优化心脏CT检查辐射剂量的10个方法

　　原创 赵喜同学 XI区 收录于合集#心血管 115 个 #小技巧 101 个 #检查流程 36 个 #辐射 22 个

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　　自从人类第一次进行计算机断层（CT）扫描以来（XI区：），医学中的影像诊断被这种成像方法彻底改变。1978年，美国斯坦福大学George Harell和Diana Guthaner首次实现了CT扫描与心电门控采集的联合应用。然后，随着螺旋CT的引入以及随后几年CT设备的时间和空间分辨率的提高之后，CT扫描在心脏诊断中才得以广泛应。

　　目前，心脏CT扫描很多指南的一线检查手段。在诊断慢性冠状动脉综合征时，如果仅通过临床评估无法排除冠脉狭窄时，建议将CT作为有症状患者诊断冠脉疾病的初始检查手段。如果其他非侵入性检查的结果不明确或不能满足诊断，建议将CT作为有创冠脉造影（ICA）的替代方案。另一方面，在诊断急性冠状动脉综合征时，如果冠脉疾病为较低或中等概率，并且心肌肌钙蛋白水平和/或心电图结果正常或不确定，建议CT作为ICA的替代方案，以排除急性冠状动脉综合征。

　　作为硬币的另外一个面，CT检查的传播是现代世界电离辐射暴露最严重的来源。在1990年之后的20年里，CT在美国的使用增加了大约20倍。来自诊断放射影像源的辐射在总辐射暴露中的份额已从人均总有效辐射剂量（ERD）的20%增加到50%以上，而其中一半与CT有关（更多内容参见XI区：）。

　　因此，心脏CT检查的辐射优化就变的重要起来。今天我们聊聊在心脏CT检查中优化辐射剂量的十个方法。

　　1 降低管电压

　　PROTECTION研究提供了很多关于调节管电压的可能性信息。这是一项前瞻多中心的调查研究，对冠状动脉CT扫描中辐射剂量进行了详尽的分析。由于管电压与辐射剂量呈指数关系，因此降低管电压在降低辐射剂量方面非常有效。

　　在2009年发表的PROTECTION I研究中，对82名使用100kV管电压的患者和239名使用120kV管电压的患者心脏CT扫描的辐射剂量和图像质量进行了比较。当时，在50个中心中，只有8个中心使用了低管电压。该研究的作者发现，与使用120 kV管电压的检查相比，使用100 kV管电压的中位辐射剂量减少了53%。尽管在100kV检查中图像噪声增加了26.3%，但由于低管电压增加了管腔密度，信噪比（SNR）增加了7.9%，对比噪声比（CNR）增加了10.8%。降低管电压并没有损害图像的诊断质量。辐射剂量估计中值从120 kV的14 mSv降低到100 kV的6 mSv。

　　2019年，PROTECTION VI研究结果发表，该研究分析了极低电压（80 kV）、低电压（90-100 kV），常规电压（110–120 kV）和高电压（130 kV）对CT扫描冠状动脉辐射剂量的影响。来自32个国家的61个国际研究中心为2017年3月至12月期间进行的CCTA研究提供了数据和方案。大约91%的检查是使用超过128层的CT设备进行。在PROTECTION I试验近10年后，56%的检查使用了低管电压（9%使用80 kV；47%使用90至100 kV）。与其他供应商相比，低管电压协议在GE设备中的使用频率较低（42%的CCTA；东芝：45%，飞利浦：49%，西门子：50%）。与其他供应商相比，西门子扫描仪中超低管电压的使用频率明显更高（17%的CCTA；GE：1%，飞利浦：3%，东芝：4%）。当使用90至100 kV时，中值CTDIvol显著降低至11.1 mGy，当使用80 kV时中值CTDIvol显著降低至6.9 mGy。与电压为120kV的检查相比，80kV管电压的扫描导致平均DLP降低68%，而在电压为90-100kV时，DLP平均降低50%。

