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多层螺旋CT的辐射剂量

时间:2009-09-01  来源:田新良大夫个人网站  作者:田新良 【复制分享】【讨论-纠错】【举报

目前多层CT(MDCT)技术得到飞速发展,从4层到8、16、32、40、64层及双源CT相继出现,256层MDCT不久也将投入应用。MDCT扫描速度的提高使单位时间可检查受检者数量大大增加,同时使一些新的应用(如心脏CT、全身扫描)得以实现。在过去20年间,全世界CT检查频率增长超过8倍。由于CT检查对受检者产生较高的有效剂量,CT检查频率不断增长,CT新的临床应用以及CT对集体剂量贡献的增加等因素,促使放射医(技)师、临床医师、医学物理师等CT相关人员越来越关注CT剂量与防护问题,特别是MDCT的辐射防护问题。本文汇集近年来文献资料对MDCT辐射剂量与防护研究进展综述如下。Q9w影像园XCTMR.com

多层CT技术概述Q9w影像园XCTMR.com
一、MDCT技术介绍Q9w影像园XCTMR.com
多层CT拥有多排探测器阵列,可进行快速扫描和大范围容积扫描。MDCT仍沿用第三代CT几何学特性,即探测器与X线管一起旋转。所有MDCT机型均采用滑环机架,当X线管围绕受检者作360度旋转时,螺旋扫描的转速最快可以达到0.33秒每圈。第一台2层CT于1992年投入应用,4层MDCT于1998年投产。MDCT的主要优势在于能同时扫描多层进而能更有效地利用X线管产生的辐射。因此扫描一定容积所需要的时间可以大大减少。随着目前64层CT逐渐普及,每旋转一周采集的层数还会继续增加。今后将会出现每次旋转能覆盖长轴超过4 cm的超大探测器阵列投入运行,如256层CT,其探测器阵列长轴覆盖范围将达到12.8 cm。此外,有两个X射线源的MDCT系统目前正投入应用。MDCT可用于特殊部位的薄层容积扫描。这将大大提高Z轴的空间分辨力,而不会增加扫描时间。Z轴分辨力的改善对多平面重组(MPR)和三维重组有重要意义。Q9w影像园XCTMR.com
二、单层CT(SDCT)与MDCT的差异Q9w影像园XCTMR.com
SDCT与MDCT的一个重要差异在于一幅图像的层厚是如何确定的。对于SDCT,层厚由受检者前后准直器共同确定。因此,探测器阵列沿Z轴的宽度可以超过X射线束或图像层厚的宽度。而对于MDCT,X射线束宽度必须大于有效探测器阵列的宽度,而层厚将由有效探测器阵列的宽度确定。较宽层厚可以通过几排探测器信号合并而成。因此图像重建层厚往往与数据采集层厚不同。重建层厚只能大于采集层厚,不能小于采集层厚。Q9w影像园XCTMR.com
    MDCT系统的特点不仅在于探测器的排数,而且在于能同时进行多层扫描。目前MDCT在Z轴方向可同时采集64层图像。对给定范围的扫描速度与在扫描中能同时采集的层数相关。采集层数在早期只有4层是由于数据同步采集量和传输量受到限制。锥形束伪影在4层MDCT中虽不严重,但随着同时采集层数的增加,相对传统扇形束重建方式,这种伪影将更加严重。当三维锥形束重建算法出现且计算机运算能力提高后,8层和16层MDCT开始出现。Q9w影像园XCTMR.com

三、MDCT与SDCT辐射剂量的差异Q9w影像园XCTMR.com
