CT劑量控制技術(shù)探討

沈顯威，崔喜民，仝青英，呂 明

CT劑量控制技術(shù)探討

沈顯威，崔喜民，仝青英，呂 明

分析了CT輻射劑量的影響因素，闡述了常規(guī)CT輻射劑量控制的原理和方法。通過對(duì)CT探測(cè)器、掃描速度、管電流、管電壓及數(shù)據(jù)后處理等一系列主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)了現(xiàn)代CT輻射劑量控制所運(yùn)用的新技術(shù)和新方法。提出了操作技師應(yīng)依據(jù)患者個(gè)體體征進(jìn)行量體裁衣來設(shè)定劑量和掃描方式的建議，為進(jìn)一步降低CT輻射劑量提供借鑒。

CT；低劑量；X線輻射；劑量控制

0 引言

隨著CT技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，CT影像的分辨率和清晰度越來越高，照射時(shí)間越來越短，在提供更加清晰和更大范圍成像的同時(shí)，如何有效降低CT輻射劑量成為重要話題。輻射安全問題不僅影響到患者的疾病康復(fù)，也給醫(yī)務(wù)工作者的健康和工作環(huán)境帶來挑戰(zhàn)。在美國(guó)，占整個(gè)放射學(xué)檢查數(shù)量11%～13%的CT檢查，其輻射劑量卻約占整個(gè)放射檢查的67%[1]。為研究CT檢查的安全性，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院醫(yī)務(wù)人員用46只大白鼠進(jìn)行CT輻射安全性研究，結(jié)果表明，高曝光CT輻射劑量可致家兔急性脾組織的異常。有研究證明，過量頭部CT輻射可引起短暫性脫發(fā)，人體相對(duì)“脆弱”的甲狀腺和性腺對(duì)CT輻射敏感，精子和卵子在X線過量照射下會(huì)畸變，醫(yī)療輻射的致癌效應(yīng)已成為大眾健康的重要問題[2]。

為控制和降低CT輻射劑量，設(shè)備制造商和臨床CT操作技師都做出了不懈的努力和嘗試，在CT軟硬件上做出了諸多改進(jìn)，比如硬件上降低管電壓或管電流，探測(cè)器、準(zhǔn)直器及過濾器的性能改進(jìn)。軟件方面包括心電門控采集模式、濾波反投影技術(shù)（filtered back-projection，F(xiàn)BP）、迭代重建算法等。同時(shí)，臨床CT操作技師也不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，因人施“量”，最大程度上降低CT輻射劑量。

1 CT劑量控制技術(shù)介紹

1.1 提升探測(cè)器性能

X線探測(cè)器是CT的核心部件，探測(cè)器設(shè)計(jì)的改變將直接影響X線輻射劑量的大小。一方面是探測(cè)器材料的不斷創(chuàng)新和探索，早期使用高壓惰性氣體，后來發(fā)展為固體材料。因固體材料更適合螺旋掃描，所以現(xiàn)在高端CT基本都采用固體材料進(jìn)行探測(cè)器的制備，如西門子探測(cè)器使用的稀土陶瓷、GE使用的人造寶石、飛利浦使用的固體鎢酸鉻、東芝的閃爍晶體等。另一方面是探測(cè)器從單層、多層、球面等制作工藝上不斷進(jìn)化。東芝Aquilion ONE/640配置了320排大面積探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)16 cm超寬覆蓋，摒棄了傳統(tǒng)CT的螺旋掃描方式，最快0.35 s就能完成整個(gè)器官的成像，解決了包括心臟冠狀動(dòng)脈成像在內(nèi)的各種復(fù)雜的傳統(tǒng)CT成像難題。但隨著Z軸寬度的增加，錐形線束的偽影明顯加大，造成前后60幀圖像橫斷面無效，限制了探測(cè)器寬度的無限增加。為此，球面探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。飛利浦Brilliance iCT采用8 cm NanoPanel三維球面納米探測(cè)器，通過高精度模塊化技術(shù)將傳統(tǒng)意義上的64排探測(cè)器整合為4塊納米探測(cè)器模塊，每塊NanoPanel都相當(dāng)于256個(gè)傳統(tǒng)CT的探測(cè)器單元。新納米CT只需傳統(tǒng)CT 1/5的X線即可獲得清晰影像，只需1/2的造影劑即可獲得卓越的增強(qiáng)效果。球面排列的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)從硬件上消除散射線偽影，提高了圖像清晰度，同時(shí)顯著降低了射線劑量。

