剂量也日益增多。在过去的20年间，全球CT扫描应用的增量超过了800%。在美国，CT检查辐射占医源性辐射剂量的67%。随着后64排CT的推出，这些数据正进一步递增。辐射剂量对被辐射人群存在潜在的增加癌症发生概率的危害性，特别是在儿童CT扫描所诱发的癌症概率要高于成人已获得了充分的证据支持[1]。据国际放射防护委员会(ICRP)介绍，CT所致10mSv有效剂量的成人腹部检查会增加致癌风险1/2000。如今，从世界卫生组织、ICRP、美国FDA机构到各级政府管理部门越来越关注大众因医疗行为而接受的辐射剂量问题，在RSNA2011期间，低剂量技术的研究报告更是作为最重要的专题出现在各个专场报告中。与此同时，各CT生产厂家及科研机构也在努力探索各种新技术、新方法来降低检查带来的辐射剂量。2．当前低剂量CT检查技术进展实际上，CT低剂量技术的实现是一项综合性的系统工程，关联到整个系统的方方面面，包括硬件的设计改进、工作原理的优化、图像重建算法及软件的革新，以及扫描方案的优化和相关从业人员的培训与观念的建立。目前的低剂量技术从其作用原理来讲，可分为：⑴对X射线的物理性滤过（Filter）与遮蔽技术（Shielding）；⑵围绕探测器效率优化的技术；⑶以检查部位为中心的自动曝光控制技术（AutomaticExposureControl，AEC）及ECG调制技术；⑷以迭代重建（IterativeReconstruction，IR）技术为代表的各种图像降噪重建算法等。2.1X射线的滤过及屏蔽X射线滤过装置包括前、后准直器、滤线器及防护设计等，其作用是通过对X线的滤过，低剂量技术在CT检查中的应用现状2/7精确限定检测层面，减少探测器的散射辐射，消除散射噪声信号，为受检者提供辐射防护。例如飞利浦、西门子等公司开发的Z轴动态准直器系统（图示1），在探测器进入及移出检查范围的过程中，通过其非对称性的移动，可屏蔽“过扫描”的无效线束，降低辐射剂量达30％～46％[2]。图示1Z轴动态准直器系统图示2前置滤线器另外，通过采用不同形状的前置滤线器以最高效地控制X线照射区域，使较高的图像质量和较低的辐射剂量能同时得到兼顾。如飞利浦BrillianceiCT采用的SmartShapeFilters可以降低辐射剂量达12～24％。再如GELightSpeedVCT采用的Cardiacbowtie，其开口设计曲度较大，中部底层滤过栅厚度较薄，在增加心脏部位信号的同时能大大减少外围组织的辐射剂量（图示2）。东软NeuViz64中也增加了类似的设计，系统能够根据不同受检者身材特征、不同受检部位自动选择最合适的滤过装置，随着机架旋转角度的变化，有效地衰减了扫描边缘的X线照射，显著地提高了X线的有效利用率，以达到最佳的射线防护效果。目前在很多型号CT机上还增加了后置滤过器的设计，通过对噪声的滤过作用，消除由于相对较低的管电流造成的量子噪声对图像的不良影响，并可根据噪声与射线剂量的关系将噪声的降低量转化为管电流的相应降低。例如飞利浦iCT，由于其采用先进的球面探测器NanoPanel3D，加上三维滤线器ClearRay技术（图示4），可以实现三维空间对射线的滤过作用。图示3射线敏感器官的曝光控制技术图示4飞利浦ClearRay三维滤线器目前，对于敏感器官如晶状体、乳腺、甲状腺、卵巢等扫描防护方面的也有了一些突破。除了传统的使用物理屏蔽和遮挡物外，还设计了系统曝光自动控制技术。例如西门子公司开发了针对辐射敏感器官的射线屏蔽技术（图示3），如在胸部CT扫描检查目的并非诊断乳腺疾病时，球管在旋转至直接照射乳腺时曝光自动停止，在背部则曝光开启，然后利用部分扫描数据重建胸部图像，可减少乳腺40%的曝光量[3]。东软NeuViz64中的OrganSafe技术，实现了类似的功能，系统会自动控制曝光角度以最大可能地减少辐射剂量。低剂量技术在CT检查中的应用现状3/72.2探测器效率的改进目前，围绕探测器效率改进主要有以下几个方面：高效探测器材料的开发、模块集成工艺的改进、信号收集及处理技术的改进等。GE公司在其新推出的宝石750HDCT探测器中材料中加入少于1%的稀有元素，利用了其纯度高、光电转换率高、余辉时间短等优点，在心脏成像应用中剂量最多可降低83％。宝石CT能对运动的脏器、冠状动脉的分支、斑块以及冠脉支架进行细微观察和诊断，并且在提供快速、高清图像的同时可显著降低辐射剂量。飞利浦在新推出的BrillianceiCT中应用了球面Nano-PanelTM纳米高集成探测器技术，其集成度远高于传统技术。并且整个探测器采用球面排列，保证在Z轴上每个探测模块均垂直于X线源。这种设计显著提高了探测器的几何效率，降低了无效射线的噪声效应。同时，飞利浦最新的TACH2芯片装配在探测器上，可以最大程度地降低电阻、发热、电磁干扰等，提高信噪比，进一步降低了检查的辐射剂量。2.3自动曝光调制技术(AEC)AEC技术一般包括管电压调制与管电流调制两个途径。电压调制是指根据扫描协议或患者体型来调整管电压，尤其对于小儿和体型偏瘦的患者可以通过降低管电压从而达到明显降低射线剂量的目的。由于儿童处于生长发育期，组织细胞分裂更新的速度和比例远较成人快，因此对X射线更加敏感。控制婴幼儿CT检查射线剂量尤为重要，要求严格秉承ALARA原则（AsLowAsReasonablyAchievable），尽可能优化扫描方案、降低射线剂量。为此，设备生产商会提供专门针对不同年龄、身高、体重患儿的婴幼儿扫描协议（PediatricProtocol）。