MDCT出现后的早期研究表明,MDCT所致受检者剂量高于SDCT,但目前越来越多的研究表明对于相同类型的检查,两者剂量相似甚至MDCT的剂量较低。MDCT导致较高剂量的主要原因一是由于早期的4层MDCT剂量效率较低,二是由于运用薄层扫描进行三维重组时使用了较高剂量以降低影像噪声,三是大范围容积扫描更易进行,以及增强扫描中的多次重复扫描。在4层MDCT系统中,当进行薄层(<2 mm)采集时,X线束宽度的大部分被浪费了。而16层或16层以上探测器排的MDCT,这种剂量效率较低的情况不明显。当以螺旋模式采集数据时,所有CT机在扫描开始和结束时需要额外的扫描或数据采集以便在扫描设定范围内获得重建图像所需的足够多的数据。当MDCT系统的总探测器宽度增加或总的扫描长度减少时,额外扫描所占比例将增多。Q9w影像园XCTMR.com
4层MDCT在1998年末出现后,关于该系统剂量测试方面的研究引起了对薄层扫描中剂量效率低下的关注。由于层厚减小,剂量必须增加1倍才能保持相同噪声。CT机型号和扫描参数设置的不同,也有可能导致较高剂量,这是由于X射线源至受检者距离较短、X线束剂量曲线大于探测器宽度以及扫描线束重叠(如螺距0.75)引起。许多研究表明MDCT所致受检者有效剂量有所增长。最近公布的英国2003年全国CT剂量调查结果表明,CT检查所致受检者平均剂量较1991年的全国调查相比有所下降。调查也显示,MDCT系统的剂量略高于当代SDCT系统的剂量水平,这说明从上世纪80年代至90年代末,由于低效率的气体探测器被淘汰,使SDCT系统剂量有所下降。但4层MDCT系统暂时改变了这种剂量下降的趋势。MDCT剂量的早期研究会让人感到MDCT的剂量要高于SDCT。一个重要的原因在于早期的MDCT机由于X线束宽度的相当一部分未被用于成像,使剂量效率降低。现代MDCT系统的剂量效率有所提高,不被用于成像的线束宽度减少至2~3mm。这使得线束宽度为20mm或以上时,剂量仅有小幅增长,但当线束宽度小于4mm时,剂量将成倍增长甚至更多。Q9w影像园XCTMR.com
对于SDCT机,X射线管热容量限制了管电流和扫描长度。当进行薄层扫描时,噪声会增加,这会促使使用者增加管电流以减少薄层引起的噪声增加。随着X射线管技术的发展,MDCT机球管功率增加,使机架旋转更快并可以延长总的扫描时间。MDCT的X射线管热容量的增加,可以使MDCT具备影像质量改善的潜力,但如果不注意优化扫描方案,也会导致受检者剂量增加。Q9w影像园XCTMR.com

关于CT辐射危险度的认识Q9w影像园XCTMR.com
一、确定性效应的风险Q9w影像园XCTMR.com
尽管CT对集体剂量有较大贡献,在一些国家,它已占医疗照射剂量的70%,但在一次照射中,受检者体表剂量还远达不到引起确定性效应损伤所需的剂量。而介入放射与CT不同,介入检查或治疗中受检者或患者的皮肤剂量可能会超过皮肤放射性损伤的剂量阈值,许多造成严重皮肤损伤的例子已被报道过。但当受检者或患者接受过多次医疗照射时,确定性效应可能不能被忽略。Imanishi et al.在最近的论文中报道,三个接受过多层CT灌注检查和脑部数字减影血管造影(DSA)的病例出现了头发带状缺失的暂时性脱发。这些病例在接受了多次CT检查期间,还进行过两次脑部血管造影。因此,如果患者在同一时期接受过多次医疗照射,则确定性效应发生的可能性不能被忽略。Q9w影像园XCTMR.com
二、随机性效应的风险Q9w影像园XCTMR.com
