降低CT檢查輻射劑量的新材料、新方法和新技術(shù)

1、CT技術(shù)在近10年得到迅猛發(fā)展，從1998年推出4層CT后，幾乎以摩爾定律的速度更新到16層、64層及雙源CT。近幾年，128、256和320層CT也已經(jīng)投入臨床使用。CT的快速發(fā)展，帶來(lái)了更快的掃描速度以及更短的重建時(shí)間，最終呈現(xiàn)的各向同性圖像更為精細(xì)和完美。正是由于其不斷提升的易操作性和不斷拓展的影像信息，臨床上接受CT檢查的人數(shù)與日俱增。隨之而來(lái)的是，CT檢查所致的公眾輻射劑量也日益增多，甚至有學(xué)者預(yù)言醫(yī)療輻射的致癌效應(yīng)將成為危害公眾健康的一大問題1。一般來(lái)說，控制CT檢查中輻射危害的力量主要來(lái)自三個(gè)方面：政府相關(guān)機(jī)構(gòu)、放射工作人員和CT設(shè)備生產(chǎn)廠家。其中，CT廠家在降低輻射劑量的新技術(shù)

2、研發(fā)方面更是擔(dān)負(fù)著不可推卸的責(zé)任。如圖1所示，X射線從球管發(fā)出，經(jīng)過濾線板和適形濾過器濾過后由前置準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，照射在受檢體表面并穿透受檢體，衰減后的X射線通過后置準(zhǔn)直器被探測(cè)器接收，接下來(lái)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，最后交由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)重建成CT圖像。CT設(shè)備研發(fā)者在此CT圖像形成的全部過程中都需要關(guān)注和重視輻射劑量的問題，從各個(gè)方面努力挖掘降低輻射劑量的潛能。本文將針對(duì)幾大CT設(shè)備制造廠家在其技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，為降低輻射劑量所作出的技術(shù)革新作一淺述。一數(shù)據(jù)采集階段降低輻射劑量的技術(shù)改進(jìn)1 .探測(cè)器探測(cè)器是CT系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，定量地記錄穿過被照體的電離輻射，將X射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。探測(cè)

3、器的量子檢出效率（DQE）愈高，所需入射X射線的劑量愈少，病人的受照劑量則隨之降低。氣體探測(cè)器因其量子檢出效率較低，且不符合二維探測(cè)器的制造要求，在多層CT的設(shè)計(jì)中已被固體探測(cè)器所取代。而在固體探測(cè)器中，相對(duì)于傳統(tǒng)閃爍晶體探測(cè)器（如鴇酸鎘），稀土陶瓷探測(cè)器（如氧硫化軋）的轉(zhuǎn)換效率更高（DQE達(dá)98%以上），余輝時(shí)間更短，輻射劑量較普通探測(cè)器降低約30%,已經(jīng)成為了各大廠家多層CT中的主流探測(cè)器類型。GE公司在其新推出的探測(cè)器中加入了寶石分子結(jié)構(gòu)材料，利用了其純度高、通透性強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)換率高、硬度高、更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)稱，該探測(cè)器在降低輻射劑量方面將更勝一籌。2 .準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器具有限定掃描層厚和遮擋

4、無(wú)用射線的作用，也是影響輻射劑量的重要CT部件。隨著Z軸探測(cè)器排數(shù)的不斷增多，盡管半影輻射導(dǎo)致線束幾何利用效率下降的影響越來(lái)越小，但在螺旋掃描始末，不能用于重建的無(wú)效過掃描”將更多，特別是在掃描覆蓋范圍較窄和螺距較大時(shí)更明顯。西門子等公司開發(fā)的Z軸動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直器系統(tǒng)（圖2）,在探測(cè)器進(jìn)入及移出檢查范圍的過程中，通過其非對(duì)稱性的移動(dòng)，可屏蔽過掃描”的無(wú)效線束，降低輻射劑量達(dá)4%55%2。3 .適形濾過器由于人體的橫斷面多為橢圓形，外周的X射線衰減低于中心部分，而硬化”的線束更易穿透人體，于是通過位于X射線源與受檢者之間可吸收低能量的軟X射線的濾過器，可有效減少受檢者的吸收劑量。適形濾過器（如領(lǐng)結(jié)形）

5、針對(duì)性地減少到達(dá)人體外周的射線，降低25%左右的輻射劑量，尤其可減少皮膚表面吸收劑量。GE公司新推出的高檔CT機(jī)還可根據(jù)掃描野的大小自動(dòng)選配大、中、小號(hào)以及心臟專用等不同尺寸的各種濾過器，充分達(dá)到適形”效果，更大效率發(fā)揮降低輻射劑量的作用3。4 .自動(dòng)曝光控制在普通X射線攝影中，高的攝影條件會(huì)產(chǎn)生曝光過度的黑照片，降低其診斷價(jià)值；而在CT檢查中，較高曝光參數(shù)得到的圖像質(zhì)量會(huì)更佳，這易促使操作人員一味追求圖像質(zhì)量，而不顧輻射劑量增加選用較高的掃描條件。人體結(jié)構(gòu)存在橫軸上的不對(duì)稱性和長(zhǎng)軸上的非均勻性，體部橫斷面前后徑較左右徑短，前后方向衰減強(qiáng)度低于左右方向，長(zhǎng)軸上衰減強(qiáng)度也不一樣。如從胸部掃描到腹

