低輻射劑量和低濃度對比劑在胸部CT增強掃描中的應用及進展

崔效楠 葉兆祥

天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院放射科，國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津市腫瘤防治重點實驗室，天津 300060

在過去10年中，越來越多的人開始關(guān)注于優(yōu)化胸部CT增強掃描中的輻射劑量和對比劑的安全性，旨在實現(xiàn)用最小的輻射劑量獲得滿足臨床診斷需要的CT圖像，以及尋找更安全的對比劑。CT掃描中患者接受的輻射劑量通常用有效劑量（effective dose，ED）表示，單位：mSv。通過研究有效劑量的計算方法得出，影響有效劑量的主要參數(shù)有管電壓（kVp）、管電流（mA）、掃描時間（s）、層厚（mm）、螺距（pitch）及掃描容積等。然而，這種輻射劑量計算將患者的體型因素排除在外。美國醫(yī)學物理學家協(xié)會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）在2011年提出了體型特異性劑量評估（size-specific dose estimate，SSDE）[1]的概念，指出患者所受輻射劑量與體型存在相關(guān)性。對比劑引起的血管內(nèi)皮損傷主要與其滲透壓及黏滯度有關(guān)。目前臨床廣泛使用的非離子型對比劑中，在溫度一定的情況下，影響兩者的主要因素是對比劑的濃度，濃度越高，其滲透壓及黏滯度越大，不良反應發(fā)生的概率增高。本文就胸部增強CT掃描中低輻射劑量和低濃度對比劑的應用與研究現(xiàn)狀及兩者結(jié)合使用的可行性予以綜述。

1 低輻射劑量的應用與研究現(xiàn)狀

1.1 影響輻射劑量的因素

以往CT檢查中，將患者接受的有效輻射劑量用ED表示， ED=k·DLP，單位：mSv。以胸部為例，k=0.014 mSv×mGy-1×cm-1（APPM）[2]。其中DLP為劑量長度乘積（dose length product），是一次CT檢查設(shè)備輸出輻射劑量的總量。它可由下述公式表示：DLP（mGy·cm）=CTDIvol（mGy）×掃描長度（cm）。CTDIvol為容積CT劑量指數(shù)（volume CT dose index），是最常用的輻射劑量表達方式，其大小與管電壓及管電流呈正相關(guān)，通?？稍诙鄬覥T機上直接顯示，單位：mGy，表達公式：CTDIvol=CTDIw/螺距。CTDIw是采用CTDI體模進行輻射測量時采集100 mm長度的CTDI輻射劑量加權(quán)后的指數(shù)。CTDI體模僅有直徑16 cm和32 cm兩種，兩患者接受CT掃描的輻射劑量與患者體型和設(shè)備輸出輻射均有關(guān)。CTDIvol僅提供了設(shè)備輸出輻射量，沒有考慮患者體型，因此沒有測量患者劑量。而這非常重要，因為對于兒童或體型偏小的患者，將CTDIvol作為患者劑量而不考慮兩者關(guān)系會造成低估患者實際輻射劑量等級達2～3級[1]。APPM通過設(shè)計實驗發(fā)現(xiàn)了體型因素與CTDI間存在相關(guān)性，并制定了換算表供參考。盡管目前國際上仍以ED作為患者所受輻射劑量大小的參數(shù)，但SSDE為今后更準確計算患者所受輻射劑量提供了思路。

1.2 劑量降低和輻射優(yōu)化途徑

影響ED的主要參數(shù)有管電壓、管電流、掃描時間、層厚、螺距及掃描容積等。輻射劑量隨管電壓、管電流、掃描時間和掃描容積增加而增大，隨螺距增加而減少。此外，圖像的重建技術(shù)、非照射部位的防護等也對降低有效輻射劑量起作用，以下針對不同方法的特點分別介紹。

