全模型迭代重建在頭頸部CT血管成像中的應(yīng)用

吳曉玲 黃飚*

CT 血管成像（CT angiography，CTA）具有無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便、快速等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于腦血管疾病的診斷和評(píng)估具有重要價(jià)值。血管內(nèi)微創(chuàng)治療技術(shù)，包括頸動(dòng)脈支架置入、主動(dòng)脈瘤的血管內(nèi)治療和動(dòng)脈內(nèi)取栓等，在動(dòng)脈硬化性疾病的診治中應(yīng)用越來(lái)越多，使CTA檢查的次數(shù)進(jìn)一步增加。隨著CTA檢查數(shù)量的增多，檢查的輻射安全問(wèn)題也日益為人們所關(guān)注。CTA檢查應(yīng)該遵循輻射劑量最低化原則（as low as reasonably achievable，ALARA），即在能滿足診斷的前提下，輻射劑量盡可能降到最低。因此，如何能夠在降低CTA輻射劑量的同時(shí)又能獲得能滿足臨床診斷需要的影像成為亟待解決的問(wèn)題[1]。

目前已有多種方法用于降低CTA輻射劑量，包括降低管電壓、降低管電流和改善影像重建技術(shù)等。在診斷用管電壓范圍內(nèi)，X線的輻射劑量與管電壓的平方呈正相關(guān)關(guān)系，與管電流呈線性正相關(guān)關(guān)系，降低管電壓或者管電流均能有效地降低X線的輸出量，從而降低病人所接受的輻射劑量。但是，降低管電壓或管電流會(huì)在降低輻射劑量的同時(shí)降低影像空間分辨力、增加影像噪聲，導(dǎo)致影像質(zhì)量下降并最終影響診斷的準(zhǔn)確性[2]。Leipsic等[3]認(rèn)為降低管電壓會(huì)使X線的穿透作用減弱，探測(cè)器接收到的光子數(shù)量減少，最終影像噪聲增加；如果再降低管電流，又會(huì)影響影像的低對(duì)比度分辨力，使影像的信噪比（SNR）降低，影響影像的密度分辨力。CT技術(shù)自誕生以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展形成了多種重建方法。其中，濾過(guò)反投影（FBP）法憑借其重建速度快、影像重建系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，一度成為主流的重建算法[4]。但傳統(tǒng)的FBP算法對(duì)CT掃描輻射劑量的要求比較高，隨著輻射劑量的減低，影像噪聲會(huì)顯著增加，導(dǎo)致影像質(zhì)量明顯下降[5]。因此，傳統(tǒng)的FBP重建方法無(wú)法滿足臨床對(duì)低輻射劑量的需要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，迭代重建技術(shù)得以應(yīng)用于臨床，目前在冠狀動(dòng)脈CTA、胸腹部、腰椎以及頭頸部CTA等方面取得滿意效果[6-8]。

1 全模型迭代重建技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，基于模型的迭代重建技術(shù)層出不窮，如GE公司的基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR；商品名 VEO）技術(shù)、西門(mén)子公司的高級(jí)建模迭代重建（advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE）技術(shù)、東芝公司的基于正投影模型的迭代重建（forward projected modelbased iterative reconstruction solution，F(xiàn)IRST）技術(shù)[9]。全模型迭代重建（iterative model reconstruction,IMR）技術(shù)是飛利浦公司2012年推出的第二代迭代重建技術(shù)[10]，與以往的部分迭代重建技術(shù)不同，IMR是基于三維微平板探測(cè)器和硬件平臺(tái)的非線性完全迭代重建技術(shù)，從焦點(diǎn)到探測(cè)器的整個(gè)過(guò)程中將X射線束建立的多個(gè)模型、X射線束、焦點(diǎn)、體素和探測(cè)器的幾何形狀都考慮進(jìn)去，通過(guò)前向、后向重建在投影數(shù)據(jù)空間以及圖像數(shù)據(jù)空間分別進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，在重建過(guò)程中建立圖像統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型，通過(guò)反復(fù)對(duì)掃描模型與采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和校正來(lái)實(shí)現(xiàn)影像最優(yōu)化[11]。

