葛東泉 綜述 耿海 審校

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·低kV低濃度對比劑專題·

低劑量CT迭代重建技術(shù)及低濃度對比劑的應(yīng)用進(jìn)展

葛東泉 綜述 耿海 審校

CT技術(shù)的快速發(fā)展為臨床帶來極有益的診斷信息，但CT檢查及對比劑的過度使用也使輻射風(fēng)險加大，對比劑腎病及其它并發(fā)癥日趨增多。如何在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能的降低輻射劑量、減少對比劑應(yīng)用，成為近年來研究的熱點。本文就降低CT掃描輻射劑量的技術(shù)及低濃度對比劑的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

體層攝影術(shù)，X線計算機； 輻射劑量； 對比劑； 對比劑腎??； 迭代重建

據(jù)報道[1]美國由于CT輻射累計而造成的癌癥患者可高達(dá)2%。根據(jù)德國聯(lián)邦放射防護辦公室公布的年度報告2003年CT檢查的數(shù)量占所有放射學(xué)檢查數(shù)量的6.1%，其輻射劑量占所有放射學(xué)檢查輻射劑量的51.9%；2008年，上述數(shù)據(jù)分別上升至8%和60%。隨著發(fā)達(dá)國家CT機數(shù)目的穩(wěn)定增加，上述數(shù)據(jù)應(yīng)該會進(jìn)一步增加[2]。國際放射防護委員會(International Commission on Radiological Protection，ICRP)提出X線活動三原則，即實踐正當(dāng)化、輻射防護最優(yōu)化和個人劑量限制值，同時呼吁在放射學(xué)檢查中遵循輻射的合理及最低化(as low as reasonably achievable，ALARA)原則。近年來，CT高輻射劑量所帶來的風(fēng)險，成為放射科醫(yī)師和患者共同擔(dān)心的重要問題。因此，低劑量CT技術(shù)的出現(xiàn)是基于臨床的迫切需要，意義重大。

迭代重建技術(shù)在低劑量CT的應(yīng)用進(jìn)展

自1990年Naidich首次提出低劑量CT的概念以來，如何降低CT檢查的劑量問題已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)影像界共同關(guān)注的焦點。從X射線的產(chǎn)生、路徑到接收，各個環(huán)節(jié)都已有降低劑量的技術(shù)[3]，如X線球管電流實時動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)、智能濾線系統(tǒng)技術(shù)、動態(tài)準(zhǔn)直系統(tǒng)、探測器采集系統(tǒng)等技術(shù)。

1.CT圖像重建技術(shù)

在臨床診療工作中，降低管電流、管電壓、自動劑量控制等均可降低輻射劑量[4]，其中降低管電流、管電壓是最有效的辦法。目前，大部分CT采用常規(guī)濾波反投影(filtered back projection，F(xiàn)BP)重建。FBP重建忽略焦點、體素和探測器的實際幾何大小，未考慮X線光子的系統(tǒng)光學(xué)與統(tǒng)汁學(xué)波動，具有較高的噪聲、明顯的條紋偽影和較差的低對比可檢測性[5]，盡管能降低輻射劑量，但亦可導(dǎo)致圖像噪聲增加，圖像質(zhì)量下降，故實際工作中，F(xiàn)BP重建法應(yīng)用有限。

迭代重建(iterative reconstruction，IR)是近年來出現(xiàn)的一種新型CT重建技術(shù)，基于噪聲的統(tǒng)計模型，考慮到焦點、體素和探測器的實際幾何大小，通過對X線生成和檢測過程進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型建立，選擇性識別并去除圖像噪聲，在每次迭代中提高圖像質(zhì)量，降低圖像噪聲和偽影。與傳統(tǒng)FBP重建技術(shù)相比，IR技術(shù)能夠在較低的輻射劑量下獲得噪聲較小的高質(zhì)量圖像，其在降低CT輻射劑量方面有明顯而獨特的優(yōu)勢。

2.IR技術(shù)種類

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及臨床對于低劑量CT的不斷需求，各CT制造廠家均推出不同的IR技術(shù)，按照IR算法所利用的數(shù)據(jù)空間不同，可將其分為3類[6]：①僅在投影數(shù)據(jù)空間進(jìn)行IR；②在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間均進(jìn)行IR；③僅在圖像數(shù)據(jù)空間進(jìn)行IR。