要想证明一名癌症患者是由于早前的几次CT检查使器官剂量达到几十mGy而致癌,这是不可能的。但是,CT检查所受到的照射可能会增加致癌的风险,特别是儿童。每单位辐射剂量引起终生癌症死亡风险随年龄而变化。美国科学研究院电离辐射生物效应委员会(BEIR) VII报告书指出,对于同一种医疗照射,在儿童时期接受医疗照射而致癌的风险是20至50岁成年人的3至4倍。此外,女孩的致癌风险几乎是男孩的2倍。社会应重视对高风险人群的防护。0至15岁儿童的CT检查人次,在许多医院已占到了全部CT检查的15~20%,并且重复检查的现象越来越多。自从2001年有报道揭示了儿童CT的曝光参数有时与成人相同后,CT厂商研制了减少儿童受照剂量的新功能,监管部门也强调必须根据受检者体形调整CT剂量,因此已经有越来越多的人意识到必须制定适合儿童的曝光参数。Q9w影像园XCTMR.com

影响MDCT辐射剂量的因素Q9w影像园XCTMR.com
与SDCT机相比,MDCT许多特有的新参数可以增加或减少受检者剂量。Q9w影像园XCTMR.com
一、引起MDCT剂量增加的因素Q9w影像园XCTMR.com
如果MDCT使用与SDCT相同的mA值,即使是同一厂家的设备,MDCT也有可能使受检者剂量增加。这主要是由于X射线管至受检者和探测器之间距离的差异而造成的,尽管不同CT机型号的球管和探测器设计上存在的差异也会有一定影响。必须强调的是,将扫描方案从一台设备照搬到另一台设备上时应非常谨慎。4层MDCT机由于使用了窄的准直器(如4×1 mm或1.25 mm)使几何效率降低,并导致剂量增加。对于4×1 mm或4×1.25 mm的准直器,剂量约增加30~60%,但对于2×0.5 mm或2×0.625 mm的准直器,剂量可能增长145%。而16层MDCT机就不会出现剂量的增长。Q9w影像园XCTMR.com
有效mAs是指管电流时间乘积(mAs)除以螺距值。当螺距被考虑时,有效mAs可以很容易地确定某一噪声水平。然而,对有效mAs的误解可能会导致剂量大幅增加。当用户使用与以前同一厂家的SDCT相同的mAs设定值时,这种情况就会发生。例如,对于SDCT,当设定mAs为200,螺距为2时,相当于MDCT中有效mAs为100。如果在MDCT上设置200 mAs,实际上就等于设置有效mAs为200,这将导致在其它与剂量相关因素不变的情况下,受检者剂量相比SDCT增加1倍。Q9w影像园XCTMR.com
CT操作者必须了解,减少层厚可能使剂量成指数式增长,尽管减小层厚可以提高Z轴空间分辨率,减少部分容积效应,由此改善对细小物体的分辨率。因此,有较大噪声水平的影像不一定会影响诊断的准确性,在一定程度上,对比度噪声比可能不会下降甚至提高。如果层厚由5 mm降至1 mm,到达CT探测器的X射线强度会减少5倍。噪声将增加5的平方根倍,或增加100%~224%。为了降低噪声必须提高4倍剂量。Q9w影像园XCTMR.com
二、能使MDCT剂量降低的因素Q9w影像园XCTMR.com
在两种情况下,MDCT扫描所致受检者剂量将显著下降。Q9w影像园XCTMR.com
一是通过薄层扫描采集一套数据,根据选用重建层厚的不同,可同时用于显示Z轴高分辨率影像或标准分辨率影像。在胸部检查中,进行一个扫描序列就足够了,不需要分标准和高分辨率条件而进行两次扫描。同样,通过对同一套螺旋MDCT扫描数据的重建,可以形成横断面、冠状面及矢状面影像。在这些情况中,只需采集一次,无需两次,就可获得需要的有较高空间分辨率的薄层影像和有较好低对比度分辨率的厚层影像,这样可减少受检者的总剂量。Q9w影像园XCTMR.com
二是随着扫描速度的增加,由于较短的旋转时间和较宽的射线束,使得在一次屏气周期内完成整个容积扫描的能力大大改善。因而,运动伪影的发生率降低。这使得需要重复检查的可能性减少。在每次屏气周期内采集的扫描序列之间必须重叠几个厘米,以便保证在屏气期间扫描范围的差异不会引起被扫描部位影像的不连续,这种情况在MDCT中已不存在。Q9w影像园XCTMR.com