1.2.1 調(diào)節(jié)管電流降低管電流是目前降低輻射劑量的主要方式，也是低劑量CT檢查的主要方法之一。Naidich等[3]于1990年首次提出了低劑量CT掃描的概念，即在其他掃描參數(shù)不變的情況下，降低管電流成像也能達到診斷要求，因為放射線劑量與管電流呈線性關(guān)系，所以輻射劑量相應下降。調(diào)節(jié)管電流的技術(shù)包括選擇性降低管電流和直接降低掃描電流。選擇性降低管電流：基于患者體重的自動管電流調(diào)節(jié)（automatic tube current modulation，ATCM）[4-5]技術(shù)，能降低平均輻射劑量約20%；心電圖（electrocardiogram，ECG）調(diào)制電流曝光技術(shù)，根據(jù)較多學者研究結(jié)果[6-8]，當心率<75 次/min，無嚴重心律失常時，開啟ECG 電流調(diào)控較關(guān)閉的情況下輻射劑量降低18%以上，最高達48%。直接降低掃描電流：在管電壓一定的情況下，調(diào)低管電流，輻射劑量會呈線性降低。常規(guī)CT檢查中的管電流為200～250 mA，當降低至40～60 mA時測得輻射劑量僅約為前者的1/5[9]。雖然后者影像噪聲稍增大，但由于胸部組織具有天然高對比特征，肺組織密度分辨率和空間分辨率與小結(jié)節(jié)顯示差異均無統(tǒng)計學意義[10]。

1.2.2 調(diào)節(jié)管電壓輻射劑量與管電壓的平方成正比，降低管電壓能明顯降低患者的輻射劑量[11]。所有現(xiàn)代CT 標準檢查常規(guī)管電壓均用120 kVp，但研究者發(fā)現(xiàn)較低的管電壓，如80/100 kVp所得圖像的對比度優(yōu)于120 kVp，軟組織對比度較好[12]，已較多用于顱腦的血管造影及兒童CT檢查中，以減少輻射強度。近年來不少學者對比研究100 kVp與120 kVp用于胸部常規(guī)CT檢查，結(jié)果兩者圖像質(zhì)量的主觀評價和客觀參數(shù)的差異均無統(tǒng)計學意義[13-14]，而100 kVp較120 kVp 輻射劑量明顯減低，減少25%～48%，當管電壓從120 kVP降至80 kVP，輻射劑量減小40%[15-18]；同時報道，低管電壓可增加碘對比劑的衰減，增加外周和中心肺血管的辨析度。但并不是管電壓越低越好，低管電壓的X線穿透力較弱，對肥胖患者或某些致密部位，反而應升高電壓以保證圖像質(zhì)量。根據(jù)患者體質(zhì)指數(shù)（body mass index，BMI）選擇適合的電壓，采用ATCM技術(shù)，BMI≤18時選用管電壓80 kVp，18

1.2.3 其他掃描參數(shù)①螺距的作用：螺距與輻射劑量成正比。某些CT制造商為了補償螺距改變的有效管電流或每層管電流，增加了多層螺旋掃描的管電流；大螺距會增加螺旋掃描偽影，但同時提高了單位時間的掃描覆蓋率。有時圖像質(zhì)量和輻射劑量的折中選擇是必要的，具體應根據(jù)臨床應用的需要。②準直的作用：在多層螺旋CT中，由于Z軸方向的過度射線（over beam）導致輻射劑量增加，使用較小的準直可避免“輻射半影”。③層厚的作用：層厚大小由準直寬度決定，減小層厚，噪聲增加；層厚還影響圖像的對比度（部分容積效應），當層厚＝Z軸物體大小時，圖像優(yōu)化。④機架角度：適當傾斜機架角度可避免輻射敏感部位的X線劑量。⑤螺旋CT的掃描范圍：螺旋掃描的實際容積要大于標稱容積，造成了“過度輻射”，即為重建一次螺旋第一和最后一層圖像。實際容積大小受多種因素的影響（準直、層厚、螺距、重建技術(shù)），因此越小的掃描范圍越能減少不必要的輻射[20]。

1.2.4 圖像重建技術(shù)和放射防護圖像重建技術(shù)已較多應用于優(yōu)化圖像質(zhì)量，其中常見的技術(shù)有濾波反投影（fi ltered back-projection，F(xiàn)BP）、自適應統(tǒng)計迭代重建技術(shù)（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）和基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）[21]。當使用低劑量CT胸部掃描時，3種方法均可不同程度減少噪聲，改善圖像質(zhì)量，增加有用的診斷信息，有利于提高影像學診斷的準確性。在降低噪聲、提高圖像質(zhì)量方面，MBIR較ASIR更具明顯優(yōu)勢。基于MBIR在圖像重建中的良好表現(xiàn)，為實現(xiàn)更低電壓的低劑量CT技術(shù)提供了可能性；但MBIR圖像重建所需時間較長，不適用于急診診斷是其劣勢。相比之下，ASIR對系統(tǒng)的要求相對不高，目前可能更易推廣和普及。在放射防護方面，遮擋非照射部位及重要部位的特殊保護非常重要。在胸部CT掃描時，使用鉛衣遮擋甲狀腺、生殖器官等對減少輻射損傷能起到很好的作用。然而，目前市面上沒有針對特定器官特制的防護器具，常規(guī)鉛衣只能遮擋一面，無法做到真正全方位360°防護。因此，有關(guān)制造商應當對這方面進行改進。同時，放射科室應加強放射技師在患者放射防護中的執(zhí)行規(guī)范。