　　PROTECTION VI研究作者得出结论，如果按照BMI标准（BMI<25时为80 kV，BMI 25-30时为90-100 kV）分析，58%使用传统管电压检查的患者能够使用低管电压（90-100 kV）方案，在90–100 kV下检查的患者中，44%符合极低管电压（80 kV）的协议。PROTECTION VI试验显示，降低管电压的剂量减少策略在日常实践中仍然没有得到充分利用。这项研究中有四个中心仅使用120 kV电压进行检查。心血管风险较低、BMI值较低的患者更常被推荐参加使用低于传统管电压的检查。严格执行BMI资格标准（BMI＜25 kg/m2使用80 kV；BMI在25至30 kg/m2之间使用90至100 kV），将使PROTECTION VI人群的DLP中位数额外降低23%。

　　在PROTECTION VI研究中，降低管电压还可使80 kV的造影剂体积减少25%（降至55–79 mL），使90–100 kV的造影剂剂体积减少13%（降至60–80 mL）。一些数据表明，减少碘造影剂的体积不仅有助于保护肾功能，还可以减少辐射的潜在影响。在一项对245名患者进行的研究中，在胸部CT扫描前后收集了淋巴细胞，并使用荧光显微镜进行评估。研究表明，与未使用造影剂的研究组相比，使用碘造影剂进行CT扫描的患者的DNA辐射损伤量增加了107%。

　　反过来，Huda等人使用IMPACT程序进行了模拟，该程序表明，如果mAs保持恒定，将管电压从140 kV降低到80 kV可以使辐射剂量降低五倍。

　　更多内容参见XI区：2 使用心电门控管电流调制

　　在心脏CT中，通常在舒张期期间的数据采集最理想（心脏和冠状动脉血管运动最小）。早期心电门控采集协议在整个心动周期中使用一致的辐射强度。随着技术进步，科学家一直尝试使用辐射剂量调制，以便在舒张期辐射强度达到最大值，在收缩期达到最小值（约为最大值的20%），这可以通过改变CT管电流来实现。该程序可以将辐射剂量减少50%，而不会显著降低图像质量。在辐射调制方案中，窦性心动过速、心律失常或异位搏动患者存在错误确定最佳采集时间的风险。在心动周期的不适当阶段使用最大和最小管电流可能会导致图像解释困难，或使诊断检查完全失败。由于心电门控辐射调制的概念在心率正常、缓慢的患者中最有效，因此建议采用药物减缓心率。在需要进行电影成像的检查中，例如，当必须评估瓣膜运动或心肌功能时，可以不使用辐射调制。每次还应考虑设备的时间分辨率。尽管高端CT设备即使在80 bpm或更高的心率下也能确保良好的检查质量，但大多数中心可能还没有这样的扫描仪。

　　3 迭代重建

　　直到21世纪初，CT图像都是使用滤波反投影（FBP）算法获得。该算法的主要优点是计算能力要求低、重建速度快，而缺点是图像噪声相当大，尤其是当使用低管电流、差的对比度分辨率和出现条纹伪影时。增加信噪比（SNR）需要增加辐射剂量。20世纪80年代以来在核医学中使用的迭代重建算法后来起到了拯救作用。计算技术的进步使得在CT图像重建中使用迭代重建成为可能。

　　术语“迭代（iterative）”（来自拉丁语“iteratio”，意思是重复）意味着在循环中重复相同的操作，直到满足特定条件。迭代重建算法以一种允许显著降低噪声的方式在循环中执行计算，保留关于解剖结构的边缘和对比度信息。在这些计算中，具有较低统计不确定性的数据被赋予比具有较高统计不确定度的数据更高的权重。这与用于模拟X射线管、等中心和探测器之间的光子相互作用的算法相叠加。心脏CT中使用的第一个迭代重建算法是ASiR（GE 医疗），于2008年实施。同年，西门子医疗引入了IRIS算法，该算法后来在2010年被SAFIRE算法取代（该算法在原始数据和图像领域都有效）。

　　在迭代重建方法中，噪声不像FBP方法那样强烈地依赖于管电压。因此，IR算法允许通过降低管电压来减少辐射剂量。此外，他们允许在大BMI患者中进行冠脉CT检查（这些患者之前由于显著的噪声而无法进行高图像质量检查），以及在具有高钙化积分和支架植入的患者中进行心脏CT检查（这些患者以前由于开花伪影而无法使用CT进行有效检查）。

