劉 彬喬 磊白 玫

CT低劑量技術(shù)新進(jìn)展*

劉 彬①喬 磊①白 玫①

目的：探討目前CT低劑量技術(shù)的最新進(jìn)展。方法：從寬探測(cè)器的應(yīng)用、探測(cè)器材質(zhì)的更新?lián)Q代、大pitch加快掃描速度及迭代重建算法的演變4個(gè)角度，闡述低劑量技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果：CT低劑量技術(shù)的應(yīng)用，可以在保證診斷有效信息的前提下，降低患者輻射劑量最多可達(dá)86%。結(jié)論：盡管存在一些限制，先進(jìn)的CT低劑量技術(shù)可以大大降低患者輻射劑量，并為更深廣的診斷需求提供了可能。

計(jì)算機(jī)斷層成像；輻射劑量；受照劑量

1 寬探測(cè)器的應(yīng)用

在雙源、雙能量CT初具雛形之前，縱觀CT發(fā)展歷程，CT掃描設(shè)備的演變過(guò)程一直遵循著探測(cè)器排數(shù)不斷擴(kuò)寬的路線。從2排、16排、64排、128排到現(xiàn)在的256排、320排。從這個(gè)角度出發(fā)，各廠商思路基本一致，就是不斷地?cái)U(kuò)大單位時(shí)間內(nèi)的覆蓋范圍，以求獲得更快的CT掃描速度[1-6]。

隨著探測(cè)器排數(shù)的不斷增加，掃描速度的不斷加快，CT在心臟檢查中受到心臟搏動(dòng)的限制得以克服，從16排開(kāi)始MDCT冠脈成像逐步成為了非創(chuàng)傷冠脈檢查的重要手段[1-2,6-8]。由于MDCT冠脈成像采用小Pitch進(jìn)行掃描，與傳統(tǒng)CT掃描相比，冠脈成像會(huì)給患者帶來(lái)較大的輻射劑量，這個(gè)弊端也制約著MDCT冠脈成像的發(fā)展。降低冠脈成像輻射劑量的技術(shù)手段不斷推陳出新，比如前、后ECG門控方法等。相關(guān)研究表明，從16排到64排CT冠脈成像，患者輻射劑量有所提高[6,10]。但隨著256排CT的問(wèn)世，輻射劑量卻得以大幅下降[6,9]。表1列舉了3種不同排數(shù)CT冠脈成像有效劑量的研究結(jié)果。由于各個(gè)廠商設(shè)計(jì)CT設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)造不同，導(dǎo)致冠脈成像選取參數(shù)，如：螺距、層厚、掃描時(shí)間、管電流有很大差別，因此單純對(duì)比劑量大小并不可取。表1中選取的3項(xiàng)研究結(jié)果是采用不同廠商生產(chǎn)的CT設(shè)備，但對(duì)每一項(xiàng)單獨(dú)的研究采用的是同一廠商生產(chǎn)的不同排數(shù)的CT設(shè)備，因此具有可比性。

表1 不同排數(shù)CT冠脈成像有效劑量(mSv)

Hausleiter等[10]對(duì)比了采用Siemens Somatom Sensation Cardiac 16排和64排兩種機(jī)型進(jìn)行冠脈成像所致患者有效劑量(同時(shí)涵蓋了采用及不采用ECG門控技術(shù)的數(shù)據(jù))。研究結(jié)果表明：雖然64排CT極大提高了圖像的空間和時(shí)間分辨率，但患者的有效劑量也大幅增加。從16排到64排空間分辨率的提高主要是依賴準(zhǔn)直器和減小單層層厚實(shí)現(xiàn)的(從0.75 mm下降到0.6 mm)。時(shí)間分辨率的提升是依靠加快旋轉(zhuǎn)速度得以實(shí)現(xiàn)。因此為了在減小層厚、提高旋轉(zhuǎn)速度的基礎(chǔ)上保證圖像質(zhì)量，需要提高管電流增加探測(cè)器接收光子的數(shù)量。管電流的增加使得輻射劑量也有了一定程度的增加。與此同時(shí)，單次掃描，64排CT可以獲得更多層的原始圖像，掃描范圍也較之16排CT有所加寬，也是劑量增加的一個(gè)因素。