2 低濃度對比劑的應用與研究現(xiàn)狀

2.1 對比劑反應的發(fā)病機制與臨床表現(xiàn)

臨床上用于 CT 檢查的對比劑可分為離子型和非離子型兩種。對比劑的毒性主要包括離子失衡、滲透壓毒性及分子化學毒性3個方面。非離子型對比劑不含離子，不會產(chǎn)生離子失衡。離子型對比劑的分子化學毒性在于其結(jié)構(gòu)中含有羥基，羥基能與血清蛋白及酶系統(tǒng)結(jié)合，從而對血液系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)造成明顯的化學毒性；而非離子對比劑去除了羥基，不會產(chǎn)生以上化學毒性。對比劑毒性除以上的直接作用外，尚能引發(fā)機體繼發(fā)的不良反應，包括機體免疫反應及血管內(nèi)皮損傷等。對比劑引起的機體免疫反應是一種類似于抗原-抗體反應的“假過敏”反應，非離子型對比劑引起此反應的危險要小得多。對比劑反應的臨床表現(xiàn)多種多樣。Thomas等[22]建議將對比劑反應分為輕度、中度及重度 3 類。輕度：皮膚發(fā)紅、低熱、惡心、嘔吐、打噴嚏、咳嗽、寒戰(zhàn)等；中度：血壓輕度下降、全身皮膚蕁麻疹、面部水腫、呼吸困難等；重度：血壓明顯下降、呼吸嚴重困難、脈搏微弱、休克等。根據(jù)各種癥狀發(fā)生機制的不同，可將以上癥狀歸納為對比劑劑量相關(guān)癥狀和對比劑劑量無關(guān)癥狀兩類。前者與對比劑的理化性質(zhì)、黏度等有關(guān)，引起的癥狀主要包括皮膚發(fā)紅、寒戰(zhàn)、發(fā)熱、惡心、嘔吐等；后者與機體的高敏感性有關(guān)，主要為免疫反應所致，主要癥狀包括全身蕁麻疹、喉頭水腫、血壓下降及休克等。相關(guān)研究表明，臨床發(fā)生的對比劑反應多為與對比劑劑量相關(guān)的反應。由此可見，探索低劑量對比劑的應用具有重要的臨床意義。

2.2 低濃度對比劑的優(yōu)點

近年來對比劑應用優(yōu)化的相關(guān)研究成為熱點，主要包括對比劑濃度、對比劑使用劑量及注射速度3個方面。由于高濃度對比劑的應用能提高成像質(zhì)量，故大多數(shù)研究集中于對比劑使用劑量及注射速度的優(yōu)化，而關(guān)于對比劑濃度，特別是低濃度對比劑的相關(guān)研究尚少。對比劑引起的血管內(nèi)皮損傷及對比劑腎病[23]主要與其滲透壓和黏滯度有關(guān)，在目前臨床廣泛使用的非離子型對比劑中，在溫度一定的情況下，影響兩者的主要因素為對比劑的濃度。對比劑濃度越高，其滲透壓及黏滯度越大。以碘克沙醇為例，20 ℃下，濃度為 320 mgI/mL時，黏滯度為 25.4 mPa·s；而濃度為270 mgI/mL時，黏滯度僅為 11.3 mPa·s[24]。由此可見，對比劑濃度的選擇與對比劑反應的發(fā)生密切相關(guān)，使用低濃度對比劑對減少因滲透壓及黏滯度引起的機體損傷具有重要意義。在成像質(zhì)量方面[25]，隨著人們安全意識的提高，一味追求高濃度、高速度以求高質(zhì)量的方法已不能為廣大患者接受。高濃度對比劑雖然成像質(zhì)量較高，但其滲透壓及黏滯度增加所帶來的心腦血管、腎臟等毒副作用不容忽視，特別是在高危人群中應用更加受限。同時，對比劑濃度較高時，若想減少對比劑總量，注射劑量則要比常規(guī)劑量小得多，不利于峰值持續(xù)時間的維持。低濃度對比劑的毒副作用相對較小，對劑量的要求相對不嚴格，且能確實減少對比劑使用總量，因此具有一定的應用與研究前景。然而，對比劑濃度降低也要適量，至少應滿足一定的峰值強度及持續(xù)時間，從而使圖像質(zhì)量能滿足診斷要求。

