雙源CT技術(shù)新進(jìn)展
——對(duì)光篩架構(gòu)技術(shù)的認(rèn)識(shí)

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院靜安分院，上海 200040

引言

20世 紀(jì) 80年 代， 磁 共 振（Magnetic Resonance，MR）掃描儀面世時(shí)曾一度名為核磁共振（Nuclear Magnet Resonance，NMR），業(yè)內(nèi)曾有人戲言 ：“No more roentgen!”（X線成像已無更多的事情可做），其實(shí)則不然。CT誕生后40多年來從未停歇過發(fā)展腳步，自磁共振面世后，CT又有長(zhǎng)足進(jìn)步，諸如從層面CT到螺旋CT，從以器官的靜態(tài)觀察到動(dòng)態(tài)成像；從形態(tài)學(xué)觀察到功能性成像，它每邁出一步前進(jìn)步伐，無不體現(xiàn)CT逆勢(shì)成長(zhǎng)的生命力。本文將從螺旋CT發(fā)明人之一Willi A. Kalender博士在發(fā)明螺旋CT后，對(duì)CT的展望開始進(jìn)入討論。

1 CT發(fā)展的方向

斯坦福大學(xué)Geoff Rubin博士曾詢問螺旋CT發(fā)明人之一Willi A. Kalende：“何種技術(shù)或功能是當(dāng)今CT設(shè)備還未實(shí)現(xiàn)但又是不可或缺的？”Kalender在其專著《計(jì)算機(jī)斷層掃描——理論、技術(shù)、圖像質(zhì)量、臨床應(yīng)用》一書中答道：① 必須突破掃描范圍的限制；② 必須突破復(fù)雜心率的桎梏；③ 必須實(shí)現(xiàn)“四率合一”（時(shí)間分辨率、空間分辨率、能量分辨率、密度分辨率）的成像；④ 必須由單純影像顯示到功能情況的呈現(xiàn)；⑤ 必須探索更低輻射劑量的方法。

如今，被Kalender博士提及的發(fā)展方向，正在逐一實(shí)現(xiàn)。1998年多排螺旋CT的面世，基本解決了Kalender博士的第一個(gè)展望，而其后CT的發(fā)展使Kalender博士的預(yù)測(cè)更得到證實(shí)；隨著CT轉(zhuǎn)速的不斷提高以及采集方式多樣化，第二個(gè)展望也已基本成為現(xiàn)實(shí)；此外，展望中的第三、四和第五也都先后實(shí)現(xiàn)。

先哲達(dá)爾文曾有名訓(xùn)：“能生存下來的物種不是最強(qiáng)的物種，而是最能適應(yīng)環(huán)境的物種。”下文將對(duì)雙源CT中，光篩架構(gòu)技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 光篩架構(gòu)技術(shù)

光篩架構(gòu)技術(shù)是CT成像技術(shù)的重要改進(jìn)之一。由于這一改進(jìn)，使CT成像的射線束能譜更趨純化，從而使被檢者的輻射劑量得以進(jìn)一步降低。

光篩架構(gòu)的技術(shù)改進(jìn)包括：① 高壓發(fā)生器與X線管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)；② 逆變單元采用“絕緣柵雙極型晶體管”；③ X線管窗口附加濾過材料的改進(jìn)；④ 多種線束濾過技術(shù)的組合。

3 光篩架構(gòu)的基本組成

從技術(shù)原理而言，所有CT系統(tǒng)的影像鏈都由X線源（X線管）和X線檢測(cè)裝置（探測(cè)器）組成，光篩架構(gòu)解決了CT成像中一系列新的技術(shù)要求，通過對(duì)線束硬化校正和“整形”，基本消除了硬化偽影和散射，避免探測(cè)器飽和，實(shí)現(xiàn)圖像噪聲的均勻化；通過減少低keV射線光子數(shù)量，提高X線光譜的平均強(qiáng)度，從而進(jìn)一步優(yōu)化能量分離，提升組織分辨能力；同時(shí)高壓發(fā)生器與X線管的全新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的應(yīng)用，使低管電壓時(shí)圖像信噪比得以明顯提高。

