降低CT检查辐射剂量的新材料新方法和新技术

1、CT技术在近10年得到迅猛发展，从1998年推出4层CT后，几乎以摩尔定律的速度更新到16层、64层及双源CT。近几年，128、256和320层CT也已经投入临床使用。    CT的快速发展，带来了更快的扫描速度以及更短的重建时间，最终呈现的各向同性图像更为精细和完美。正是由于其不断提升的易操作性和不断拓展的影像信息，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，甚至有学者预言医疗辐射的致癌效应将成为危害公众健康的一大问题1。    一般来说，控制CT检查中辐射危害的力量主要来自三个方面：政府相

2、关机构、放射工作人员和CT设备生产厂家。其中，CT厂家在降低辐射剂量的新技术研发方面更是担负着不可推卸的责任。如图1所示，X射线从球管发出，经过滤线板和适形滤过器滤过后由前置准直器准直，照射在受检体表面并穿透受检体，衰减后的X射线通过后置准直器被探测器接收，接下来在数据采集系统内进行模/数转换，最后交由计算机处理系统重建成CT图像。CT设备研发者在此CT图像形成的全部过程中都需要关注和重视辐射剂量的问题，从各个方面努力挖掘降低辐射剂量的潜能。    本文将针对几大CT设备制造厂家在其技术发展进程中，为降低辐射剂量所作出的技术革新作一浅述。一 数据采集阶段

3、降低辐射剂量的技术改进1. 探测器    探测器是CT系统中的关键组件，定量地记录穿过被照体的电离辐射，将X射线强度转换成电信号。探测器的量子检出效率（DQE）愈高，所需入射X射线的剂量愈少，病人的受照剂量则随之降低。    气体探测器因其量子检出效率较低，且不符合二维探测器的制造要求，在多层CT的设计中已被固体探测器所取代。而在固体探测器中，相对于传统闪烁晶体探测器（如钨酸镉），稀土陶瓷探测器（如氧硫化钆）的转换效率更高（DQE达98以上），余辉时间更短，辐射剂量较普通探测器降低约30，已经成为了各大厂家多层CT中的主流探测器类型。

4、    GE公司在其新推出的探测器中加入了宝石分子结构材料，利用了其纯度高、通透性强、光电转换率高、硬度高、更稳定等优点。据称，该探测器在降低辐射剂量方面将更胜一筹。2. 准直器    准直器具有限定扫描层厚和遮挡无用射线的作用，也是影响辐射剂量的重要CT部件。随着Z轴探测器排数的不断增多，尽管半影辐射导致线束几何利用效率下降的影响越来越小，但在螺旋扫描始末，不能用于重建的无效“过扫描”将更多，特别是在扫描覆盖范围较窄和螺距较大时更明显。   西门子等公司开发的Z轴动态准直器系统（图2），在探测器进入及移出检查范围

5、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4552 。3. 适形滤过器    由于人体的横断面多为椭圆形，外周的X射线衰减低于中心部分，而“硬化”的线束更易穿透人体，于是通过位于X射线源与受检者之间可吸收低能量的软X射线的滤过器，可有效减少受检者的吸收剂量。适形滤过器（如领结形）针对性地减少到达人体外周的射线，降低25左右的辐射剂量，尤其可减少皮肤表面吸收剂量。    GE公司新推出的高档CT机还可根据扫描野的大小自动选配大、中、小号以及心脏专用等不同尺寸的各种滤过器，充分达到“适形”效果，更大效率发挥

6、降低辐射剂量的作用3。4. 自动曝光控制    在普通X射线摄影中，高的摄影条件会产生曝光过度的黑照片，降低其诊断价值；而在CT检查中，较高曝光参数得到的图像质量会更佳，这易促使操作人员一味追求图像质量，而不顾辐射剂量增加选用较高的扫描条件。人体结构存在横轴上的不对称性和长轴上的非均匀性，体部横断面前后径较左右径短，前后方向衰减强度低于左右方向，长轴上衰减强度也不一样。如从胸部扫描到腹部，前者的衰减强度明显低于后者。    基于人体解剖衰减特性的差异，自动曝光控制系统在满足诊断要求的前提下，最大化地实现了降低辐射剂量的技术要求，并保证