3 低輻射劑量與低濃度對比劑聯(lián)合應用的研究現(xiàn)狀

根據(jù)報道，當電壓140 kVp時，X線光譜中平均光子能量為61.5 keV，120 kVp時為56.8 keV，100 kVp時為51.6 keV，80 kVP時為43.7 keV[26]。因此，在胸部CT掃描時，低管電壓增加了光電效應，導致碘的平均衰減值更高，用100 kVp替代120 kVp時可獲得更好的血管強化圖像。Cho等[27]在最新研究中發(fā)現(xiàn)，管電壓100 kVp與120 kVp相比，CT值提高28.5%，載噪比（carrier to noise ratio，CNR）提高19.1%，圖像噪聲增加35%；但通過ATCM調(diào)節(jié)增高管電流時，低管電壓時的圖像質(zhì)量更優(yōu)。該研究還指出，當對比劑濃度從370 mgI/mL降至300 mgI/mL時，由于低管電壓的作用，對比劑濃度降低18.9%，但血管的CNRVEIN并無差異。胸部組織具有天然高對比特征，可彌補“雙低”技術(shù)中低管電壓造成的圖像噪聲增加，同時低管電壓又可彌補低濃度對比劑造成的圖像CNRVEIN減低。

綜上所述，“雙低”技術(shù)是未來CT檢查發(fā)展的趨勢，目的是在保證圖像質(zhì)量滿足臨床診斷需求的前提下盡可能降低輻射劑量，減少檢查帶來的損傷。目前，“雙低”技術(shù)廣泛應用于臨床檢查還存在一些需解決的問題：①如何根據(jù)患者體型因素優(yōu)化參數(shù)。②“雙低”技術(shù)聯(lián)合應用時對比劑注射方案和CT掃描方案。③圖像質(zhì)量控制方面，在實際應用中如何保證圖像質(zhì)量。國外有多個組織機構(gòu)在進行相關(guān)方面的研究，而國內(nèi)研究尚少?！半p低”技術(shù)在胸部CT中的應用具有一定的研究價值，應通過多種手段綜合，積極開展臨床應用研究以積累經(jīng)驗。

[1]BOONE J M,STRAUSS K J,CODY D D,et al.Sizespecific dose estimates (SSDE) in pediatric and adult body CT examinations [J].Report of AAPM Task Group,2011,204(1):23.

[2]MCCOLLOUGH C,CODYD,EDYVEAN S,et al.The measurement,reporting,and management of radiation dose in CT [J].Report of AAPM Task Group,2008,23(3):1-28.

[3]NAIDICH D P,MARSHALL C H,GRIBBIN C,et al.Low-dose CT of the lungs:preliminary observations [J].Radiology,1990,175(3):729-731.

[4]SOOKPENG S,MARTIN C J,GENTLED J,et al.Comparison of different phantom designs for CT scanner automatic tube current modulation system tests [J].J Radiol Prot,2013,33(4):735-761.

[5]KALRA M K,MAHER M M,TOTH T L,et al.Comparison of z-axis automatic tube current modulation technique with fixed tube current CT scanning of abdomen and pelvis [J].Radiology,2004,232(2):347-353.

[6]CHRISTNER J A,ZAVALETTA V A,EUSEMANN C D,et al.Dose reduction in helical CT:dynamically adjustable z-axis X-ray beam collimation[J].Am J Roentgenol,2010,194(1):W49-W55.

[7]KETELSEN D,THOMAS C,WERNER M,et al.Dual-source computed tomography:estimation of radiation exposure of ECG-gated and ECG-triggered coronary angiography [J].Eur J Radiol,2010,73(2):274-279.

[8]WEUSTINK A C,MOLLET N R,PUGLIESE F,et al.Optimal electrocardiographic pulsing windows and heart rate:Effect on image quality and radiation exposure at dual-source coronary CT angiography [J].Radiology,2008,248(3):792-798.

[9]DONNELLY E F.Technical parameters and interpretive issues in screening computed tomography scans for lung cancer [J].J Thorac Imaging,2012,27(4):224-229.

