胸部CT 低劑量掃描聯(lián)合不同迭代重建的研究進(jìn)展

蘇煜文 劉 慧 鄧 凱

1.山東第一醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 山東省千佛山醫(yī)院放射科，山東濟南 250014；2.山東財經(jīng)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濟南 250014

隨著人們對健康的重視程度不斷加強，CT 檢查以其快速、簡便、無創(chuàng)的特點在臨床應(yīng)用中日益廣泛，增強CT的應(yīng)用使影像診斷水平逐漸提高，但電離輻射帶來的致癌風(fēng)險及碘對比劑帶來的對比劑腎?。╟ontrast induced nephropathy，CIN）也成為醫(yī)務(wù)工作者關(guān)注的重點。如何在保證和提高圖像質(zhì)量的前提下調(diào)整合適的掃描參數(shù)來減少受檢者的輻射劑量成為當(dāng)前研究的主要方向。適應(yīng)性統(tǒng)計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASIR-V）技術(shù)是一種新的迭代重建算法，前置可以通過調(diào)節(jié)管電流降低輻射劑量，后置通過減低噪聲提高圖像質(zhì)量，較傳統(tǒng)的濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）在低劑量掃描中的潛力更大，對胸部疾病能做到早發(fā)現(xiàn)早診斷早治療。本文就胸部CT 掃描聯(lián)合迭代重建算法在低輻射劑量及低對比劑劑量中的應(yīng)用研究進(jìn)展予以綜述。

1 胸部低劑量掃描的研究背景

近年來，CT 增強掃描已成為胸部檢查的常規(guī)檢查手段，隨著CT技術(shù)的不斷成熟及人們對健康的越來越重視，CT 做為常規(guī)體檢項目，臨床診斷對其依賴性也在不斷提高。然而由于CT 檢查的放射劑量和檢查時間遠(yuǎn)高于X 線檢查，這使CT 成為醫(yī)源性放射的主要來源[1]。英國主要醫(yī)療中心的研究顯示，在放射科的所有放射學(xué)檢查中CT 掃描僅占11%，由于CT 掃描導(dǎo)致的患者有效輻射劑量在1998 年報告中占醫(yī)療診斷暴露患者總劑量的40%，2008 年為68%[2]。為解決這一問題，國際輻射防護(hù)委員會（international commission on radiological protection，ICRP）在2007 年中提到了合理使用低劑量的原則，應(yīng)在保證診斷圖像質(zhì)量的前提下，將無癥狀及健康體檢人群輻射劑量降到最低[3]。目前最主要的研究是通過降低管電壓、增加管電流和增加螺距等方法達(dá)到減少輻射劑量的目的，但過多的操作會導(dǎo)致圖像質(zhì)量的降低，影響疾病診斷，延誤治療，從而如何在保證和提高圖像質(zhì)量的前提下調(diào)整合適的掃描參數(shù)來改變受檢者受到的輻射劑量成為當(dāng)前研究的主要方向。

1.1 通過降低管電壓來降低輻射劑量

根據(jù)輻射劑量公式可以知道，X 線的輻射劑量與管電壓的平方成正比，因此當(dāng)降低管電壓時，X 線的輻射劑量呈幾何降低[4-5]。同時可以增加光電效應(yīng)，提高碘的CT 值，增加血管的對比度，減少對比劑的用量[6-7]。但是由于管電壓決定了X 線的穿透能力，X 線穿透能力的降低會使可有效成像的光子數(shù)急劇降低，導(dǎo)致圖像噪音的增高，圖像質(zhì)量的明顯下降，故依靠盲目地降低管電壓來降低輻射劑量將導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，目前臨床多采用100 kV的管電壓進(jìn)行掃描，相較120 kV的管電壓可降低約20%的輻射劑量[8-9]。