2 IMR技術(shù)特點(diǎn)

IMR技術(shù)充分考慮了圖像統(tǒng)計(jì)模型、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型和系統(tǒng)模型，將基于統(tǒng)計(jì)模型的降噪結(jié)合到原始數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間，從而降低影像噪聲并提高影像整體質(zhì)量，通過(guò)復(fù)雜的迭代運(yùn)算、更多的迭代次數(shù)，采用更為全面、完整的系統(tǒng)模型進(jìn)行對(duì)比校正，最終得到低噪聲、高分辨力的影像。iDose4技術(shù)是基于FBP圖像進(jìn)行的迭代運(yùn)算，屬于部分迭代重建技術(shù)，未考慮系統(tǒng)硬件對(duì)圖像的影響，因而降低輻射劑量的程度是有限的[12]。而IMR技術(shù)不含F(xiàn)BP成分，是一種完全迭代技術(shù)，其降低影像噪聲的能力更強(qiáng)。此外，IMR技術(shù)還可以多方面提高影像質(zhì)量，如提高空間分辨力、增強(qiáng)低對(duì)比度檢測(cè)力和邊緣銳利度，因此IMR能夠在低輻射劑量條件下重建出滿足臨床診斷需求的高質(zhì)量的影像。Niesten等[13]在標(biāo)準(zhǔn)管電壓掃描條件下（120 kV，150 mAs），分別用FBP、iDose4及IMR技術(shù)重建影像，并對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用IMR重建技術(shù)顯著改善了影像的整體質(zhì)量，降低了影像噪聲。Ryu等[14]通過(guò)模體實(shí)驗(yàn)證實(shí)，IMR與FBP相比，影像噪聲減少了70%~83%，對(duì)低對(duì)比結(jié)構(gòu)的分辨力提高了43%~80%，同時(shí)輻射劑量可減少60%~80%。最近在冠狀動(dòng)脈CTA、下肢CTA、腹部成像等方面的研究也證實(shí)了IMR技術(shù)在降低輻射劑量、提高影像質(zhì)量方面的巨大潛力[15-19]。

3 IMR技術(shù)對(duì)降低頭頸CTA輻射劑量的作用

3.1 降低CTA輻射劑量、提高影像質(zhì)量 Oda等[20]的研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)的全劑量（120 kV，730 mAs）掃描聯(lián)合FBP重建算法相比，低劑量（120kV，146 mAs）掃描聯(lián)合IMR重建算法不僅可以獲得低噪聲、高對(duì)比度的影像，而且可以降低80%的輻射劑量。然而，與120 kV管電壓相比，管電壓為80 kV時(shí)所產(chǎn)生X射線的平均光子能量更接近于對(duì)比劑中碘原子的K緣（33.2 keV），此時(shí)光電效應(yīng)作用最強(qiáng)，碘原子對(duì)X射線的吸收率最大，血管強(qiáng)化的CT值也會(huì)明顯提高，使血管與周圍組織之間的對(duì)比增強(qiáng)[2]。

Wang等[21]研究了低管電壓（80 kV）條件下，F(xiàn)BP、iDose4、IMR 3種重建技術(shù)獲得的頭部CTA影像質(zhì)量，結(jié)果表明IMR比FBP、iDose4影像質(zhì)量更好，影像噪聲分別降低了58%和38%，SNR和對(duì)比噪聲比（CNR）與FBP相比增加了120%和50%；能提高對(duì)腦動(dòng)脈硬化和動(dòng)脈瘤的診斷信心，并且與常規(guī)的120 kV掃描方案相比，管電壓為80 kV時(shí)輻射劑量降低了70%。因此，在低管電壓（80 kV）條件下聯(lián)合IMR技術(shù)，能在低輻射劑量情況下獲得滿足臨床診斷需求的高質(zhì)量影像。

