迭代重建算法在CT中的應(yīng)用

陸秀良，曾蒙蘇,2,3

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院 放射診斷科，上海 200032；2. 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院 影像學(xué)系，上海 200032；3. 上海市影像醫(yī)學(xué)研究所，上海 200032

迭代重建算法在CT中的應(yīng)用

陸秀良1，曾蒙蘇1,2,3

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院 放射診斷科，上海 200032；2. 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院 影像學(xué)系，上海 200032；3. 上海市影像醫(yī)學(xué)研究所，上海 200032

本文敘述了主要商業(yè)迭代算法的歷史以及分類(lèi)。作為影響圖像質(zhì)量的重要因素之一，作者從理論基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用角度對(duì)比較廣泛應(yīng)用的幾種商用算法進(jìn)行了比較，旨在指導(dǎo)醫(yī)生和技師的臨床實(shí)際，合理提高圖像質(zhì)量和降低輻射劑量。

迭代重建算法；計(jì)算機(jī)斷層掃描；低劑量；圖像質(zhì)量

0 引言

在CT臨床應(yīng)用中，一直以來(lái)圖像質(zhì)量和輻射劑量都是一對(duì)矛盾[1]。一方面，過(guò)量的輻射會(huì)給病人帶來(lái)潛在傷害危險(xiǎn)，尤其兒童和年輕患者，因此臨床實(shí)踐中，應(yīng)盡可能地降低CT檢查對(duì)患者的輻射劑量影響；另一方面，輻射劑量和圖像質(zhì)量相關(guān)，適度的提高輻射劑量可以提高圖像質(zhì)量，使病灶顯示更清晰，有利于診斷，但會(huì)使患者所接受的輻射增加，從而增大癌變的機(jī)會(huì)。降低管電壓或管電流，可以降低劑量，但是會(huì)影響圖像質(zhì)量，可能會(huì)影響診斷。所以，如何能夠在降低劑量的同時(shí)，保證符合診斷要求的圖像質(zhì)量，已經(jīng)越來(lái)越多地受到關(guān)注[2-5]。重建算法作為影響圖像質(zhì)量的重要因素之一，已經(jīng)超越了圖像重建的功能。現(xiàn)在，有些重建算法還具備了在同等輻射劑量下提高圖像質(zhì)量的功能[1]。換句話說(shuō)，在同等輻射劑量下，應(yīng)用了高級(jí)重建算法，可以降低對(duì)劑量的需求，這不但可以提供診斷需要的圖像，甚至還可以改善圖像質(zhì)量。因此，更好地了解重建算法不但可以在臨床工作中保證診斷所需的圖像質(zhì)量，同時(shí)還能夠兼顧輻射劑量，關(guān)愛(ài)患者長(zhǎng)期的健康。

1 重建算法的分類(lèi)與演變

早在20世紀(jì)60年代，重建算法就已經(jīng)被應(yīng)用于單光子發(fā)射CT[6]，后來(lái)才逐漸被應(yīng)用于CT臨床。但是，受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展的限制，大量數(shù)據(jù)的處理非常耗時(shí)，所以只被用于處理少量數(shù)據(jù)的情況，例如128×128的圖像矩陣[2]。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的迅猛發(fā)展，重建算法不僅能夠應(yīng)用于臨床，根據(jù)臨床的需要，還演變出很多不同的算法。

1.1 解析法與濾波反投影

重建算法的發(fā)展過(guò)程中，最先被應(yīng)用到CT中的是解析重建算法[7]。該算法是通過(guò)把CT系統(tǒng)看作一個(gè)線性系統(tǒng)，滿足Ax=b。其中，x是要計(jì)算的體素?cái)?shù)據(jù)，b是測(cè)量得到的像素?cái)?shù)據(jù)，A則表示了射線自射線源至探測(cè)器的線性衰減。而算法通過(guò)測(cè)量b來(lái)求解x。該算法求解過(guò)程需要求解大量的方程，所以求解解析解對(duì)運(yùn)算能力要求較高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，濾波反投影算法[4]（FBP）出現(xiàn)了。由于FBP不需要求解復(fù)雜的解析方程組，只需要將每組投影數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、濾波、反投影、加權(quán)，至最后一組投影數(shù)據(jù)處理完成，就可以得到重建的圖形，所以FBP重建速度快。但是，它對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)要求較高。當(dāng)噪聲較高，輻射劑量不足，投影數(shù)據(jù)采集不足時(shí)，重建的圖像質(zhì)量可能就無(wú)法滿足診斷的要求[8]。因此，該方法對(duì)于輻射的劑量要求較高，在很多情況下，已經(jīng)被高級(jí)的重建算法所取代。