如果隨著探測(cè)器排數(shù)增加就會(huì)帶來(lái)輻射劑量增加，那么CT設(shè)備在排數(shù)上的更新?lián)Q代就是一個(gè)很頭疼的問(wèn)題。然而幸運(yùn)的是，從128排CT的問(wèn)世，到現(xiàn)在的256排、320排CT，排數(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)增，并沒(méi)有導(dǎo)致輻照劑量的繼續(xù)增加，反而出現(xiàn)了大幅下降的趨勢(shì)。

Mori等[6]對(duì)比了Toshiba Aquilion 16排、64排及256排3種機(jī)型冠脈成像所致患者有效劑量，研究結(jié)果見(jiàn)表1。16排和64排CT冠脈成像采用的有效毫安秒(mA/s)是256排CT冠脈成像的4倍，有效劑量是256排CT的1.5～2.0倍。256排CT較之低排數(shù)CT能夠降低輻射劑量的原因在于以下方面：①低排數(shù)CT在進(jìn)行螺距＜1的螺旋掃描時(shí)照射野的重疊現(xiàn)象會(huì)增加受照劑量；而寬排數(shù)CT減小了照射野的重疊現(xiàn)象，在一定程度上降低了輻射劑量。②低排數(shù)CT冠脈成像為了解決心臟搏動(dòng)帶來(lái)的偽影問(wèn)題采用ECG時(shí)域門控的方法，雖然是在整個(gè)心動(dòng)周期采集數(shù)據(jù)(后門控方法)，CT成像系統(tǒng)只重建不同投照角度下相同ECG時(shí)相的圖像，因此有很大一部分曝光圖像是浪費(fèi)掉了，曝光利用率并不高。相比之下，寬排數(shù)CT憑借極快的掃描速度，提高了曝光利用率，降低了輻射劑量。

雖然寬排CT的掃描模式使得冠脈成像受照劑量較之低排數(shù)CT冠脈成像已經(jīng)有了大幅度的下降，但人們還在不斷探究進(jìn)一步減低輻射劑量的方法。比如在寬排CT系統(tǒng)中整合已廣泛應(yīng)用的3 D毫安自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，以及整合ECG門控技術(shù)等[9,11]。Chen等[9]對(duì)Philips Brilliance 256排CT冠脈成像采用不同程度的ECG前、后門控模式成像劑量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在保證圖像質(zhì)量的前提下，采用適當(dāng)?shù)腅CG門控模式，最高可將劑量降低77%，僅需要2.7 mSv的有效劑量就可以進(jìn)行一期冠脈成像掃描。

目前，寬排CT系統(tǒng)在降低掃描劑量的問(wèn)題上有了突破性的進(jìn)展，但如何能夠更好的設(shè)計(jì)掃描模式，讓寬排CT的特性得到最大程度的發(fā)揮，更好的服務(wù)于臨床診斷，值得繼續(xù)深入探討。同時(shí)，對(duì)于寬排CT的關(guān)注目標(biāo)已經(jīng)不僅僅是單純的降低劑量，已開(kāi)始探究在保證足夠低的輻照劑量前提下，如何提高管電流，以提升圖像質(zhì)量滿足更多的診斷需要。