　　一项研究显示，与FBP相比，ASiR冠状动脉CT的剂量减少了24%，信噪比（SNR）或对比噪声比（CNR）没有差异，且诊断质量相当。

　　在心脏CT检查中使用IRIS算法允许使用80/100 kV的管电压进行检查。在这些研究中，平均ED为3.7 mSv。这与使用具有相同诊断质量和120kV管电压的FBP重建的检查（平均ED 9.7mSv）进行了比较。研究发现，辐射剂量减少了62%。

　　ADMIRE算法使用高级建模来提高图像分辨率和边缘检测，并降低噪声。该算法使冠脉CT能够在0.3 mSv的低辐射剂量下完成。

　　PROTECTION VI研究表明，迭代图像重建和降低X射线管电压的组合引起辐射剂量的降低，而不会影响检查图像的质量。与FBP相比，迭代图像重建的使用使辐射剂量减少了33%。

　　更多内容参见XI区：；。

　　4 基于深度学习的图像去噪

　　近年来，人工智能算法在CT扫描图像重建和去噪中的应用显著增加。这些算法让我们能够在比使用迭代重建更低的剂量获得诊断质量的CT图像。使用以前不能满足诊断的低辐射剂量进行CT检查已经成为可能。

　　2019年发表了一篇论文，比较了使用迭代重建和深度学习算法重建的亚mSv剂量下胸部、腹部和骨盆的CT扫描图像。使用低剂量检查方案（100 kV、120 kV；30-50 mA）和标准剂量方案对患者进行CT检查。使用迭代算法（AIDR 3D）重建标准采集的图像，而低剂量CT图像的重建是使用迭代算法和深度学习人工智能（Advanced Intelligent Clear IQ Engine[AiCE]）创建。标准CT检查的平均DLP值为567±249 mGy*cm，LDCT检查的DLP值显著降低（49±13 mGy*cm）。在一项独立、随机和盲法试验中进行的图像比较中，发现胸部的低剂量CT扫描具有95–100%的诊断性。使用人工智能算法重建的图像质量允许CT扫描的辐射剂量显著降低。

　　随着辐射剂量的减少，噪声增加，导致解剖结构的轮廓模糊，并产生了低对比度的图像，其中的病理变化可能未被发现。在过去的几十年里，人们提出了各种去噪算法。它们可以分为三类：原始数据域的滤波、图像域中的迭代重建和两者同时处理。DLR算法能够实现图像降噪、高分辨率和病变识别。

　　DLR算法是图像域的图像恢复方法。基于机器学习的方法旨在通过经验自动学习和改进应用程序，而不是使用用户定义的程序。它们在去噪方面有效，这在CT图像中显示出不均匀的分布。硬件和计算技术的动态发展导致了基于卷积神经网络的AI去噪算法的流行。该网络通过基于在常规辐射剂量下进行的检查从训练数据中学习，然后将该信息与在低剂量下拍摄的图像相关联，来实现这一效果。在不丢失重要图像特征（如边缘、角度和其他锐利结构）的情况下减少噪声是一项艰巨的任务。

　　AI算法在图像去噪方面具有很高的效率。它们还提供了比迭代算法更好的空间分辨率，同时保持了相似的辐射剂量水平。模体和临床研究表明，与当前的迭代重建算法相比，DLR算法可以减少30-80%的剂量，同时保持诊断图像质量。在CT血管造影术中，AI算法允许在辐射剂量下进行精细的血管重建检查。

　　目前，CT设备供应商提供基于AI的图像重建或图像去噪的商业算法，如Advanced Intelligent Clear IQ Engine（AiCE）（佳能医疗）和TrueFidelity（GE医疗）。

　　有研究者评估了50名使用标准和低剂量辐射进行冠状动脉CT的患者的研究图像，结果表明，DLR使CCTA中的辐射剂量减少了43%，对图像噪声、狭窄严重程度、斑块成分或定量斑块体积没有显著影响。