6、部，前者的衰減強(qiáng)度明顯低于后者?；谌梭w解剖衰減特性的差異，自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)在滿足診斷要求的前提下，最大化地實(shí)現(xiàn)了降低輻射劑量的技術(shù)要求，并保證了圖像質(zhì)量的一致性，其原理如圖3所示：以影像診斷可允許的圖像噪聲水平作為參考，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整預(yù)設(shè)mA值；在XY軸的球管旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行角度管電流調(diào)制，即左右方向使用較高的管電流，前后方向相應(yīng)降低管電流；在Z軸的檢查床移動(dòng)方向進(jìn)行長(zhǎng)軸管電流調(diào)制，即實(shí)時(shí)地根據(jù)前面已掃描部位的衰減強(qiáng)度，計(jì)算修改后續(xù)即將掃描部位的管電流值，即高衰減部位使用高的管電流，反之亦然。幾大CT制造商均擁有上述三維的劑量調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體化使用最優(yōu)掃描參數(shù)的目的，降低受檢者的輻射劑量達(dá)20

7、%50%4。5 .敏感器官選擇性屏蔽人體的某些組織器官對(duì)于電離輻射的危害相對(duì)更敏感，如晶狀體、甲狀腺、骨髓及性腺等。位于掃描范圍之外的敏感器官，使用鉛屏蔽防護(hù)，可減少80%99%的表面吸收劑量；位于CT掃描范圍內(nèi)非檢查興趣區(qū)的敏感器官，使用鎖材料屏蔽可降其40%左右的有效劑量，同時(shí)不影響檢查目的器官的成像5。但也有研究報(bào)道，使用了鎖屏蔽的CT檢查，需要增加掃描條件彌補(bǔ)其噪聲和偽影增加的后果，這將消減其在降低輻射劑量方面的作用6o西門子公司開發(fā)了針對(duì)輻射敏感器官的射線屏蔽技術(shù)，如圖4。譬如在胸部CT掃描檢查目的并非診斷乳腺疾病時(shí)，球管在旋轉(zhuǎn)至直接照射乳腺時(shí)曝光停止，在背部則曝光開啟；然后利用部分

8、掃描數(shù)據(jù)重建胸部圖像，可減少乳腺40%的曝光量7。二圖像重建階段降低輻射劑量的技術(shù)改進(jìn)CT圖像重建的方法中，相比于常用的濾波反投影算法，迭代重建算法在CT固有的物理局限方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，如可精確模擬系統(tǒng)幾何學(xué)，改善多能光譜、線束硬化、散射、噪聲和不完整采樣數(shù)據(jù)等。因此，迭代重建算法能進(jìn)一步提高圖像空間分辨力和減少偽影，迭代重建算法能基于光子統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算多種更精確的噪聲模型，在降低圖像噪聲方面有更佳的表現(xiàn)；能處理不完整數(shù)據(jù)集，從而減少圖像重建所需的投影數(shù)據(jù)。以上兩種優(yōu)勢(shì)在降低輻射劑量方面發(fā)揮著重大的作用。但由于迭代重建算法的計(jì)算復(fù)雜，將其應(yīng)用于CT圖像重建曾受到過一定的阻礙。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能和

9、計(jì)算效率的提高，GE公司已經(jīng)將其自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法用于CT臨床實(shí)踐，在保證圖像質(zhì)量不受損的前提下，可降低輻射劑量達(dá)50%8o西門子公司也在其最新的高端CT中引入了統(tǒng)計(jì)迭代重建技術(shù)。三高級(jí)CT應(yīng)用中降低輻射劑量的技術(shù)改進(jìn)1 .冠狀動(dòng)脈成像近來(lái)，多層CT的時(shí)間分辨力和空間分辨力不斷提高，CT冠狀動(dòng)脈成像已成為冠狀動(dòng)脈無(wú)創(chuàng)性成像的重要檢查方法。在CT冠脈成像檢查中，極快的機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間、半掃描數(shù)據(jù)采集以及高空間分辨力均需要更高的掃描條件來(lái)補(bǔ)償圖像噪聲的增加；在采用回顧性心電門控技術(shù)時(shí)，為保證多個(gè)心動(dòng)周期中層面的連續(xù)性，必須進(jìn)行重疊的小螺距掃描。這些因素導(dǎo)致冠脈CT成像的輻射劑量可高達(dá)30mSv,成