2008年，GE公司推出適應(yīng)性統(tǒng)計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR)技術(shù)，該技術(shù)在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間中均進(jìn)行IR。ASiR技術(shù)將FBP影像和IR影像以不同比例融合，維持類似于FBP影像的噪聲質(zhì)地?；谀Ｐ偷牡亟?model-based iterative reconstruction，MBIR)技術(shù)(即Veo技術(shù))為GE公司最近研發(fā)的IR技術(shù)，MBIR是ASiR技術(shù)的改進(jìn)，僅在投影數(shù)據(jù)空間實現(xiàn)全迭代重建，它同時考慮系統(tǒng)光學(xué)和系統(tǒng)噪聲因素，能夠明顯降低影像噪聲和提高空間分辨力[7]。然而，MBIR技術(shù)需要較高強度的運算能力(硬件要求高)和較長的重建時間(10～90 min)，不適于常規(guī)臨床應(yīng)用。使用這些技術(shù)的意義在于可在大幅降低CT輻射劑量的同時，獲得與常規(guī)FBP法相同、甚至更好的圖像質(zhì)量。

2010年，Siemens公司推出的圖像空間迭代重建(iterative reconstruction in image space，IRIS)技術(shù)，在3～5個迭代循環(huán)內(nèi)降低影像噪聲和提高對比度，不同于ASiR技術(shù)．IRIS技術(shù)僅在圖像數(shù)據(jù)空間實現(xiàn)IR循環(huán)，以加速重建進(jìn)程[8]。 近來，該公司推出正弦確定迭代重建(sinogram afirmed iterative reconstruction，SAFIRE)技術(shù)，SAFIRE是IRIS的改進(jìn)，能夠在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間中均進(jìn)行IR以降低影像噪聲。SAFIRE的優(yōu)勢是基于原始數(shù)據(jù)的噪聲模式，利用原始數(shù)據(jù)反復(fù)插入進(jìn)行噪聲修正，迭代次數(shù)增多，圖像噪聲越低，空間分辨力不受影響。

2011年，Philips公司的第4代IR技術(shù)應(yīng)用于臨床，稱為iDose。該技術(shù)在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間中均進(jìn)行IR，隨迭代次數(shù)增加(iDose 1～7級)，噪聲降低幅度增大。iDose技術(shù)采用多頻率重建算法(multi-frequency reconstruction，MFR)，使噪聲功率譜(noisepower spectrum，NPS)保持恒定，保證了IR影像接近FBP影像的噪聲質(zhì)地[9]，容易讓臨床醫(yī)生接受。

Toshiba公司開發(fā)出適于寬體探測器和大錐形角的IR技術(shù)，即自適應(yīng)迭代劑量降低(adative iterative dose reduction，AIDR)，該技術(shù)仍在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間中重建，能夠自動選擇迭代次數(shù)及影像融合比例，實現(xiàn)降低輻射劑量和維持影像噪聲質(zhì)地的平衡[10]。

3.IR技術(shù)在各部位的應(yīng)用

頭部：在頭部CT掃描中，新型的探測器和IR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用會大大降低輻射劑量。Ozdoba等[11]研究證明，在不影響圖像診斷質(zhì)量的前提下，采用IR算法的掃描方式相對于采用標(biāo)準(zhǔn)劑量及FBP重建法的CT檢查，其輻射劑量可降低40%。神經(jīng)外科ICU患者因往往需行多次CT檢查以監(jiān)測病情的進(jìn)程，而不可避免地導(dǎo)致輻射劑量的累計和疊加。因此，頭部的CT檢查更為迫切的需要在滿足診斷的同時，采用更低的輻射劑量技術(shù)。Corcuera-Solano等[12]通過研究得出一種基于IR技術(shù)的超低劑量掃描方法，其較采用標(biāo)準(zhǔn)劑量及FBP重建法可降低68%的輻射劑量，而兩者的圖像質(zhì)量和信噪比相似；該超低劑量掃描方法可以應(yīng)用于需多次行CT檢查的患者，對病情的進(jìn)展、演變和預(yù)后進(jìn)行監(jiān)測。王建國等[13]的研究也得出IR技術(shù)在不影響圖像質(zhì)量的前提下，降低頭部CT輻射劑量的結(jié)論。