　　在血栓评估中使用DLR算法进行心脏CT（在全面的中风诊断中，使用前瞻采集），与IR算法相比，辐射剂量减少了约40%，图像质量提高了约50%。与IR（176.1±37.1 mGy*cm）相比，DLR算法的平均DLP为106.4±50.0 mGy*cm。DLR的ED较低，为1.5±0.7 mSv（IR为2.5±0.5 mSv）。与IR相比，DLR的SNR和CNR分别增加了约51%和49%。

　　Kang等人分析了使用SOMATOM Definition Flash（西门子医疗）扫描仪扫描的50名二尖瓣脱垂患者和50名冠状动脉疾病患者的心脏CT图像。其中包括一个神经网络，并对其进行深度学习以降低噪声。两个网络在两个不同的域（低剂量和常规剂量）之间进行训练。作者设计的网络不需要低剂量和常规剂量的精确匹配图像。它被设计用于识别高剂量心脏时相图像的分布，并防止产生输入图像中不存在的人工特征。该网络在减少输入低剂量CT图像中的噪声方面表现良好，同时保留了纹理和边缘信息。

　　更多内容参见XI区：；；。

　　5 缩小扫描范围（扫描长度）

　　在大多数心脏CT扫描中，成人的扫描范围长度为12至13cm，通常从气管分叉延伸到横膈膜。扫描长度每增加一厘米，患者每次检查的剂量（DLP）就会增加约5%。由于担心错过重要的心脏结构，在心脏上方和下方应用“安全界限（safety margin）”是不合适的。然而，在血管移植物检查、同时评估主动脉以及有其他相关临床指征的检查中，应扩大检查范围。

　　精确控制扫描范围，如没有冠脉搭桥的病史，扫描范围应该在气管隆突下1cm到心脏隔面。

　　6 使用前瞻性扫描方案

　　在此采集模式下，CT的X射线管仅在舒张期中期打开一小段时间，然后关闭。在此期间，患者所在的检查床移动到下一个位置，在舒张期再次进行短暂采集。这种方法被命名为“步进扫描（step-and-shoot）”。将CT的辐射限制在心动周期舒张期的一部分，可以将辐射剂量减少78%，至1-5 mSv。在某些设备上，前瞻性扫描方案的采集需要足够长的时间窗来收集冠状动脉血管运动幅度最小的图像数据。因此，心率过快时并不适用。心率过快会减少可用的采集时间。心律失常和异位搏动可能导致图像质量不能满足诊断。由于仅从R-R周期的一小部分获取数据，在需要评估心脏瓣膜、心肌功能或其他运动解剖结构重建的情况下，不能使用传统的前瞻性扫描方案。在对2007-2016年在南京军总使用双源设备进行的检查的分析中，在分析的第一年，所有检查都是使用具有辐射剂量调制的回顾性协议进行的。然而，在最近一年的分析中，大约2/5的检查使用了前瞻性方案。这些检查的DLP中值为311.7 mGy*cm。在PROTECION VI中，使用了78%的前瞻性方案。

　　不同的冠脉CTA扫描模式，从上至下分别为：回顾性心电门控无自动曝光调制；回顾性心电门控有自动曝光调制20%剂量；回顾性心电门控有自动曝光调制4%剂量；智能前瞻性心电门控序列扫描模式，大螺距前瞻性心电门控扫描模式。一般条件一样的情况下，辐射剂量从上到下逐渐降低。

　　7 使用自适应管电流调制

　　电流强度的调节考虑到了这样一个事实，即身体的横截面通常是椭圆形的，因此在前后维度上，与左右维度相比，辐射束穿透人体的难易程度不同。此外，组织的厚度也随着检查床的移动而变化。设备制造商使用的软件可以根据组织层的厚度调整CT球管的电流强度。在前后位时降低管电流，而在左右位时增加管电流。这种技术被称为自动曝光控制（AEC），可以显著降低辐射剂量，同时提供满足诊断要求的图像。