高等[22]應(yīng)用低電壓、低劑量對(duì)比劑（100 kV、40 mL）聯(lián)合IMR技術(shù)進(jìn)行頭頸部CTA成像，與常規(guī)劑量（120 kV、50 mL）掃描聯(lián)合iDose4技術(shù)重建的影像相比，“雙低”技術(shù)聯(lián)合IMR可以進(jìn)一步降低噪聲，影像質(zhì)量滿足診斷需求的同時(shí)，輻射劑量降低41%。近年來(lái)，“三低”(低管電壓、低對(duì)比劑用量和注射流率)技術(shù)在頭頸聯(lián)合CTA中應(yīng)用的可行性也已有許多研究。有研究[23]發(fā)現(xiàn)在“三低”技術(shù)條件下，采用FBP重建的頭頸部CTA影像，影像噪聲過(guò)大，顆粒感強(qiáng)，主動(dòng)脈及雙側(cè)頸總動(dòng)脈起始部血管管壁毛糙，顯示不清。而使用IMR重建后，影像噪聲明顯下降，血管顯示清晰，影像質(zhì)量明顯改善，能夠滿足診斷要求，且使病人輻射劑量減少81.3%。Cai等[24]探究 “三低”技術(shù)聯(lián)合IMR重建算法進(jìn)行頭頸部CTA掃描，結(jié)果表明IMR重建算法能明顯降低影像噪聲、提高影像的CNR和SNR，還可以使對(duì)比劑具有更高的CT衰減值，不僅病人接受的有效輻射劑量減少69.6%，還使病人的碘負(fù)荷下降51.4%，對(duì)比劑注射流率下降27%，即在減少有效輻射劑量同時(shí)，降低了對(duì)比劑副作用的風(fēng)險(xiǎn)，減少了高流率注射對(duì)比劑對(duì)血管及皮膚的損傷概率。新近有研究[25]將低管電壓、低對(duì)比劑濃度、低注射流率及低注射劑量的“四低”技術(shù)聯(lián)合自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)及IMR技術(shù)用于頭頸部CTA，研究結(jié)果表明，采用低電壓（80 kV）和低對(duì)比劑濃度（含碘 300 mg/mL）、注射流率（3 mL/s）及注射劑量（30 mL）的“四低”技術(shù)聯(lián)合自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)和IMR技術(shù)能夠在影像質(zhì)量滿足臨床診斷需求的前提下，進(jìn)一步降低病人接受的輻射劑量和對(duì)比劑副作用的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病顯示及診斷效率的影響

Lombardi等[26]用IMR與iDose4技術(shù)重建CT平掃影像用于缺血性卒中早期征象動(dòng)脈致密征的檢出，結(jié)果顯示IMR技術(shù)顯著提高了對(duì)動(dòng)脈致密征檢測(cè)的敏感度（IMR：100%，iDose4：50%），同時(shí)具有更高的SNR和CNR，對(duì)灰白質(zhì)等解剖結(jié)構(gòu)的顯示更佳，CT影像的整體質(zhì)量更好。張等[27]用80 kV、30 mAs掃描條件聯(lián)合IMR技術(shù)用于CT灌注成像，研究結(jié)果表明IMR技術(shù)聯(lián)合低劑量腦CT灌注成像可以在保證影像質(zhì)量和灌注參數(shù)穩(wěn)定的前提下明顯降低輻射劑量，輻射劑量與常規(guī)組（80 kV、150 mAs）相比降低了80%。一項(xiàng)兒童頭頸部CTA研究[28]表明，低管電壓（80 kV）、低對(duì)比劑用量（30 mL）條件下，IMR 組能顯著降低輻射劑量和碘負(fù)荷，改善影像質(zhì)量，更有利于檢出兒童腦血管病變。此外，還有研究[29]發(fā)現(xiàn)80 kV管電壓、160 mm寬體探測(cè)器聯(lián)合新型的自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法（adaptive statistical iterative reconstruction algorithm-V，ASIR-V）用于頸部 CTA成像，比第一代迭代重建算法降低輻射劑量近90%，同時(shí)保持良好的影像質(zhì)量，對(duì)頸部血管狹窄的診斷準(zhǔn)確性與DSA相似。

4 小結(jié)

IMR用于頭頸部CTA在降低輻射劑量的同時(shí)，能有效降低影像噪聲、提高SNR和CNR，增強(qiáng)對(duì)腦血管病的診斷信心。IMR技術(shù)還能提高對(duì)早期缺血性卒中動(dòng)脈致密征的檢出率，大幅度降低CT灌注的輻射劑量，減少對(duì)比劑的用量以及降低對(duì)比劑注射流率。IMR技術(shù)已經(jīng)可以用于全身各個(gè)部位的成像。隨著放射科醫(yī)生對(duì)IMR技術(shù)重建影像特征的熟悉，IMR技術(shù)可以進(jìn)一步拓寬其臨床應(yīng)用范圍。盡管如此，IMR技術(shù)仍存在一些問(wèn)題亟待解決。IMR的重建時(shí)間較長(zhǎng)，如何進(jìn)一步縮短其重建時(shí)間尚有賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；如何設(shè)計(jì)個(gè)體化的更低輻射劑量掃描方案尚待進(jìn)一步研究。相信隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展以及IMR技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化完善，IMR技術(shù)有望在將來(lái)取代傳統(tǒng)的FBP重建方法，在臨床工作中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。