作為新一代的架構(gòu)（圖1），光篩帶來的技術(shù)創(chuàng)新包括一整套的光濾和光子篩，其中：① 通過標(biāo)準(zhǔn)光濾（線束硬化光濾）濾掉低能量光子；② 利用蝶形光濾（線束整形光濾）進(jìn)一步去除掃描場(chǎng)外圍的光子；③ 利用光子篩改變X線譜的平均強(qiáng)度。多年來，盡管高壓發(fā)生器、X線管技術(shù)和探測(cè)器技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，線束濾過作為CT影像鏈的關(guān)鍵技術(shù)之一，卻并未得到廣泛的臨床應(yīng)用或改進(jìn)。此外，由高壓逆變單元新組件、X線管電路的新拓?fù)?，以及第二代探測(cè)器集成化技術(shù)綜合改進(jìn)的影像鏈，使設(shè)備整體性能得以提升。

圖1 光篩架構(gòu)

3.1 材料的選擇和位置

材料選擇的依據(jù)：原子序數(shù)40≤Z≤83區(qū)間；② 非放射性、非揮發(fā)性；③ 可加工的單一元素中，錫（Sn）可成為附加光譜濾過裝置的材料。

3.2 “光子篩”

由一定厚度的Sn制成可移動(dòng)的、可選擇的過濾器裝置，其專門名稱為“光子篩”。

3.3 位置和作用

在標(biāo)準(zhǔn)柵和蝶形光濾之外，光子篩過濾位于X線管的前端，通過光子篩將獲得較窄的X線束光譜，大幅度減少射線束中低keV光子數(shù)量，從而獲得較高的平均能量（圖2）。

隨著第一代雙源CT的誕生，線束濾過是以這種新技術(shù)方法為基礎(chǔ)而起步的，此后逐漸在臨床應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)其能顯著降低輻射劑量。在高對(duì)比度物體的穿透性和增強(qiáng)/非增強(qiáng)CT成像的獨(dú)立掃描中的獨(dú)特作用而得到不斷改善。Sn 100 kV時(shí)，相同輻射劑量下的圖像噪聲始終低于120 kV標(biāo)準(zhǔn)X線圖像的噪聲（對(duì)于所有體模）。如果圖像噪聲恒定情況下，線束濾過技術(shù)有降低輻射劑量的可能性（圖3）。

對(duì)于相同的輻射劑量但不同的X線光譜：① 120 kV；② Sn 100 kV ；③ Sn 150 kV。換言之，Sn 100 kV 與120 kV射線平均能量相同，但輻射劑量顯著降低。

4 線束濾過的應(yīng)用效果研究和前瞻

4.1 應(yīng)用效果研究

在2019年第105屆北美放射年會(huì)上，來自瑞典卡洛琳斯卡學(xué)院的Murkes教授展示了線束濾過在兒科影像檢查的應(yīng)用研究。Murkes教授及其團(tuán)隊(duì)曾對(duì)一組氣道異物的兒童作線束濾過CT檢查與傳統(tǒng)放射學(xué)檢查的回顧性比較研究。該研究總計(jì)評(píng)估分析136個(gè)檢查案例，其中75例采用傳統(tǒng)放射學(xué)檢查（X線胸片/透視），其余病例則采用線束濾過CT檢查，同時(shí)還比較了兩者在診斷準(zhǔn)確性和有效輻射劑量方面的差異。研究結(jié)果表明：氣道異物線束濾過CT檢查比傳統(tǒng)放射學(xué)檢查具有更低的輻射劑量，兩者的中位數(shù)分別為0.04 mSv和0.1 mSv。在兩種檢查的敏感性與特異性方面，線束濾過CT為100%和98%，顯示出遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)放射學(xué)檢查的結(jié)果（33%和96%）。在兩種檢查的陽性和陰性預(yù)測(cè)值研究中，線束濾過CT的研究結(jié)果為90%和100%，也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)放射學(xué)檢查（60%和91%）。據(jù)此，Murkes教授及其團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：線束濾過CT在兒童影像檢查中不僅可以有效降低輻射劑量，同時(shí)還能提高診斷的準(zhǔn)確率。

4.2 展望

CT的光篩架構(gòu)和線束濾過技術(shù)仍在不斷完善中，雖然作為新一代技術(shù)架構(gòu)，它具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但仍可以看到其在X線檢測(cè)器方面還有改進(jìn)的空間。同時(shí)，隨著功能學(xué)CT影像和進(jìn)一步探索低劑量CT，以及相關(guān)臨床應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，將推動(dòng)CT拓展新的技術(shù)使臨床應(yīng)用價(jià)值得到不斷的創(chuàng)新。