三、操作因素对受检者剂量的影响Q9w影像园XCTMR.com
在CT发展早期,在技术上降低剂量有一定的潜力,但目前得依靠系统如何合理使用来降低剂量。放射医师、医学物理师与CT操作员应理解受检者剂量与影像质量之间的关系,以及认识到CT影像质量常常会超过诊断的需要,这些非常重要。对于诊断工作不应一味追求最佳影像,而是要选择合理的影像质量,如应根据诊断需要选择是低噪声还是低剂量。优化影像噪声或对比度噪声比等客观指标不代表能看到足以作出临床诊断的所有信息。因此,确定最优化的影像质量是一项复杂的工作,它与定量指标(如噪声)和读片水平有关。可以看出,调整曝光参数以控制受检者剂量的意识正在加强,但技术的进步速度超过了有效控制剂量的努力。MDCT代表着CT技术的发展水平,并提供了许多降低剂量的技术手段,最重要的是自动曝光控制(AEC)。AEC类似于普通放射学中的亮度自动跟踪技术,用户可以确定影像质量(如噪声或对比度噪声比)标准,由影像系统确定合适的mAs。Q9w影像园XCTMR.com
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加强CT受检者的辐射防护Q9w影像园XCTMR.com
一、CT辐射防护的原则Q9w影像园XCTMR.com
国际辐射防护委员会(ICRP)提出的辐射防护原则包括正当化、最优化和个人剂量限制。ICRP和国际电离辐射防护与辐射源安全基本标准(IBSS)对正当化提出了一般要求和个人防护方面的要求。CT等医疗照射正当化判断是避免不必要照射的重要途径,也是一项有效实施辐射防护的措施。医疗照射正当化是首先应考虑的。相对于正当化,辐射防护最优化已受到较大关注,有许多文献报道了通过实施最优化措施使受检者剂量降低的大量事实。ICRP和IBSS认为,个人剂量限值原则仅适用于职业照射,不适用于医疗照射。就受检者或患者而言,不适用剂量限值原则,而应通过正当化和最优化措施,在满足临床要求的前提下,使受照剂量保持在合理的尽可能低的水平。Q9w影像园XCTMR.com
二、临床检查中的剂量控制Q9w影像园XCTMR.com
(一)检查的正当性判断Q9w影像园XCTMR.com
    正当化判断是临床医生与放射医师共同承担的责任。随着MDCT数据处理和检查效率的不断提高,必须确保只有合格的医生才能开具CT检查申请单。每次CT检查应保证受检者受到的辐射剂量相比临床上可获得的利益,以及所花费的资源和成本来说是正当化的。应制订CT临床应用导则,建议开单医生和放射医师重视CT应用的合理性。Q9w影像园XCTMR.com
CT检查的正当化包括某一指征的CT扫描的正当化判断、及根据临床指征判断是需要使用标准或高剂量CT,还是使用能获得诊断信息的低剂量CT检查。告知接受CT扫描的受检者关于辐射的潜在危害会有助于增强受检者的防护意识及开单医生和放射医师的责任感,但大多数机构并没有告知CT受检者关于辐射的危害。知情同意包括讨论CT扫描的可能带来的利益和必要性,同时告知可能与辐射有关的有害效应,如癌症。基于线性无阈假说,Brenner et al.估计,接受腹部低剂量CT扫描的儿童患终生致死性癌症的危险度为0.18%。最近美国放射学专家进行的一项调查表明,目前仅有不到15%(14/91)的放射科告知受检者可能的辐射危险,并仅有9%的放射科告知受检者可用其它方法代替CT检查。Q9w影像园XCTMR.com
(二)加强CT防护培训Q9w影像园XCTMR.com