7、了图像质量的一致性，其原理如图3所示：以影像诊断可允许的图像噪声水平作为参考，系统自动调整预设mA值；在XY轴的球管旋转方向进行角度管电流调制，即左右方向使用较高的管电流，前后方向相应降低管电流；在Z轴的检查床移动方向进行长轴管电流调制，即实时地根据前面已扫描部位的衰减强度，计算修改后续即将扫描部位的管电流值，即高衰减部位使用高的管电流，反之亦然。    几大CT制造商均拥有上述三维的剂量调控技术，实现了个体化使用最优扫描参数的目的，降低受检者的辐射剂量达20504。5. 敏感器官选择性屏蔽    人体的某些组织器官对于电离辐射的危害

8、相对更敏感，如晶状体、甲状腺、骨髓及性腺等。位于扫描范围之外的敏感器官，使用铅屏蔽防护，可减少8099的表面吸收剂量；位于CT扫描范围内非检查兴趣区的敏感器官，使用铋材料屏蔽可降其40左右的有效剂量，同时不影响检查目的器官的成像5。但也有研究报道，使用了铋屏蔽的CT检查，需要增加扫描条件弥补其噪声和伪影增加的后果，这将消减其在降低辐射剂量方面的作用6。    西门子公司开发了针对辐射敏感器官的射线屏蔽技术，如图4。譬如在胸部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

9、曝光量7。二 图像重建阶段降低辐射剂量的技术改进    CT图像重建的方法中，相比于常用的滤波反投影算法，迭代重建算法在CT固有的物理局限方面具有较大的优势，如可精确模拟系统几何学，改善多能光谱、线束硬化、散射、噪声和不完整采样数据等。因此，迭代重建算法能进一步提高图像空间分辨力和减少伪影，    迭代重建算法能基于光子统计学计算多种更精确的噪声模型，在降低图像噪声方面有更佳的表现；能处理不完整数据集，从而减少图像重建所需的投影数据。以上两种优势在降低辐射剂量方面发挥着重大的作用。但由于迭代重建算法的计算复杂，将其应用于CT图像重建曾

10、受到过一定的阻碍。    随着计算机硬件性能和计算效率的提高，GE公司已经将其自适应统计迭代重建算法用于CT临床实践，在保证图像质量不受损的前提下，可降低辐射剂量达50%8。西门子公司也在其最新的高端CT中引入了统计迭代重建技术。三 高级CT应用中降低辐射剂量的技术改进1. 冠状动脉成像    近来，多层CT的时间分辨力和空间分辨力不断提高，CT冠状动脉成像已成为冠状动脉无创性成像的重要检查方法。在CT冠脉成像检查中，极快的机架旋转时间、半扫描数据采集以及高空间分辨力均需要更高的扫描条件来补偿图像噪声的增加；在采用回顾性心电门控技术时

11、，为保证多个心动周期中层面的连续性，必须进行重叠的小螺距扫描。这些因素导致冠脉CT成像的辐射剂量可高达30mSv，成为了关注焦点9。    为降低冠脉CT成像的高辐射剂量， CT制造商纷纷致力于新技术的开发。其中，西门子64层双源CT在冠脉成像检查中运用了心脏专用的领结式滤过器、三维自适应降低噪声的卷积核、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5010。基于心电图的管电流调制技术（图5a），是在心动周期中将不用于重建图像的非兴趣时相（如代表心室收缩开始的QRS波段）采用低于常规管电流4%20的参数值采集数据；在患者心率不高且心律较齐的情况

12、下，还可运用前瞻性心电门控技术行逐层移床式的非螺旋扫描（图5b），仅在有效的重建时相内进行曝光，其相对于回顾性心电门控技术可减低83的有效剂量11。    结合前瞻性心电门控技术，飞利浦256层和东芝320层的宽探测器CT行冠脉成像的辐射剂量，已接近自然本底辐射（35mSv）12,13。西门子128层双源CT利用其在高螺距（3.4）条件下检查床钟摆式无缝式往复移动的“闪螺”技术，其CT冠脉成像的辐射剂量甚至低于1mSv14。2. 双能量成像    不同组织在不同能量的X射线照射下其CT衰减值变化可不一致。双能量CT成像通过双球管、千伏

13、的快速转换以及双层探测器等技术，实现X射线能量的变化，从而识别不同组织CT值的特异性变化。双能量CT可用于辨识骨骼、钙化、碘对比剂和胶原成分，在血管减影CT成像、组织血流灌注以及软组织显示等方面体现了其独特的优势，为近年CT研究的热点领域。     为克服低千伏扫描导致图像噪声增加的问题，双能量成像的辐射剂量须高于普通CT检查，受检者体型较大时更突出。但双能量成像因为特异性识别碘对比剂，可从增强CT图像去除碘剂得到虚拟平扫图像，从而减少一次常规平扫的辐射剂量。然而在双能量成像处理过程中，虚拟平扫图像的噪声水平得到放大，不利于诊断。西门子公司利用最新的选择性光子屏蔽