西門子雙源CT是在機(jī)架內(nèi)整合了2個(gè)X線球管和2套探測(cè)器（2個(gè)探測(cè)器成90°，分別對(duì)應(yīng)1個(gè)球管）。這種雙球管、雙探測(cè)器的構(gòu)造，克服了單球管、大螺距掃描信息的不足，結(jié)合大于3.0 mm的螺距掃描技術(shù)，加快了掃描速度，減少了對(duì)患者體型或身體狀況的限制，從而實(shí)施更為恰當(dāng)?shù)膾呙瑁R床應(yīng)用范圍得以拓展。2012年，西門子又推出了光子CT，該CT配備最新研發(fā)的Stellar光子探測(cè)器，具有“夜視”和“光柵”技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)成像和心血管清晰成像，提供疾病早期診斷的直接判斷依據(jù)。該機(jī)采用“0”電子圖像噪聲純凈技術(shù)，以低輻射劑量獲得高質(zhì)量診斷圖像。GE寶石能譜CT的寶石探測(cè)器，是在寶石中加入稀土元素，穩(wěn)定性比傳統(tǒng)稀土陶瓷探測(cè)器和鎢酸鎘探測(cè)器高20倍之多，結(jié)合寶石無縫切割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低輻射劑量下獲得更高圖像質(zhì)量。

1.2 加快掃描速度

掃描時(shí)間是指管球和探測(cè)器旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間。掃描劑量和掃描速度是相關(guān)的，速度越快，受檢者接受的輻照時(shí)間越短，輻射劑量越低。隨著高低壓滑環(huán)、磁懸浮、氣墊軸承等機(jī)械技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，CT設(shè)備從平移旋轉(zhuǎn)到多層螺旋，掃描時(shí)間也逐步從“分鐘”縮短到“秒級(jí)”“毫秒”級(jí)。現(xiàn)在的高端CT的掃描速度可以達(dá)到0.25～0.35 ms。掃描時(shí)間的縮短除了能夠有效降低患者輻照劑量、提高效率外，也是減少患者運(yùn)動(dòng)偽影的一個(gè)重要措施。西門子SOMATOM Definition Flash CT完成全胸掃描（包括心臟冠狀動(dòng)脈在內(nèi)）僅需0.6 s。該機(jī)75 ms的時(shí)間分辨力以及高達(dá)43 cm/s的掃描速度使患者無需服藥控制心率，首次實(shí)現(xiàn)無需屏氣的低輻射“綠色”心臟成像。東芝320排CT完成全器官掃描僅需0.35 s，所需時(shí)間僅為64排的1/12～1/30，能滿足全身大部分器官的全器官同期相成像。

1.3 創(chuàng)新管電流與管電壓控制技術(shù)

掃描電流和輻射劑量成線性關(guān)系，掃描電壓的平方與輻射劑量成線性關(guān)系，因此降低管電流和管電壓都可有效降低輻射劑量。自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于胸部及心血管增強(qiáng)CT，由于這2個(gè)領(lǐng)域組織具有著良好的對(duì)比度，利用該技術(shù)的低劑量成像已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用且成效顯著[3-4]。傳統(tǒng)螺旋掃描的自動(dòng)毫安技術(shù)僅僅根據(jù)患者的體質(zhì)量、身高和體型對(duì)X線曝光進(jìn)行控制?，F(xiàn)在的高端CT機(jī)都配備了三維劑量調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)體化最優(yōu)掃描參數(shù)配置。GE寶石CT的4D智能毫安技術(shù)和半劑量自動(dòng)毫安掃描技術(shù)，可以在降低30%輻射劑量的同時(shí)，降低碘對(duì)比劑劑量，實(shí)現(xiàn)在保證圖像質(zhì)量的前提下，有效降低CT掃描輻射劑量和對(duì)比劑的碘劑量，實(shí)現(xiàn)雙低概念，從而最大限度地降低對(duì)患者的潛在附加危害[5]。西門子CareDose4D技術(shù)，可針對(duì)不同的掃描部位或同一層面球管處于不同的掃描角度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)球管電流。同時(shí)，選配熱容量50 MHU球管，采用70 kV超低電壓掃描，降低掃描劑量。