    最近的调查显示开单医生十分缺乏对CT辐射剂量的了解。而且各个CT影像中心所使用的扫描方案和辐射剂量差异很大。开单医生应该了解CT扫描的适应证、可以替代的其它成像技术及CT扫描的辐射危险,以使他们能对CT检查的好处与潜在的危害作出正当化判断。对放射医师和CT技师应进行根据临床适应证选用CT扫描技术(标准剂量CT检查指征,如肝癌转移CT或低剂量CT指征,如CT体检普查)和评价不同扫描参数的辐射剂量方面的培训。Q9w影像园XCTMR.com
(三)CT受检者剂量控制技术措施Q9w影像园XCTMR.com
关于低剂量CT的许多研究已经开展,主要研究用固定的管电流或自动曝光控制技术来降低管电流的有效性。这些研究主要是使管电流适合受检者体形(如根据体重设置管电流和采用自动曝光控制技术)或扫描指征(如用较低的管电流用于CT普查、肾结石CT及胸部CT)。但是,采用较高螺距值、较低kVp和特殊技术,例如二维和三维非线性噪声衰减滤过算法,这些方法也可以降低剂量。Q9w影像园XCTMR.com
在胸部CT中,由于胸部的射线束衰减较小,相比腹部或骨盆CT,胸部CT只需要用较低的辐射剂量就能获得类似的图像质量。Prasad et al.的研究表明,不考虑受检者体形,管电流减少50%得到的正常解剖结构的图像进行评价时,图像质量仍可以接受。16层CT肺部筛查低剂量技术研究表明,多数受检者在10mAs低剂量条件下可以获得适用于筛检的图像,因此,研究建议对于16层CT来说,肺筛检可用10mAs作为常规条件,胖者适当提高条件。胸部CT如使用自动曝光控制技术,辐射剂量与固定管电流相比减少14%。冠状动脉钙含量测量CT由于钙化的冠状动脉和周围软组织之间对比度较高,可以使用低剂量CT。为减少冠状动脉CT血管造影与冠状动脉钙化分析CT的剂量,可以使用较低的管电流和管电压及ECG门控的管电流调制。使用ECG门控技术,可降低20~50%的辐射剂量。最近有研究关于在冠状动脉CT血管造影中采用基于受检者体形的管电流调节,研究指出根据受检者体重调节管电流可使剂量减少17.9~26.3%而图像质量仍可接受。CT结肠成像已越来越多被用于结直肠癌的普查。由于在空气膨胀处或混有造影剂的排泄物与结肠壁之间有较高的对比度使结肠CT的辐射剂量有减少的可能性。与常规腹部CT扫描相比,结肠成像CT可在较低剂量下进行。已有几种措施可使结肠成像CT的剂量减小,包括采用较高的螺距、低管电流及低管电压。近来已有采用自动曝光控制技术降低结肠CT辐射剂量的报道。减少外伤CT辐射剂量的最重要的方法是合理选择受检者成像方式,可以选择非辐射或低辐射剂量的成像技术。应尽量限制重复扫描次数并对非兴趣区减少辐射剂量。对于泌尿系统CT,研究已表明,尿路结石可用低剂量CT成像,因为射线无法穿透致密的结石使其与周围软组织结构有高对比度。可以使用较低的管电流时间乘积和自动曝光控制降低结石CT扫描的辐射剂量。CT引导的介入操作一般会对兴趣区进行两到三次的扫描,患者与在机架旁的介入医师的辐射剂量受到关注。目前全新的超薄机架设计使机架前方距扫描平面间距减小,方便了介入手术操作,但可能增加介入医师的辐射剂量。研究表明在进行CT引导的介入操作时,通过限制扫描长度、减少mAs和透视时间、采用可替代的非电离辐射成像技术可降低辐射剂量(如超声成像)。由于儿童与成年人相比,对辐射较为敏感,因此,放射医师必须特别关注儿童CT检查时的扫描方案和辐射剂量。可调节扫描参数(mAs,kVp)使剂量适合受检者体重或年龄。自动曝光控制技术也可用于减少儿童的受照剂量。Q9w影像园XCTMR.com

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