胸部：隨著胸部CT篩查的廣泛開展，肺內(nèi)結(jié)節(jié)的檢出率明顯提高，其中磨玻璃密度結(jié)節(jié)約占19%～38%，惡性結(jié)節(jié)約占7%～24%[14]。結(jié)節(jié)體積是否增長以及增長速度是鑒別良惡性肺結(jié)節(jié)的一個重要特征，理想的方法是應(yīng)用低劑量掃描方案進(jìn)行檢查，同時系統(tǒng)地去除由低劑量掃描帶來的圖像噪聲并保證結(jié)節(jié)定量研究的準(zhǔn)確性。Kim等[15]的研究證明IR技術(shù)聯(lián)合低劑量CT掃描可在降低圖像噪聲的同時，提高圖像質(zhì)量。Gordic等[16]通過模型研究指出，當(dāng)采用100kVp的單能量掃描并聯(lián)合IR技術(shù)，將第三代雙源CT應(yīng)用于肺內(nèi)結(jié)節(jié)的檢出時，僅產(chǎn)生0.06mSv的有效輻射劑量。

低劑量掃描是近年來臨床肺部篩查的熱點。May等[17]研究證明，胸部CT增強掃描若應(yīng)用IR技術(shù)，在輻射劑量降低50%的情況下，圖像質(zhì)量依然清晰且不影響診斷。Wielputz等[18]通過采用極小螺距(0.09)和輻射劑量(1.4～1.9 mSv)對3例因慢性阻塞性肺疾病或氣管硬化引起的氣管不穩(wěn)患者進(jìn)行監(jiān)測，得出低劑量動態(tài)呼吸門控多排螺旋CT具有前所未有的Z軸覆蓋面積和時間分辨數(shù)據(jù)庫，能即時發(fā)現(xiàn)氣道的不穩(wěn)定、狹窄和膈肌的異常運動。Khawaja等[19]研究表明，肺部的亞mSv掃描(0.9 mSv)聯(lián)合IR技術(shù)比常規(guī)掃描(2.9 mSv)聯(lián)合FBP技術(shù)的圖像邊界更清楚，噪聲也有21%～64%的降低。

腹部：Arapakis等[20]通過對183例患者的胸部-腹部-盆腔聯(lián)合CT掃描的研究指出，IR技術(shù)的有效劑量較傳統(tǒng)FBP技術(shù)減少46.5%，且圖像質(zhì)量更清晰。Kim等[21]通過對三種不同體積大小的體模(直徑分別為24、30、40 cm)的研究指出，IR技術(shù)較FBP技術(shù)不僅能夠降低圖像的噪聲，同時可以提高圖像的質(zhì)量指標(biāo)，而且其優(yōu)勢隨著體模體積的增大而增加。

肝臟：Goenka等[22]通過18例影像學(xué)家觀察體模中模擬的肝臟病變的研究，提出對于邊界模糊的低密度的肝臟病變，輻射劑量降低25%對診斷的準(zhǔn)確性無任何影響，但病變的檢出率有所降低；輻射劑量降低25%～50%，IR和FBP技術(shù)的診斷效能是一樣的；應(yīng)用IR技術(shù)的圖像中，對于直徑為10和15 mm的病變，觀察者診斷的置信度更高。

胰腺：MSCT檢查廣泛應(yīng)用于胰腺病變的檢出和術(shù)前評估分期中，胰腺病變往往合并胰管的擴張。Lin等[23]通過觀察IR技術(shù)對胰腺病變和胰管的顯示情況，指出采用IR技術(shù)得到的胰腺病變CT值較FBP技術(shù)并無顯著差異，但前者圖像噪聲明顯低于后者，胰管的對比噪聲比(CNR)明顯高于后者。

泌尿系結(jié)石：MSCT掃描是診斷泌尿系結(jié)石的重要影像學(xué)方法。Veldhoen等[24]研究表明，在泌尿系結(jié)石的診斷中，運用IR技術(shù)可在保證圖像質(zhì)量的同時大幅降低輻射劑量(50%)和圖像的噪聲(61%)。Mclaughlin等[25]研究指出，在顯示泌尿系結(jié)石方面，低劑量CT聯(lián)合IR技術(shù)具有比FBP更好的圖像質(zhì)量，對于直徑>3 mm的結(jié)石，其結(jié)石檢出的靈敏度和特異度更高。Gervaise等[26]通過對低劑量CT掃描和身體體質(zhì)指數(shù)(body mass index,BMI)的關(guān)系的研究指出，當(dāng)BMI>25 kg/m2時，低劑量CT掃描的圖像質(zhì)量和診斷效能較傳統(tǒng)檢查方法優(yōu)勢明顯。