2 探測(cè)器材質(zhì)的更新?lián)Q代

CT成像系統(tǒng)中有眾多環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的性能都將影響到CT成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量和輻射劑量。其中探測(cè)器的性能是一個(gè)基本的重要環(huán)節(jié)。一直以來(lái)探測(cè)器的材質(zhì)基本包含兩大類，一類是GE公司采用的HiLight材質(zhì)探測(cè)器；另一類是日立、東芝、西門子和飛利浦公司采用的GOS材質(zhì)探測(cè)器。近年來(lái)隨著GE公司的寶石能譜CT的問(wèn)世，另一類新型材質(zhì)的探測(cè)器進(jìn)入人們的視線?！皩毷?Gemstone)材質(zhì)探測(cè)器是GE公司投資5000萬(wàn)美金，耗時(shí)10年研發(fā)的新型透明多晶材料探測(cè)器。與老一代材質(zhì)探測(cè)器相比，寶石材質(zhì)探測(cè)器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。眾所周知，對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)，X射線激發(fā)可見(jiàn)光速度越快越好，初始速度越快，可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換速度越快，清空速度越快，余暉效應(yīng)越小。與GOS相比，寶石材質(zhì)探測(cè)器可使X射線響應(yīng)速度最快初始速度加快150倍，清空速度加快10倍，余暉效應(yīng)降低到1/4。這一特性有助于提高圖像空間分辨率和降低噪聲，從而增加對(duì)低對(duì)比度的敏感性，促進(jìn)臨床中低劑量技術(shù)的應(yīng)用。

3 大pitch加快掃描速度

隨著CT技術(shù)不斷提升，傳統(tǒng)的單源計(jì)算機(jī)斷層掃描(single-source computed tomography, SSCT)旋轉(zhuǎn)時(shí)間和多扇區(qū)重建技術(shù)都在一定程度上提升了時(shí)間分辨率。但是受限于工業(yè)水平和CT旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大離心力，目前最快的CT也只能達(dá)到0.27 s旋轉(zhuǎn)一圈。多扇區(qū)重建也依賴于重建原始數(shù)據(jù)時(shí)相的選取和對(duì)患者心率的估計(jì)，并且不能擺脫冠狀動(dòng)脈帶狀偽影的困擾。采用傳統(tǒng)SSCT進(jìn)行冠脈成像掃描，如果螺距過(guò)大，獲得多扇區(qū)原始數(shù)據(jù)的間隔就會(huì)比較大，嚴(yán)重影響到重建后圖像質(zhì)量。因此為了保證一定的時(shí)間和空間分辨率，SSCT進(jìn)行冠脈成像需要采用較小的螺距進(jìn)行掃描。即便生產(chǎn)廠商提供了可根據(jù)心率選擇螺距的功能，為得到有用的診斷信息，在臨床應(yīng)用中可選擇的螺距范圍也很窄，一般在0.2～0.24之間。在較長(zhǎng)的掃描時(shí)間里采用小螺距會(huì)給患者帶來(lái)較大的受照劑量。對(duì)于＞100 bpm的心率，心臟舒張期很短，受到時(shí)間分辨率的限制，即便是提高了螺距，也很難獲得該時(shí)相內(nèi)的全部數(shù)據(jù)[12]。

近些年推出的雙源計(jì)算機(jī)斷層掃描(dual-source computed tomography，DSCT)通過(guò)兩套成一定角度的X射線球管系統(tǒng)和兩套探測(cè)器系統(tǒng)同時(shí)采集人體圖像。與傳統(tǒng)的16排及64排SSCT相比，DSCT最大的優(yōu)勢(shì)是83 ms的時(shí)間分辨率。這樣高的時(shí)間分辨率使得冠脈成像單扇區(qū)重建成為可能，并且擺脫了心率的限制，即便是在高心率下掃描，通過(guò)單扇區(qū)重建，也能獲得很好的圖像質(zhì)量。由于DSCT冠脈成像不再依賴于多扇區(qū)重建，螺距可以根據(jù)患者心率進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)，以優(yōu)化圖像質(zhì)量和輻射劑量。一般螺距的調(diào)節(jié)范圍為0.25～0.5[12-15]。