例如飞利浦和西门子的Age-basedforHeads,Weight-basedforbodies，GE的color-codedsystem等等。由于人体结构在横轴上的近似椭圆形和长轴上的非均匀性，体部横断面前后径较左右径短，X线在前后方向衰减强度明显低于左右方向。长轴上衰减强度也不一样，如从胸部扫描到腹部，衰减强度越来越大。基于此，球管在围绕人体旋转的过程中通过自学习动态前瞻性调节电流，从而达到降低剂量的目的。在GE的设备中采用噪声指数（NoiseIndex），在Philips的设备中有参考图像（ReferenceImage），而在Siemens的设备中则是采用参考mAs（ReferenceCurrent-TimeProduct）来实现的。具体地，例如飞利浦的DoseRight，西门子的CAREDose，GE的SmartmA等技术均实现了此方面的应用。DoseRight技术包括：ACS(AutomaticCurrentSelection)、D-DOM、Z-DOM及C-Dom(CombinedDoseModulation)等。ACS基于容积计算，旨在提供一致噪声级别的图像。C-Dom是一种基于患者X-Y及Z平面的受检部位形态学特征，前瞻性调节管电流、维持一致的图像噪声级别并抑止图像伪影的三维实时剂量调控技术（图示5、6）。通过X-Y平面剂量调控在成人CT扫描中对头、颈、胸、骨盆及四肢等几个部位可以使毫安数降低15％～50％。低剂量技术在CT检查中的应用现状4/7图示5飞利浦ACS模型图示6飞利浦DoseRightC-Dom原理2.4心脏门控低剂量检查技术随着多层CT空间分辨率和时间分辨率的提高，最快0.27s的扫描速度、最宽16cm的覆盖范围、半扫描数据采集，使得心脏CT成为检测冠状动脉病变较为准确的无创性检查。随着应用的普及，其射线剂量问题也是日益受到关注，经过各厂家科研攻关，检查剂量已从最初的15mSv逐渐降至如今的1mSv。目前，心脏低剂量技术主要包括心电门控下的管电流调制技术及降噪重建算法等。通过前瞻性ECG门控断层扫描，根据患者的心动相位自动调节X线管电流及相应的输出功率以提供与患者心脏周期时相相关的mA值，在收缩期（QRS波段）采用低毫安输出，而在舒张期（目标时相）采用设定的最佳毫安输出，从而保证图像质量的同时，大大减少了曝光剂量（图示7）。图示7心脏前瞻性门控技术在探索降低冠脉CT成像剂量的技术方面，各CT厂商也取得了一定的进展。其中西门子64层双源CT在冠脉成像检查中运用了心率依赖性螺距选择和基于心电图的管电流调制等技术，降低辐射剂量达50％[4]。结合前瞻性心电门控技术，飞利浦256层BrillianceiCT和东芝320层的AquilionONE进行冠脉成像的辐射剂量可达到3～5mSv[5,6]。西门子128层双源CT利用其在高螺距（3.4）条件下检查床“闪螺”技术，其CT冠脉成像的辐射剂量甚至低于1mSv[7]。2.5迭代重建技术(IR)虽然如前所述，AEC技术能够一定程度降低CT检查的射线剂量，但若仍采用常规的滤波反投影算法（FilteredBackProjection，FBP），其降低剂量的作用是有限的。这主要是由于低剂量技术在CT检查中的应用现状5/7FBP的内在特征决定的。FBP是基于解析的反推过程，每组投影数据都要经过校准、滤波、反投影、加权，重建过程具有闭合形式的解。虽然FBP重建速度较快，但它要求每次投影数据是精确定量的和完全的。这样，X射线光子统计波动对它有很大影响，对噪声和伪影都很敏感。当辐射剂量降低或投影数据采集不足时，重建出的图像质量就会受干扰。正因为其对数据完全性及波动信号要求的苛刻，因此使用FBP就不能明显地降低辐射剂量。由于探测器获得的信号包含真实的组织信号和噪声信号两部分，而且噪声信号的产生遵从一定的物理规律。这样，人们开始试图用物理模型对噪声进行描述，并通过迭代的方法在生数据空间和图像空间之间反复进行比对，把它们从最终的图像中分离去除，同时最大限度地保留图像的真实的组织信号。早期在这方面研究比较典型的是2008年GE推出的ASIR(AdaptiveStatisticalIterativeReconstruction，自适应性统计学迭代重建)和2011年西门子推出的SAFIRE(SinogramAFfirmedIterativeREconstruction)。同时，由于迭代重建算法（IterativeReconstruction,IR）能基于光子统计学计算多种更精确的噪声模型，重建时所需的投影数少、具有可在数据不完全和低信噪比（低剂量）条件下成像的优点[8]，在降低辐射剂量方面发挥着重大的作用，已经越来越引起人们的重视。特别是近年来随着计算机处理器性能的快速发展，以迭代重建为基础的各种图像降噪重建算法是目前CT低剂量研究领域的热点。目前，各主要CT设备厂商都已先后推出各自的迭代重建算法及软件，如飞利浦的iDose4[the4thgenerationIterativeReconstructiontechnique，iDoseTM]、GE的ASiR(AdaptiveStatisticaliterativeimageReconstruction)和MBIR(ModelBasedIterativeReconstruction，VEOTM)、西门子的IRIS(IterativeReconstructioninImageSpace)与SAFIRE(SinogramAFfirmedIterativeReconstruction)、东芝的AIDR(AdaptiveIterativeDoseReduction)等。同时