1.4 數(shù)據(jù)后處理能力迅速發(fā)展

通過硬件的改進(jìn)來降低CT檢查的輻射劑量，主要是通過改進(jìn)X線采集技術(shù)來降低輻射劑量，因成效受限、研發(fā)成本高而漸入瓶頸。研究人員逐步探索軟件上的改進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)整體水平的高速發(fā)展，CT圖像重建模式有了突破性進(jìn)展。目前最主要的方法就是利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，采用迭代重建技術(shù)，使CT只需采集很少的數(shù)據(jù)便可獲得高質(zhì)量圖像，從而實(shí)現(xiàn)CT低輻射攝影。CT圖像重建主要有2種基本方法：解析重建和迭代重建。濾波反投影技術(shù)是解析重建的主要算法，一直被作為CT圖像重建技術(shù)的基礎(chǔ)和“金標(biāo)準(zhǔn)”[6]。但該技術(shù)要求投影數(shù)據(jù)充分并且精確定量，為保證充分的投影數(shù)據(jù)量以確保能重建出達(dá)到臨床診斷要求的圖像，所需的CT輻射劑量就比較高。隨著計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)能力的迅猛發(fā)展，迭代重建技術(shù)成為研究的熱門。相比于傳統(tǒng)的FBP，迭代重建算法可以有效克服FBP固有的問題，如可精確模擬系統(tǒng)幾何學(xué)，改善多能光譜、散射、噪聲、線束硬化和不完整采樣數(shù)據(jù)等。因此，迭代重建算法能有效提高圖像空間分辨力和減少偽影，降低輻射劑量。常用的迭代算法有代數(shù)重建算法（algebraic reconstruction technique，ART）、聯(lián)合代數(shù)重建算法（simultaneous algebraic reconstruction technique，SART）、同步迭代重建技術(shù)中的Cimmino算法、基于協(xié)方差矩陣絕對(duì)值算法（covariance abosute value，CAV）等[7-8]。

寶石ASiR平臺(tái)（ASiR turbo platform）的迭代重建技術(shù)能在圖像質(zhì)量不受損的前提下，降低50%的輻射劑量[9]。西門子雙源CT采用Safire迭代重建技術(shù)，降低螺旋偽影，提高圖像質(zhì)量，降低劑量最多可達(dá)60%，是目前唯一可以在FDA認(rèn)證中清楚寫明劑量降低幅度等數(shù)字信息的技術(shù)[10]。飛利浦星光iDose4迭代重建技術(shù)采用雙空間多模型技術(shù)，通過在投影空間和圖像空間進(jìn)行基于噪聲模型系統(tǒng)和解剖模型系統(tǒng)的迭代運(yùn)算，在確保圖像質(zhì)量的前提下降低80%的輻射劑量，提高68%的圖像分辨率，是當(dāng)前CT迭代重建算法的代表之作[11]。