1.2 通過降低管電流來降低輻射劑量

管電流的降低伴隨著輻射劑量的降低，同樣會引起有效光子數(shù)量減少、圖像質(zhì)量下降、密度分辨率下降而難以達(dá)到臨床診斷需要，這種現(xiàn)象在高對比分辨度的組織和器官中影響較小，例如肺。但對縱隔等對比度較差的組織影響較大。現(xiàn)在較多使用自適應(yīng)性的管電流調(diào)控機制（automatic tube current modulation，ATCM)，ATCM 被ICRP 強調(diào)為可以減少CT 檢查劑量的改進(jìn)方法之一，該機制先設(shè)定固定的噪音指數(shù)（NI），然后根據(jù)受檢者被檢測部位不同組織厚度下射線衰減系數(shù)的不同來自動調(diào)節(jié)管電流，將管電流調(diào)節(jié)至滿足臨床診斷要求的圖像質(zhì)量所需的最小水平[10]。當(dāng)ATCM技術(shù)有效使用時，對比應(yīng)用固定管電流可降低40%～60%的輻射劑量[11]。

1.3 通過增加螺距來降低輻射劑量

在其他條件保持不變的情況下，增加螺距意味著縮短了曝光時間，可以大大減少受檢者所受的輻射劑量，但與此同時，螺距的增加將導(dǎo)致圖像掃描層厚的增加，造成平均容積效應(yīng)，導(dǎo)致分辨率降低，影響小結(jié)節(jié)、終末支氣管病變和其他細(xì)微病變的檢測。因此根據(jù)掃描及受檢者的情況，應(yīng)在確保圖像質(zhì)量的前提下適當(dāng)增加螺距來達(dá)到降低輻射劑量的目的。

2 CT 重建算法的發(fā)展

臨床中常用的CT 圖像重建算法主要有兩類：解析算法（analytic reconstruction，AR）和迭代算法（iterative reconstruction，IR）。在AR 中，濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）是最有代表性且商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的方法，具有分辨率高、成像速度快等優(yōu)點，因此FPB的重建圖像也常被用來當(dāng)做衡量其他重建技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。但FBP 因?qū)Ω鞣N參數(shù)理想化的假定造成了其發(fā)展的局限，而重建過程如果要求真實的CT 數(shù)據(jù)采集過程，就必須考慮實際的成像空間，迭代重建（iterative reconstruction，IR）將系統(tǒng)光學(xué)特性理想化，將數(shù)據(jù)根據(jù)比例進(jìn)行加權(quán)融合，彌補了這種在使用FBP重建時，圖像的噪音和偽影會隨著管電壓的降低而增加所導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降的現(xiàn)象。2008 年GE 公司推出的基于系統(tǒng)統(tǒng)計模型的ASIR技術(shù)為CT 帶來了低輻射檢查的時代。ASIR 算法通過首先建立噪聲性質(zhì)和被掃描物體的模型，可以為具有較高噪聲抑制要求的檢查帶來顯著好處，例如肥胖患者等。也就是說，在相同噪聲水平下，與傳統(tǒng)FBP 算法比較，ASIR 算法在胸部掃描時可將輻射劑量降低50%以上，而圖像噪聲無顯著提高[12]。相較于ASIR 對成像對象的噪聲特性進(jìn)行建模，GE 公司推出模型基礎(chǔ)的迭代重建技術(shù)（model-based iterative reconstruction，MBIR）對系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和光學(xué)器件均進(jìn)行建模，能夠在降低噪聲的同時提高圖像空間分辨率；其后推出的ASIR-V 不僅提升了ASIR的圖像質(zhì)量且縮短了MBIR的成像處理時間，并可通過對焦點、體素及探測器的實際大小進(jìn)行重點計算，對CT 掃描時X 線的檢測及其產(chǎn)生過程建立標(biāo)準(zhǔn)的多模型，可選擇性地識別并消除噪聲，提高圖像質(zhì)量，降低偽影的發(fā)生率[13]。Kwon 等[14]通過研究低劑量ASIR-V的圖像質(zhì)量與ASIR 比較是否明顯降低甚至影響臨床診斷證實，在ASIR-V 及ASIR 圖像質(zhì)量相同的情況下，ASIR-V的輻射劑量可以降低35%左右。