1.2 迭代重建算法

迭代重建算法是另外一類(lèi)重建算法。它的整個(gè)處理過(guò)程分為若干次迭代，每一次迭代都會(huì)將采集的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過(guò)比較兩組圖像的不同，并結(jié)合已知的信息，逐次對(duì)待處理的圖像進(jìn)行改善[9]。這種已知的信息，不但可以起到平滑圖像的作用，還保留了不同結(jié)構(gòu)的對(duì)比信息。因此，可以在高對(duì)比度下提高空間分辨率，在低對(duì)比度下降低噪聲。

雖然，迭代重建算法有很多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，但收斂速度（算法找到最優(yōu)解的速度）還是制約著其在臨床上的應(yīng)用。比如，海量圖像重建要求的計(jì)算機(jī)等硬件或軟件的功能以及速度，都會(huì)對(duì)迭代重建算法的臨床應(yīng)用產(chǎn)生影響。為了減少運(yùn)算量，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，研究人員提出了統(tǒng)計(jì)迭代法[10-11]。這種模型是基于噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，有針對(duì)性地以降低噪聲為目的。這種算法雖然速度快，可以降低噪聲，但是對(duì)噪聲的抑制是各向同性的，即對(duì)圖像的任何位置的噪聲處理都是一樣的。這就使得經(jīng)過(guò)處理的圖像看上去與傳統(tǒng)FBP方法得到的差別較大[11]。而且，該方法對(duì)劑量敏感，當(dāng)劑量很低時(shí)，圖像質(zhì)量會(huì)變差，這也限制了其在臨床上的進(jìn)一步應(yīng)用。

模型法是另外一大類(lèi)迭代算法的總稱(chēng)。嚴(yán)格來(lái)講，統(tǒng)計(jì)迭代法也屬于模型法。但是，由于該方法在文獻(xiàn)里經(jīng)常出現(xiàn)，逐漸地被歸為另外一類(lèi)。在模型法中，根據(jù)不同的假設(shè)和簡(jiǎn)化方法的不同，又大致分為幾何模型法、物理模型法、先驗(yàn)知識(shí)建模法等方法[2,12-13]。幾何模型法是為了進(jìn)一步提高重建數(shù)據(jù)精度而提出的。在常見(jiàn)方法中大多是將放射源假設(shè)為一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，而探測(cè)器也是假設(shè)為一個(gè)點(diǎn)，因此對(duì)應(yīng)某個(gè)體素，只有一條射線穿過(guò)。但是，實(shí)際情況并非如此，射線源并不是點(diǎn)源，探測(cè)器也并不是只接受一條射線。該模型就是基于射線源與探測(cè)器都有一定大小，通過(guò)某一體素射線也并非一個(gè)，這更加符合實(shí)際情況。物理模型法則是考慮了射線對(duì)不同物質(zhì)，不同密度的物體有著不同的衰減。而且，也考慮到了射線并非理想的單能射線。先驗(yàn)知識(shí)建模法則是將被測(cè)量的人或物的先驗(yàn)知識(shí)作為模板，比如外形、輪廓等，然后再進(jìn)行運(yùn)算以提高算法收斂性和運(yùn)算速度。雖然，算法很多，也各有特色，但需要指出的是，市場(chǎng)上的CT大多同時(shí)整合了多種算法或假設(shè)于一體的，并考慮了多種復(fù)雜情況下研究出來(lái)的，即所謂的多模型重建算法。該算法需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)軟硬件要求很高。計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)使它成為了可能?，F(xiàn)在，我們不但擁有高速的計(jì)算機(jī)處理器（CPU），還擁有了為圖像處理專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的圖像處理GPU[14-15]。隨著科技的發(fā)展，更高性能的軟硬件將使CT圖像質(zhì)量進(jìn)一步提高，使圖像質(zhì)量對(duì)于劑量的依賴(lài)進(jìn)一步降低。