4.IR技術(shù)在兒童中的應(yīng)用

輻射是CT檢查一個不可避免的、主要的不利因素，尤其是對兒童這類敏感人群而言，輻射劑量的增加會導(dǎo)致放射相關(guān)疾病風(fēng)險的增大。張祺豐等[27]研究提出，在兒童腹部CT檢查中，應(yīng)用IR技術(shù)，可在輻射劑量降低60%的情況下仍保證圖像的質(zhì)量。Koc等[28]在兒童小血管CT成像方面得出了類似的結(jié)論。

5.IR技術(shù)在脊柱的應(yīng)用

相對于平片，脊柱CT掃描可以提供更多、更精確的解剖結(jié)構(gòu)和病變信息。然而，其輻射劑量仍是一個受人關(guān)注的問題。Yang等[29]研究表明，與傳統(tǒng)的脊柱CT掃描比較，輻射劑量減少50%的聯(lián)合IR技術(shù)的低劑量掃描，可以獲得與傳統(tǒng)CT掃描類似的診斷精確度，并建議將脊柱的低劑量CT掃描作為脊柱病變的篩查手段。

6.IR技術(shù)在CT血管成像的應(yīng)用

頭頸部CTA：國內(nèi)學(xué)者李瑋等[30]對頭頸部低劑量CTA的研究表明，在降低輻射劑量的情況下，采用IR技術(shù)仍能保證良好的圖像質(zhì)量。

冠狀動脈CTA：隨著MSCT的發(fā)展，冠狀動脈CTA以較高的靈敏度和特異度成為冠心病的首選篩查手段。Fuchs等[31]關(guān)于冠狀動脈超低劑量CTA的研究指出，在保證診斷精確的前提下，冠狀動脈CTA的最低輻射劑量為0.21 mSv。Wang等[32]通過研究得出了IR技術(shù)在降低圖像噪聲、提高信噪比和對比噪聲比等方面的優(yōu)勢。Schindler等[33]對冠狀動脈管壁鈣化的研究提出，相對于FBP技術(shù)，IR技術(shù)在冠狀動脈管壁鈣化的定量評價和心臟危險分級等方面，沒有顯著的優(yōu)勢。

胸主動脈和腹主動脈CTA：Hansen等[34]通過對胸主動脈瘤和腹主動脈瘤的低劑量CTA研究指出，在保證圖像質(zhì)量的前提下，運用IR技術(shù)，較FBP技術(shù)可減少73%的輻射劑量，可以應(yīng)用于胸主動脈瘤和腹主動脈瘤患者的病情監(jiān)測。Deak等[35]研究表明，對于胸主動脈壁的內(nèi)漏和支架內(nèi)血栓檢出的最低劑量，運用FBP技術(shù)是1.46 mGy (80 kVp) ，運用IR技術(shù)是0.54 mGy (80 kVp)。

對比劑的發(fā)展、危害及現(xiàn)狀

對比劑(contrast media，CM)主要用于增加血管中的碘濃度，從而使血管顯影。碘對比劑的發(fā)展經(jīng)歷了從離子型到非離子型、從高滲型到低滲型或等滲型的過程。

1950年，泛影酸鹽、甲基泛影酸鹽和碘酞葡胺等問世。泛影酸 (76% 370 mg I/mL，1940～2140 mOsm/kg H2O)屬于高滲對比劑，目前仍在使用的離子型對比劑的碘成分幾乎全由它衍生而來。但其不良反應(yīng)較多，冷熱不適、消化道反應(yīng)(惡心、嘔吐)、輕度過敏反應(yīng)(瘙癢、皮疹、支氣管、痙攣等)常見，較重的可發(fā)生心血管反應(yīng)。

1974年，世界上第一個低滲(次高滲)非離子型對比劑——甲泛葡胺上市。甲泛葡胺具有滲透壓低及耐受性好等優(yōu)點，其不良反應(yīng)較離子型對比劑明顯減少，但其性能不穩(wěn)定。第二代非離子型單體對比劑代表藥物有：碘美普爾 (400 mg I/mL )、碘帕醇 (370 mg I/mL)、碘海醇(350 mg I/mL)和碘佛醇(320 mg I/mL)。