1.5 心電門控技術(shù)日趨成熟

隨著高端CT明顯提高了CT冠狀動(dòng)脈成像的圖像質(zhì)量和成功率，臨床醫(yī)師逐步開始采用這種無創(chuàng)性方法進(jìn)行冠狀動(dòng)脈疾病的篩查，并已成為冠狀動(dòng)脈疾病在影像學(xué)方面的首選檢查手段。然而此項(xiàng)檢查給受檢者增加了輻射劑量。為降低照射劑量，心電門控技術(shù)得以深入挖掘。心電門控技術(shù)主要分為心電門控和心電觸發(fā)2種方式，即回顧性門控（retrospectiveECG-gating）和前瞻性門控（prospective ECG-triggering），俗稱后門控和前門控。前瞻性門控是利用心電圖（electrocardiograph，ECG）的波形預(yù)選R波延遲時(shí)間觸發(fā)掃描；回顧性門控是利用ECG和CT掃描的同步采集技術(shù)，獲得連續(xù)螺旋掃描數(shù)據(jù)與心臟運(yùn)動(dòng)同步的資料。前者是一種節(jié)約放射劑量的心電門控技術(shù)，曝光利用率高，相對(duì)總曝光量低，有更好的對(duì)比度分辨力和時(shí)間分辨力，有效降低輻射劑量[3-4]。當(dāng)心率≤65次/min且節(jié)律規(guī)則的患者行前瞻性心電門控CT血管造影術(shù)檢查時(shí)，能在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)顯著降低輻射劑量，相比回顧性心電門控掃描輻射劑量降低約70%，但是回顧性心電門控的心率要求相對(duì)寬松，圖像易于重建，檢查成功率更高[12]。

GE公司LightSpeed VCT-XT運(yùn)用電子束CT的前瞻性心電門控技術(shù)，其全心臟CT掃描時(shí)間小于1s，節(jié)省達(dá)90%的曝光劑量。用這款CT進(jìn)行心臟掃描，其有效放射劑量甚至小于普通人群的自然本底輻射。西門子SOMATOM Definition雙源CT采用適應(yīng)性ECG脈沖劑量調(diào)控技術(shù)，對(duì)心率的任何變化都會(huì)作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。在心率較快時(shí)，通過檢查床鐘擺式無縫式往復(fù)移動(dòng)的“閃螺”技術(shù)，加上劑量調(diào)控技術(shù)減少心臟采集時(shí)管球曝光，心臟采集劑量可減少一半以上，CT冠狀動(dòng)脈成像的輻射劑量甚至低于1 mSv。結(jié)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行冠狀動(dòng)脈成像的輻射劑量，已接近自然本底輻射（3～5 mSv）[13-14]。

2 結(jié)語

降低CT輻射劑量任重而道遠(yuǎn)，我們既要加強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備新技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)更要重視應(yīng)用層面上的管理。臨床醫(yī)師應(yīng)合理把握CT檢查適應(yīng)證，避免不必要的CT檢查。操作技師應(yīng)建立輻射防護(hù)概念，正確掌握和處理圖像質(zhì)量與輻射劑量之間的平衡關(guān)系，在治療方案的制訂和劑量的選擇上，盡可能“量體裁衣”，在保證影像質(zhì)量的前提下降低患者輻照劑量?？傊?，隨著CT成像技術(shù)的不斷發(fā)展，輻射劑量控制也將得到不斷改善。

志謝

本文承GE、Siemens、飛利浦、東芝公司提供資料，謹(jǐn)志謝意

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（收稿：2015-01-14 修回：2015-06-15）

Technologies for CT dose control

SHEN Xian-wei1,CUI Xi-min2,TONG Qing-ying3,LYU Ming3
（1.Department of Medical Engineering,Jilin Corps Hospital of PAP,Changchun 130052,China; 2.Department of Radiology,Jilin Corps Hospital of PAP,Changchun 130052,China; 3.Department of Medical Engineering,General Hospital of PAP,Beijing 100039,China）

The influencing factors of CT radiation dose were analyzed,and the principles and methods for conventional CT radiation control were described.The main technical parameters were analyzed for CT detector,scanning speed,tube current, tube voltage,data postprocessing and etc.Some newly-emerged technologies and methods were summarized for CT radiation dose control.It's suggested that the technician adopt tailored dose and scanning mode based on individual features.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（12）：132-134]

CT;low dose;X-ray radiation;dose control

R318.6；TH774

A

1003-8868（2015）12-0132-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.12.132

沈顯威（1972—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程的研究工作，E-mail：shenxianwei@163.com。

130052長(zhǎng)春，武警吉林省總隊(duì)醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（沈顯威），放射科（崔喜民）；100039北京，武警總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（仝青英，呂 明）