2 重建算法的臨床應(yīng)用

目前，迭代重建算法的應(yīng)用主要還是針對(duì)臨床多層螺旋CT，其發(fā)展也主要是由生產(chǎn)廠家來(lái)推動(dòng)的。截止到2011年底，4家主要的CT生產(chǎn)商推出的迭代重建算法見(jiàn)表1（相同名稱(chēng)以最新版本為準(zhǔn)）。

表1 CT生產(chǎn)商迭代重建算法一覽[2]

由于CT的復(fù)雜性和對(duì)圖像的質(zhì)量以及劑量的多方面要求，現(xiàn)在的迭代重建算法基本都屬于模型法甚至是兼顧多種模型的方法。以上幾種算法，ASIR是最早的商用迭代算法。不過(guò)該算法與ADIR一樣，都是基于統(tǒng)計(jì)迭代算法，因此其缺點(diǎn)也很明顯，即為了得到較好的圖像質(zhì)量，要以犧牲劑量為代價(jià)[8]。換句話說(shuō)，就是當(dāng)劑量較低時(shí)，這兩種算法會(huì)有較大的成像誤差，或者引起圖像質(zhì)量急劇降低，或者帶來(lái)較大的偽影而影響診斷。iDose算法是一種結(jié)合了解剖模型與噪聲模型的算法，解剖模型提供先驗(yàn)信息以提高算法收斂速度，噪聲模型則主要用于提高圖像質(zhì)量[16]。但是，該算法由于先驗(yàn)知識(shí)來(lái)自于解剖模型，當(dāng)出現(xiàn)與已有模型數(shù)據(jù)庫(kù)不匹配或特異性較大的患者時(shí)，對(duì)圖像質(zhì)量不但不會(huì)有提升反而會(huì)降低。有研究[3]已經(jīng)證明在常規(guī)劑量掃描下，iDose具有與ASIR相類(lèi)似的圖像改善能力。VEO是GE公司得到FDA認(rèn)證的最新一代模型類(lèi)算法。雖然相關(guān)文獻(xiàn)不多，但是該算法具有比ASIR和iDose更好的圖形質(zhì)量[3]。該算法從研發(fā)到上市經(jīng)歷了一兩年的時(shí)間，不過(guò)至今仍然無(wú)法廣泛應(yīng)用于臨床。因?yàn)槠涮幚頃r(shí)間很長(zhǎng)（30min以上），需要額外的計(jì)算機(jī)。并且，對(duì)于計(jì)算產(chǎn)生的大量熱能也是需要繼續(xù)解決的實(shí)際問(wèn)題。西門(mén)子公司的重建算法經(jīng)歷了兩代。第一代IRIS算法是將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次重建后，在圖像空間內(nèi)進(jìn)行迭代，減少頻繁的重建和反重建的運(yùn)算量，還可以在不失圖像銳利度的情況下降低噪聲，兼顧了處理時(shí)間和圖像質(zhì)量[17-18]。該算法與ASIR、iDose、ADIR一樣，同屬于在降低噪聲層面上來(lái)提高圖像質(zhì)量。不同的是，此算法不是基于統(tǒng)計(jì)模型，因此，在低劑量掃描的情況下，圖像質(zhì)量會(huì)更加好。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算能力的提高，為了進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，降低噪聲和去除圖像偽影，SAFIRE算法作為第二代迭代算法已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于臨床[11]。該方法是結(jié)合圖像空間和原始數(shù)據(jù)空間的迭代算法。先在原始數(shù)據(jù)空間進(jìn)行迭代以消除圖像偽影，再在圖像空間進(jìn)行迭代以降低噪聲。該算法經(jīng)FDA認(rèn)證，可以在改善圖像質(zhì)量的前提下，降低54%～60%的劑量要求。特別值得一提的是，SAFIRE已經(jīng)經(jīng)過(guò)FDA認(rèn)證，對(duì)于螺旋偽影的去除有著出眾的效果。因此，著者認(rèn)為：SAFIRE是目前市場(chǎng)上臨床表現(xiàn)最好的迭代重建算法。然而，由于各個(gè)廠家的CT內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相同，算法也有所差異。出于商業(yè)原因，各廠家并未公布算法的具體實(shí)現(xiàn)方法。這就使得對(duì)不同廠家的模型進(jìn)行公平比較帶來(lái)了巨大的困難。因此，各廠商如能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，將會(huì)進(jìn)一步提高CT臨床的應(yīng)用。