Dikkers等[15]采用具有可調(diào)節(jié)心率模擬心臟搏動(dòng)功能體模進(jìn)行研究，對(duì)比SSCT與DSCT冠脈成像圖像質(zhì)量和輻射劑量。研究結(jié)果顯示，對(duì)于所有心率范圍DSCT獲得圖像質(zhì)量的評(píng)分明顯優(yōu)于SSCT。并且DSCT的圖像質(zhì)量穩(wěn)定，而SSCT的圖像質(zhì)量隨著心率的增加出現(xiàn)明顯惡化趨勢(shì)。對(duì)于不同心率范圍，SSCT采用相同的螺距(0.2)，產(chǎn)生的有效劑量為15.2 mSv。而DSCT可根據(jù)不同的心率范圍調(diào)節(jié)螺距(0.21～0.54)，有效劑量范圍從50 bmp的19.7 mSv到110 bmp的8.0 mSv。對(duì)于70 bmp以上的心率，相比SSCT，DSCT在保證圖像質(zhì)量的前提下可大幅降低輻射劑量。除了體模實(shí)驗(yàn)，M.Wang等人采用臨床病例對(duì)DSCT和SSCT的成像質(zhì)量和輻射劑量進(jìn)行評(píng)價(jià)得到了類似的結(jié)論[12]。在＜70 bmp的心率條件下，DSCT冠脈成像并無(wú)明顯的劑量降低，但在＞70 bmp的心率條件下，相比SSCT，DSCT冠脈成像的輻射劑量大幅降低。

4 迭代重建算法的演變

迭代重建算法是當(dāng)今CT領(lǐng)域的熱門話題之一，幾乎所有的廠商都開(kāi)發(fā)、推廣新型的迭代重建算法。其實(shí)早在CT誕生時(shí)，就存在迭代重建算法來(lái)完成原始數(shù)據(jù)的重建，最早是代數(shù)重建算法(algebraic reconstruction technique, ART)，這種算法很快就被解析重建算法取代。在過(guò)去的40年中，CT設(shè)備中廣泛應(yīng)用的解析重建算法為濾波反投影重建技術(shù)(filtered back projection，F(xiàn)BP)[16]，以FBP為代表的解析重建算法是基于投照數(shù)據(jù)反映的X射線衰減和像素值數(shù)學(xué)關(guān)系的一種算法。但是投照后的原始數(shù)據(jù)存在噪聲，并且噪聲在通過(guò)濾波反射投影后被放大。FBP重建算法需要選擇濾波函數(shù)或卷積核以平衡重建后圖像的空間分辨率和噪聲，因此空間分辨率的提高就會(huì)增加噪聲，在保證圖像質(zhì)量的前提下降低輻射劑量受到很大程度的限制。

迭代重建算法是基于噪聲的統(tǒng)計(jì)模型，通過(guò)每次迭代提高圖像質(zhì)量，它假定圖像是平滑的，對(duì)鄰近的像素設(shè)定相同值。與傳統(tǒng)的解析重建算法相比，迭代重建算法存在一些問(wèn)題：①迭代算法要不斷重復(fù)重建過(guò)程，因此比解析重建算法速度慢，由于重建速度慢，迭代重建算法最初應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)發(fā)射斷層掃描，發(fā)射斷層掃描圖像噪聲較大，但是投影數(shù)據(jù)量較小，因此比較適合速度慢、降噪能力強(qiáng)大的迭代重建算法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)大的計(jì)算能力使得迭代重建算法開(kāi)始進(jìn)入CT領(lǐng)域；②在迭代算法開(kāi)始前，所有的投照數(shù)據(jù)必須已經(jīng)生成；③如果循環(huán)次數(shù)超過(guò)了最佳迭代次數(shù)，過(guò)度降噪的結(jié)果反而會(huì)降低圖像質(zhì)量；④迭代重建結(jié)果依賴于噪聲模型和對(duì)真實(shí)圖像的假設(shè)。