[10]LARKE F J,KRUGER R L,CAGNON C H,et al.Estimated radiation dose associated with low-dose chest CT of average-size participants in the national lung screening trial [J].Am J Roentgenol,2011,197(5):1165-1169.

[11]HOJREH A,KAINBERGER F,PUIG S.Low-dosemultislice-CT in the pdiatric patient [J].Radiologe,2003,43(12):1051-1055.

[12]SZUCS-FARKAS Z,KURMANNL,STRAUTZ T,et al.Patient exposure and image quality of low dose pulmonary computed tomography angiography:comparison of 100 and 80 KVP protocols [J].Invest Radiol,2008,43(12):871-876.

[13]LESCHKA S,STOLZMANN P,SCHMID F T,et al.Low kilovoltage cardiac dual-source CT:Attenuation noise and radiation dose [J].Eur Radiol,2008,18(9):1809-1817.

[14]PFLEDERER T,RUDOFSKY L,ROPERS D,et al.Image quality in a low radiation exposure protocol for retrospectively ECG-gated coronary CT angiography [J].Am J Roentgenol,2009,192(4):1045-1050.

[15]FEUCHTNER G M,JODOCY D,KLAUSER A,et al.Radiation dose reduction by using 100-KVp tube voltage in cardiac 64-slice computed tomography:A comparative study [J].Eur J Radiol,2010,75(1):e51-e56.

[16]GORGOS A,REMY-JARDIN M,DUHAMEL A,et al.Evaluation of peripheral pulmonary arteries at 80 KVp and 140 KVp:dual-energy computed tomography assessment in 51 patients [J].Computer Assist Tomography,2009,33(6):981-986.

[17]PRASAD S R,WITTRAM C,SHEPARD J A,et al.Standard-dose and 50%-reduced-dose chest CT:comparing the effect on image quality [J].Am J Roentgenol,2002,179(2):461-465.

[18]YUAN R,SHUMAN W P,EARLS J P,et al.Reduced iodine load at CT pulmonary angiography with dual-energy monochromatic imaging:comparison with standard CT pulmonary angiography-A prospective randomized trial [J].Radiology,2012,262(1):290–297.

[19]KALENDER W A,DEAK P,KELLERMEIER M,et al.Application andpatient size dependent optimization of X-ray spectra for CT [J].Medical Physics,2009,36(3):993-1007.

[20]SZUCS-FARKAS Z,STRAUTZ T,PATAKM A,et al.Is body weight the most appropriate criterion to select patients eligible for low-dose pulmonary CT angiography? Analysis of objective and subjective image quality at 80 KVP in 100 patients [J].Eur Radiol,2009,19(8):1914-1922.

[21]KATSURAM,MATSUDA I,AKAHANEM,et al.Model-based iterative reconstruction technique for radiation dose reduction in chest CT:comparison with the adaptive statistical iterative reconstruction technique [J].Eur Radiol,2012,22(8):1613-1623.

[22]THOMAS M,PEEDICAYIL J,KOSHI T,et al.Adverse reactions to radiocontrast media in an Indian population[J].Br J Radiol,1999,72(859):648-652.

[23]LUDWIG U,CONNEMANN J,KELLER F.Effect of low-osmolar contrast medium iopromide and iso-osmolar iodixanol on DNA fragmentation in renal tubular cell culture [J].Clin Exp Nephrol,2013,17(6):779-782.

[24]IZZEDINEH,HULOT J S,LAUNAY-VACHER V,et al.Renal safety of adefovir dipivoxil in patients with chronic hepatitis B:two double-blind,randomized,placebo-controlled studies [J].Kidney Int,2004,66(3):1153-1158.

[25]PALMERS Y,KUHN F P,PETERSEN D,et al.Comparison in myelography between iodixanol 270 and 320 mgI/ml and iotrolan 300 mgI/ml:a multicentre,randomised,parallel-group,double-blind,phase Ⅲ trial [J].Eur Radiol,2002,12(3):686-691.

[26]HUDA W,SCALZETTIEM,LEVIN G.Technique factors and image quality as functions of patient weight at abdominal CT [J].Radiology,2000,217(2):430-435.

[27]CHO E S,CHUNG J J,KIM S,et al.CT venography for deep vein thrombosis using a low tube voltage (100 kVp)setting could increase venous enhancement and reduce the amount of administered iodine [J].Korean J Radiol,2013,14(2):183-193.