　　更多内容参见XI区：。

　　使用CARE Dose 4D可以降低至多68%的辐射剂量。

　　8 控制心率

　　在很大一部分冠状动脉CT检查中，有必要将心率降低到不超过60 bpm，以匹配设备的时间分辨率。心率每分钟增加10次和窦性心律消失分别导致辐射剂量增加8%和21%。然而，一些新设备的检查方案由于机架连续旋转之间的辐射重叠较少，在较高的心率下辐射剂量较低。在南京军总对心律失常患者的研究中，DLP中位数比正常心律失常患者高132.6%。

　　时间分辨率与心率的关系，根据设备具体时间分辨率确定心率控制的上限，单源CT至少应该将心率控制在90bpm以下。

　　9 合理使用钙化积分

　　冠状动脉钙化积分测定是心血管风险分层的一种有价值的方法（更多内容参见XI区：）。这是一个有用的筛选工具。根据设备的质量，进行检查的中心使用不同的CS系数值（根据Agaston的说法，从400开始），超过该值就放弃CT血管造影检查。一些CT设备提供了高图像质量，而与冠状动脉钙化的强度无关。钙化积分检查的信息可用于修改冠状动脉的血管CT方案，例如调整扫描范围。冠状动脉成形术（PTCA）和冠状动脉旁路移植术（CABG）后的患者不需要进行钙评分。根据ICRP 103，冠状动脉血管中钙化积分评估产生的剂量范围为1.7至2.6 mSv。

　　10 使用多层、宽体或双源CT进行成像

　　在2015年至2017年对278名患者进行的回顾性分析中，检查方案的DLP值，包括使用70–120 kV管电压的钙化积分和CCTA，钙化积分为35.4 mGy*cm（28.3–43.9），大螺距（TurboFlash）采集为44.8 mGy*cm（36.6–64.6），前瞻性采集为94.3 mGy*cm (56.4–175.9)，回顾性采集为340.4 mGy*cm（215.6–590.4）。对于大螺距采集，单独CCTA的有效辐射剂量为0.63 mSv（0.51–0.90）。所有检查均使用第三代双源CT系统（Somatom Force，Siemens Healthineers）进行检查。使用心电触发大螺距扫描技术可将辐射剂量减少30%。

　　更多内容参见XI区：TurboFlash和回顾性心电门控双源CT冠脉CTA的体内辐射剂量和图像质量。

　　CONVERGE研究对每组110名患者使用64层和256层CT检查进行了比较。在使用256层CT（Revolution CT，GE Healthcare）检查的组别中，平均DLP值为113.5±53.6 3 mGy*cm（1.59±0.75 mSv），比使用64层仪器检查的正常BMI（18.5–24.9）组低32%。

　　在一项包括92名患者的多中心研究中，使用双源光子计数探测器扫描仪进行冠状动脉CTA（PCD-CCTA）（Naeotom Alpha，Siemens Healthineers），中值DLP为90.9 mGy*cm2（IQR 52.8–235.5 mGy*cm）。有效辐射剂量为1.4 mSv（IQR 0.8–3.5 mSv）。（器官转换因子k=0.015 mSv/mGy*cm）。

　　更多内容参见XI区：心脏CTA检查的剂量优化策略；。

　　心脏CT检查应用广泛，在实际工作中需要需要特别注意辐射剂量控制，在满足诊断的前提下，尽量减少辐射剂量。

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　　参考文献：

　　?dzierski B, Macek P, Dziadkowiec-Macek B, Truszkiewicz K, Por?ba R, Ga? P. Radiation Doses in Cardiovascular Computed Tomography. Life (Basel). 2023 Apr 11;13(4):990. doi: 10.3390/life13040990.

　　Hedgire S, Ghoshhajra B, Kalra M. Dose optimization in cardiac CT. Phys Med. 2017 Sep;41:97-103.

　　Bernd M. Ohnesorge, Thomas G. Flohr, Christoph R.Becker, et al. Multi-slice and Dual-source CT in Cardiac Imaging. SecondEdition, Springer Berlin Heidelberg NewYork, 2007.

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　　2023年5月15日

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　　原标题：《优化心脏CT检查辐射剂量的10个方法》

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