10、為了關(guān)注焦點(diǎn)9。為降低冠脈CT成像的高輻射劑量，CT制造商紛紛致力于新技術(shù)的開發(fā)。其中，西門子64層雙源CT在冠脈成像檢查中運(yùn)用了心臟專用的領(lǐng)結(jié)式濾過器、三維自適應(yīng)降低噪聲的卷積核、心率依賴性螺距選擇和基于心電圖的管電流調(diào)制等技術(shù)，降低輻射劑量達(dá)50%10?；谛碾妶D的管電流調(diào)制技術(shù)（圖5a）,是在心動(dòng)周期中將不用于重建圖像的非興趣時(shí)相（如代表心室收縮開始的QRS波段）采用低于常規(guī)管電流4%20%的參數(shù)值采集數(shù)據(jù)；在患者心率不高且心律較齊的情況下，還可運(yùn)用前瞻性心電門控技術(shù)行逐層移床式的非螺旋掃描（圖5b），僅在有效的重建時(shí)相內(nèi)進(jìn)行曝光，其相對(duì)于回顧性心電門控技術(shù)可減低83%的有效劑量11。結(jié)

11、合前瞻性心電門控技術(shù)，飛利浦256層和東芝320層的寬探測(cè)器CT行冠脈成像的輻射劑量，已接近自然本底輻射（35mSv）12,13。西門子128層雙源CT利用其在高螺距（3.4）條件下檢查床鐘擺式無(wú)縫式往復(fù)移動(dòng)的閃螺”技術(shù)，其CT冠脈成像的輻射劑量甚至低于1mSv14。2 .雙能量成像不同組織在不同能量的X射線照射下其CT衰減值變化可不一致。雙能量CT成像通過雙球管、千伏的快速轉(zhuǎn)換以及雙層探測(cè)器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)X射線能量的變化，從而識(shí)別不同組織CT值的特異性變化。雙能量CT可用于辨識(shí)骨骼、鈣化、碘對(duì)比劑和膠原成分，在血管減影CT成像、組織血流灌注以及軟組織顯示等方面體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為近年CT研究

12、的熱點(diǎn)領(lǐng)域。為克服低千伏掃描導(dǎo)致圖像噪聲增加的問題，雙能量成像的輻射劑量須高于普通CT檢查，受檢者體型較大時(shí)更突出。但雙能量成像因?yàn)樘禺愋宰R(shí)別碘對(duì)比劑，可從增強(qiáng)CT圖像去除碘劑得到虛擬平掃圖像，從而減少一次常規(guī)平掃的輻射劑量。然而在雙能量成像處理過程中，虛擬平掃圖像的噪聲水平得到放大，不利于診斷。西門子公司利用最新的選擇性光子屏蔽技術(shù)，純化分離高、低千伏的能譜重疊，可將雙能量成像的輻射劑量降低至常規(guī)單能量成像的水平15o3 .器官灌注成像以研究血流動(dòng)力學(xué)改變?yōu)槟康牡钠鞴俟嘧⒐δ艹上褚阎饾u應(yīng)用于臨床。CT因其較高的時(shí)間和空間分辨力，優(yōu)于其他灌注成像設(shè)備，在急性腦缺血早期診斷、心肌功能以及腫瘤灌注

13、評(píng)價(jià)等方面有著重要的臨床價(jià)值。由于CT灌注成像是在靜脈團(tuán)注碘對(duì)比劑后對(duì)選定層面進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)掃描至少30s以上，因此累積的輻射劑量相當(dāng)高。特別是在當(dāng)今各大廠商推出的全器官灌注成像以后，輻射劑量的成倍增加將更令人擔(dān)憂。為避免電離輻射所致的確定性效應(yīng)（如皮膚紅斑）的發(fā)生，CT灌注成像只能使用盡可能低的掃描條件，但由此引起了圖像噪聲的顯著增加。因此，圖像重建過程中一些較新的濾過技術(shù)，如高度抑制反投影局部濾過（HighlyConstrainedBackProjectionLocalFiltering,HYPR-LR）和多通道濾波（MultibandFiltering,MBF）,近來(lái)被用在CT灌注成像中以

14、改善圖像噪聲4o四結(jié)語(yǔ)CT技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，為臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐帶來(lái)了極大的好處，同時(shí)也給降低X射線電離輻射帶來(lái)了不容忽視的挑戰(zhàn)。各CT設(shè)備研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家正視輻射危害，在每一項(xiàng)新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用上都切實(shí)考量了輻射劑量的問題，在降低輻射劑量的技術(shù)研發(fā)方面作出了不懈的努力。筆者希望，在政府有關(guān)機(jī)構(gòu)、放射醫(yī)務(wù)人員以及CT生產(chǎn)廠家等多方面的共同參與與努力下，可將CT檢查中的輻射劑量控制到最合理范圍，使得既能充分發(fā)揮CT檢查的有效性，又極力保障受檢人群的安全性。參考文獻(xiàn)：1 BrennerDJ,HallEJ.ComputedTomography:AnIncreasingSourceofRadiation

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