1993年，世界上第一個與血漿滲透壓(280～310 mOsm/kg H2O)相同的、屬于非離子型雙聚體X線對比劑碘克沙醇(320 mg I/mL )上市，滲透壓為290 mOsm/kg H2O，與低滲和高滲對比劑相比，等滲對比劑不會造成紅細(xì)胞嚴(yán)重變形損害。

隨著對比劑的使用越來越廣泛，高對比劑碘劑量所帶來的不良反應(yīng)風(fēng)險越來越高，雖然經(jīng)過不斷改良，對比劑急性期副作用明顯減少，但遠(yuǎn)期不良反應(yīng)(主要是對肝、腎功能的損害)卻逐漸增加，其中對比劑腎病(contrast media induced nephropathy，CIN)尤為突出，僅次于腎灌注不足和腎毒性藥物，是引起醫(yī)院獲得性腎衰竭的第三大主要原因[36-37]。CIN的發(fā)生與對比劑的劑量、濃度有直接的相關(guān)性。出于對輻射暴露和對比劑治療安全性的擔(dān)憂，人們越來越關(guān)注能否利用低濃度的對比劑實現(xiàn)圖像質(zhì)量增強，因此，現(xiàn)在對比劑應(yīng)用濃度逐漸降低，其濃度由400、370、320降至300 mg I/mL。

低濃度、低劑量掃描的展望

如何在降低輻射劑量的同時，應(yīng)用更少的對比劑來獲得相同的圖像質(zhì)量，已經(jīng)成為目前國際上一個重要的研究方向。“患者安全”是衛(wèi)生保健的一項基本原則?，F(xiàn)在放射科對于“關(guān)愛患者安全”發(fā)展到了如何降低輻射劑量和安全的對比劑選擇等本質(zhì)問題上。CT設(shè)備生產(chǎn)廠家在不斷使用各種先進(jìn)的前沿技術(shù)降低設(shè)備檢查中的輻射，放射科醫(yī)生也在嘗試通過優(yōu)化掃描參數(shù)的設(shè)置降低輻射劑量。

IR技術(shù)的出現(xiàn)，為低劑量CT掃描方案的使用提供了技術(shù)保障。目前，如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低對比劑用量而獲得較好的圖像質(zhì)量已成為相關(guān)研究的主流。曹捍波等[38]應(yīng)用370、320和300 mg I/mL的對比劑在腹部血管成像的應(yīng)用研究中指出，應(yīng)用較低濃度含碘對比劑(300 mg I/mL)能夠獲得滿足診斷的圖像資料。王蕊等[39]應(yīng)用80 kV、低濃度對比劑(300 mg I/mL)進(jìn)行冠狀動脈CTA的研究表明，采用低濃度對比劑、低電壓掃描，在降低腎臟代謝負(fù)擔(dān)、減少CIN發(fā)病率的同時，亦降低輻射劑量(約73.4%)，且冠狀動脈各段均獲得了滿足臨床需要的圖像。

更低濃度的等滲對比劑碘克沙醇(270 mg I/mL)的推出，進(jìn)一步促進(jìn)了低濃度低劑量CT掃描的研究進(jìn)展。目前，應(yīng)用IR技術(shù)及低電壓結(jié)合更低濃度的等滲對比劑(碘克沙醇270 mg I/mL)的掃描方法得到了放射科醫(yī)師的廣泛認(rèn)可和快速推廣。雖然不少研究表明低濃度與低劑量CT掃描方案在疾病的診斷上并沒有差異，但該方案缺少大樣本量的病例證實，還處于一個探索、評估階段。目前，國家及醫(yī)學(xué)影像專業(yè)尚無低劑量低濃度CT掃描技術(shù)的相關(guān)規(guī)范和量化標(biāo)準(zhǔn)，因此，如何在保持盡可能合理的低劑量、低濃度條件下，進(jìn)一步拓展低劑量CT的臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)。

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266700 山東，平度市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科(葛東泉)；261041 山東， 濰坊醫(yī)學(xué)院附屬人民醫(yī)院放射科(耿海)

葛東泉(1969-)，男，青島平度人，碩士，主治醫(yī)師，主要從事腦血管疾病的影像學(xué)診斷工作。

R814.42

A

1000-0313(2015)10-1001-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.10.007

2015-08-05

2015-08-31)