14、技术，纯化分离高、低千伏的能谱重叠，可将双能量成像的辐射剂量降低至常规单能量成像的水平15。3. 器官灌注成像    以研究血流动力学改变为目的的器官灌注功能成像已逐渐应用于临床。CT因其较高的时间和空间分辨力，优于其他灌注成像设备，在急性脑缺血早期诊断、心肌功能以及肿瘤灌注评价等方面有着重要的临床价值。由于CT灌注成像是在静脉团注碘对比剂后对选定层面进行连续动态扫描至少30s以上，因此累积的辐射剂量相当高。特别是在当今各大厂商推出的全器官灌注成像以后，辐射剂量的成倍增加将更令人担忧。    为避免电离辐射所致的确定性效应（如皮肤红斑

15、）的发生，CT灌注成像只能使用尽可能低的扫描条件，但由此引起了图像噪声的显著增加。因此，图像重建过程中一些较新的滤过技术，如高度抑制反投影局部滤过（Highly Constrained Back Projection Local Filtering，HYPR-LR）和多通道滤波（Multiband Filtering，MBF），近来被用在CT灌注成像中以改善图像噪声4。四 结语    CT技术领域的快速发展，为临床医学实践带来了极大的好处，同时也给降低X射线电离辐射带来了不容忽视的挑战。各CT设备研发机构和生产厂家正视辐射危害，在每一项新技术的开发和应用上都切实考

16、量了辐射剂量的问题，在降低辐射剂量的技术研发方面作出了不懈的努力。    笔者希望，在政府有关机构、放射医务人员以及CT生产厂家等多方面的共同参与与努力下，可将CT检查中的辐射剂量控制到最合理范围，使得既能充分发挥CT检查的有效性，又极力保障受检人群的安全性。    参考文献：1 Brenner DJ, Hall EJ. Computed Tomography: An Increasing Source of Radiation ExposureJ. N Engl J Med, 2007, 357: 2277-2284. 2

17、 Christner JA, Zavaletta VA, Eusemann CD, et al. Dose Reduction in Helical CT: Dynamically Adjustable Z-axis X-ray Beam CollimationJ. AJR, 2010, 194: W49-55.3 Thomas L, Toth TL, Cesmeli E, et al. Image Quality and Dose Optimization Using Novel X-ray Source Filters Tailored to Patient SizeC

18、. Proc. Soc. Photo Opt. Instrum. Eng, 2005: 5745.4 Yu L, Liu X, Leng S, et al. Radiation Dose Reduction in Computed Tomography: Techniques and Future PerspectiveJ. Imaging Med, 2009, 1: 65-84.5 Catuzzo P, Aimonetto S, Fanelli G, et al. Dose Reduction in Multislice CT by Means of Bismuth Sh

19、ields: Results of In-vivo Measurements and Computed EvaluationJ. Radiol Med, 2010, 115: 152-169. 6 Berland LL, Yester MV, Fitzpatrick AF. Reducing mAs Is as Effective as a Bismuth Breast Shield to Minimize Breast Dose for Chest CT when Keeping Mediastinal Noise Constant (abstr) C. RSNA Scientif

20、ic Assembly and Annual Meeting Program, 2009: 299.7 Vollmar SV, Kalender WA. Reduction of Dose to the Female Breast in Thoracic CT: A Comparison of Standard-Protocol, Bismuth-Shielded, Partial and Tube-Current-Modulated CT ExaminationsJ. Eur Radio, 2008, 8: 1674-1682. 8 Silva AC, Lawder HJ

21、, Hara A, et al. Innovations in CT Dose Reduction Strategy: Application of the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction AlgorithmJ. AJR, 2010, 194: 191-199.9 Hausleiter J, Meyer T, Hermann F, et al. Estimated Radiation Dose Associated with Cardiac CT AngiographyJ. JAMA, 2009, 301: 500-507.

22、10 McCollough CH, Primak AN, Saba O, et al. Dose Performance of a 64-Channel Dual-Source CT ScannerJ. Radiology, 2007, 243: 775-784. 11 Earls JP, Berman EL, Urban BA, et al. Prospectively Gated Transverse Coronary CT Angiography Versus Retrospectively Gated Helical Technique: Improved Image Quality and Reduced Radiation DoseJ. Radiology, 2008, 246: 742-753.12 Efstathopoulos EP, Kelekis NL, Pantos I, et al. Reduction of the Estimated Radiation Dose and Associated P