迭代重建算法盡管存在上述限制，但仍受到人們的關(guān)注，其在降噪、提高圖像質(zhì)量上有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[17-23]。目前開(kāi)發(fā)的迭代算法，不僅針對(duì)降低泊松噪聲有效，對(duì)射線硬化噪聲、散射噪聲及運(yùn)動(dòng)噪聲都有一定的抑制作用。

目前迭代重建算法的發(fā)展速度很快。GE公司于2008年推出的新一代自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建技術(shù)(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)，通過(guò)預(yù)期噪聲圖和軸掃圖像相結(jié)合的方法減小像素值的變化(該迭代算法假定圖像像素值的變化從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上不利于反應(yīng)真實(shí)解剖結(jié)構(gòu))。如果圖像中某個(gè)體素值與其臨近的體素值相差懸殊，ASIR算法則會(huì)假定該體素沒(méi)有真實(shí)的反應(yīng)解剖結(jié)構(gòu)，而是統(tǒng)計(jì)波動(dòng)變化或是噪聲導(dǎo)致。當(dāng)考慮所有類似的因素，重建圖像就進(jìn)行了更新。由于僅需要有限的數(shù)次迭代過(guò)程就能完成這樣的圖像更新，與FBP相比ASIR的重建時(shí)間僅增加了50%。國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了許多基于ASIR重建算法成像質(zhì)量與輻射劑量的相關(guān)研究[21-22]，結(jié)果顯示，與FBP相比采用ASIR低劑量成像可以獲得相同甚至更好的圖像質(zhì)量，而輻射劑量可減低65%。

在GE推出ASIR算法兩年之后，西門子公司也推出了自己的迭代重建算法：圖像空間迭代重建算法(iterative reconstruction in image space, IRIS)。與傳統(tǒng)的迭代重建算法不同之處是，IRIS僅從原始數(shù)據(jù)生成一次“主”圖像。主圖像保留圖像的全部信息，并含有大量噪聲。剩下的計(jì)算是在圖像空間基于主圖像的迭代過(guò)程，對(duì)“主”圖像不斷修正，使其逐漸趨近于“真實(shí)”圖像。噪聲模型是基于原始數(shù)據(jù)生成的，并根據(jù)噪聲模型提取圖像特征、邊緣信息、對(duì)比度噪聲比等參數(shù)用于迭代修正算法。每次迭代修正完成后，生成的新圖像與原始圖像相比，在下一次迭代之前將更新數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于IRIS是基于圖像空間的迭代重建循環(huán)(而非原始數(shù)據(jù)空間)，因此加快了迭代速度。IRIS在降低圖像噪聲的同時(shí)根據(jù)掃描系統(tǒng)和重建參數(shù)特征保留了圖像的銳利度和低對(duì)比結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外研究表明[17,19-20]，與FBP重建算法相比，IRIS迭代重建算法，可以有效去除圖像噪聲，在不降低圖像空間分辨率的情況下，大幅降低輻射劑量。胸部、腹部掃描輻照劑量可減低35%和50%，冠脈成像掃描劑量可減低40%～50%。但是采用IRIS方法重建圖像的噪聲紋理與FBP重建圖像存在很大差別。以往醫(yī)生已經(jīng)習(xí)慣了FBP重建圖像噪聲的表達(dá)方式，IRIS在噪聲紋理上的改變會(huì)在一定程度上給診斷帶來(lái)困擾。

2011年飛利浦公司推出了第四代迭代算法iDose4。iDose4迭代算法在減少圖像噪聲的同時(shí)盡可能少地改變?cè)肼暪β首V。因此保留了與FBP圖像相同的噪聲紋理，易于讓臨床醫(yī)生接受。Mieville等[17]研究發(fā)現(xiàn)，iDose4迭代算法在降低圖像標(biāo)準(zhǔn)方差的同時(shí)，圖像的噪聲功率譜曲線并未有明顯改變。但是，需要指出的是，與FBP相比iDose4雖然減少了重建圖像的噪聲，并未改變MTF曲線。這就意味著如果想得到更好地空間分辨率，iDose4需要結(jié)合圖像銳化濾波。也就是說(shuō)，如果采用iDose4進(jìn)行低劑量掃描，需要改變重建參數(shù)以保證圖像質(zhì)量。東芝公司也推出了自己的迭代算法AIDR，AIDR是一種適應(yīng)型算法，可以自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)迭代次數(shù)。