3 臨床應(yīng)用報(bào)道

在臨床應(yīng)用上，有不少學(xué)者已經(jīng)研究了不同的迭代算法。絕大多數(shù)研究認(rèn)為，迭代重建算法可以有效的降低輻射劑量、改善圖像質(zhì)量[2-3,9,17-18]。已經(jīng)有很多研究比較了迭代重建算法與FBP，指出在降低劑量的同時(shí)不會(huì)帶來(lái)圖像質(zhì)量的明顯下降。與FBP相比，迭代算法可以降低的劑量也并不相同。研究者們報(bào)道[19-22]，根據(jù)具體算法與處理部位的不同，迭代算法可以降低7%、27%、35%、43%、50%不等的劑量。直接從臨床角度比較不同廠家的算法比較少。比如，Pontana F[22-23]等比較了IRIS和ASIR在胸部掃描上的應(yīng)用，結(jié)果表明，IRIS比ASIR具有更高降低輻射劑量的潛力。我們還可以通過(guò)間接的比較。比如，在冠脈CTA的應(yīng)用上，Waldema H等報(bào)道了使用iDose后，對(duì)于劑量可以降到大約3mSv[24]。而且，該研究還是在對(duì)BMI進(jìn)行了限制的條件下進(jìn)行的。這一劑量的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西門(mén)子Flash應(yīng)用IRIS或SAFIRE不對(duì)BMI做任何限制的結(jié)果[25-30]。研究[11]表明，SAFIRE在平均BMI達(dá)32.4kg/m2時(shí)，依然可以得到很好的圖像質(zhì)量。圖1是前門(mén)控冠脈CTA的1個(gè)案例[11]。該病例是62歲男性胸痛病患，BMI為34kg/m2，前降支可見(jiàn)明顯的鈣化斑塊。圖1-a為使用常規(guī)FBP方法重建得到的圖像，鈣化偽影影響了對(duì)血管腔的評(píng)估。圖1-b是半劑量SAFIRE重建后的圖像，可見(jiàn)斑塊和血管顯示更加清晰。圖1-c可以進(jìn)一步確認(rèn)1-b的診斷。

臨床迭代算法的應(yīng)用很多很廣，應(yīng)該注意好的圖像處理算法不單單可以降低劑量，還可以提供滿意的圖像質(zhì)量。在迭代算法這條路上，各廠家依然還有很長(zhǎng)的路要走，這依賴(lài)于技術(shù)的發(fā)展，也依賴(lài)于臨床提出更高的要求，和計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

圖1 SAFIRE臨床應(yīng)用舉例

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Clinical Application of Iterative Reconstruction Algorithm in CT

LU Xiu-liang1, ZENG Meng-su1,2,3
1. Department of Diagnostic Radiology, Zhongshan Hospital, Fudan University , Shanghai 200032, China; 2. Department of Medical Imaging ,Shanghai Medical School, Fudan University, Shanghai 200032, China; 3. Shanghai Institute of Medical Imaging,Shanghai 200032, China

This paper reviewed history and classif cation of the main commercial iterative reconstruction algorithms. As one of the main factors for image quality, the authors compared some commonly used algorithms regarding their theory basics and diverse clinical applications, aiming to guide radiologists and technicians to improve image quality but with lower dose as much as possible in clinic.

iterative reconstruction algorithm; CT; low dose

TH774；TN911.73

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.04.051

1674-1633(2012)04-0128-04

2012-02-01

2012-04-06

曾蒙蘇，博士，教授，主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師。

作者郵箱：lu.xiuliang@zs-hospital.sh.cn