近來(lái)GE公司又推出了一套完全迭代重建算法亦稱基于模型的迭代重建算法(model-based iterative reconstruction，MBIR)，商業(yè)名稱為VEO。和其前身ASIR不同的是，VEO采用的是原始數(shù)據(jù)空間的完全迭代算法。在重建時(shí)不單單考慮數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值，還關(guān)注設(shè)備的幾何特征，如掃描物體的體素、焦點(diǎn)大小和探測(cè)器有效尺寸等參數(shù)。不但如此，為了提高模型的精準(zhǔn)度，引入了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式以考慮射線硬化、散射和金屬尾影的物理效應(yīng)。國(guó)外已有研究結(jié)果顯示[17]，與前一代迭代重建算法(如ASIR和iDose)相比，VEO表現(xiàn)出更優(yōu)越的降噪功能，并能有效地提高圖像的空間分辨率，同時(shí)能有效降低輻射劑量67%～86%。但是由于復(fù)雜的計(jì)算，VEO的實(shí)現(xiàn)需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，因此VEO的臨床應(yīng)用還需要一段時(shí)日。

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Latest development of low-dose CT technique

LIU Bin, QIAO Lei, BAI Mei

Objective: To decrease the radiation for computed tomography examination and to improve the safety of patients is an important direction of the development of CT technique. Methods: We demonstrated the principles, merits and drawback and their potentialities of each kind of new low-dose CT technique. Results: With the new developed low-dose CT technique, patients’ dose could be reduced by 86% without losing clinical information. Conclusion: Despite of some limitation, new developed low-dose CT techniques can decrease patients’ dose dramatically and make more widely and deeply clinical needs possible.

Computed tomography; Radiation dose; Exposure dose

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing 100053, China.

1672-8270(2012)08-0048-05

TH774

A

劉彬,女,(1979- ),碩士，工程師。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，研究方向：醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制。

2012-03-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(30870751)“多拍螺旋CT臨床成像質(zhì)量與受檢者受照劑量?jī)?yōu)化配比及評(píng)價(jià)方法研究”

①首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100053

China Medical Equipment,2012,9(8):48-52.

從1972年計(jì)算機(jī)斷層成像(computed tomography，CT)正式宣告誕生，CT成像技術(shù)已經(jīng)不斷演化發(fā)展成為全球廣泛使用的重要診斷手段之一。隨著科技的不斷發(fā)展，CT設(shè)備飛速地更新?lián)Q代，很多以前停留在“概念”和“實(shí)驗(yàn)”階段的設(shè)想也依托先進(jìn)的科技得到了廣泛的實(shí)現(xiàn)。在層出不窮的CT新技術(shù)中，如何降低輻射劑量，提高檢查安全性，成為CT技術(shù)一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。CT低劑量已成為所有CT學(xué)術(shù)論壇聚焦的熱點(diǎn)問(wèn)題，受到各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。通過(guò)總結(jié)歸納近年來(lái)不同廠商推出有關(guān)低劑量成像的相關(guān)內(nèi)容，解析闡述低劑量CT掃描新技術(shù)的產(chǎn)生、基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及有待解決的問(wèn)題。

CT成像系統(tǒng)的很多環(huán)節(jié)都存在著降低輻射劑量的技術(shù)提升空間。因此，低劑量CT成像是個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的技術(shù)革新過(guò)程，對(duì)低劑量技術(shù)的探討主要從以下幾方面進(jìn)行闡述：寬探測(cè)器的應(yīng)用、探測(cè)器材質(zhì)的更新?lián)Q代、大pitch加快掃描速度及迭代重建算法的演變。