3 權(quán)重的選擇

ASIR-V 前置技術(shù)，通過提前設(shè)定好噪音指數(shù)及權(quán)重比例，采用自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)，達(dá)到降低計量及噪聲的目的，后置放棄了傳統(tǒng)MBIR的系統(tǒng)光學(xué)模型，引進(jìn)了物理模型、物體模型及系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計，提高了圖像的密度分辨率并將低了圖像偽影[15-16]。據(jù)文獻(xiàn)報道，在一定范圍內(nèi)，隨著后置權(quán)重不斷增加，圖像的噪聲和偽影均出現(xiàn)依次減少，并且圖像分辨率不斷提高，然而隨著權(quán)重的不斷增加，圖像出現(xiàn)蠟樣偽影或斑點狀偽影，減弱胸部組織結(jié)構(gòu)界面的對比度，使血管壁及支氣管壁等顯示不清，出現(xiàn)模糊效應(yīng)并且出現(xiàn)圖像的過度平滑且主觀質(zhì)評分曲線呈拋物線形態(tài)[17-18]。Afadzi 等[19]在對胸部模擬病變的研究中發(fā)現(xiàn)，與FBP圖像比較，無論劑量如何，ASIR-V 均可改善圖像質(zhì)量且圖像噪音均降低（5%～55%）。在低于70% ASIR-V水平時，可能更適用于低劑量胸部疾病的臨床診斷。相關(guān)研究[20-21]對患者進(jìn)行胸部CT 平掃，比較ASIR 及不同權(quán)重下ASIR-V的有效劑量，ASIR-V表現(xiàn)出了降低圖像噪聲和偽影及保持圖像清晰度方面的優(yōu)點，其中后置60%的ASIR-V 是所有序列中的最佳權(quán)重，顯示出顯著優(yōu)越的對細(xì)微結(jié)構(gòu)的可見性。相關(guān)研究[22-23]分別在前置30%～60%聯(lián)合后置60%～100%權(quán)重對患者圖像質(zhì)量進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，多種前后置組合中40%前置聯(lián)合60%后置主觀評分值最高，推薦臨床應(yīng)用。綜合研究結(jié)果，在胸部CT 掃描中，因管電壓、對比劑劑量選則、檢查目的的不同，權(quán)重的選擇尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但前置40%聯(lián)合后置60%ASIR-V 重建技術(shù)得出圖像評分最高。

4 迭代重建技術(shù)在胸部疾病中的應(yīng)用

4.1 肺炎檢查中的應(yīng)用

CT 作為肺炎臨床診斷的主要手段，對肺紋理、小氣道、肺血管、淋巴管、肺內(nèi)病灶邊界清晰度等的評定要求嚴(yán)格。有研究[24-25]采用60% ASIR-V 聯(lián)合自動管電流及70 kV 在肺炎患者中進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)CT 比較，使輻射劑量降低、組織對比度增強且對細(xì)支氣管存在的病變所產(chǎn)生局限性空氣潴留及馬賽克征等均能夠顯現(xiàn)，對細(xì)支氣管周圍炎性的病變也更為敏感，進(jìn)而可對患者肺部組織病變所有的亞臨床癥狀進(jìn)行準(zhǔn)確觀察和治療，對肺炎患者的復(fù)查具有很大意義。

4.2 肺部腫塊檢查中的應(yīng)用

肺癌的發(fā)病率占惡性腫瘤的首位，而臨床中僅僅有少數(shù)患者在肺癌早期或癌前病變時被檢查發(fā)現(xiàn)，這種肺癌經(jīng)治療5 年生存率可達(dá)70%～80%，多數(shù)患者被發(fā)現(xiàn)肺癌已達(dá)中晚期，此時腫瘤錯過了最佳治療時期，預(yù)后不良。常規(guī)CT 掃描中，肺部結(jié)節(jié)同血管的關(guān)系尚不清晰，而迭代重建對小結(jié)節(jié)的敏感度高，可以發(fā)現(xiàn)＜5 mm 結(jié)節(jié)，清晰顯示結(jié)節(jié)與血管關(guān)系及邊緣是否有毛刺征、分葉征及胸膜凹陷征等來鑒別其良惡性[26-27]。Tang 等[28]在肺結(jié)節(jié)的研究中，通過比較標(biāo)準(zhǔn)對比劑劑量下FBP 算法及低對比劑劑量下60%ASIR-V重建圖像。結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)劑量掃描獲得的FBP 圖像比較，低劑量CT 掃描結(jié)合ASIR-V 算法在肺結(jié)節(jié)的檢出率可達(dá)97.75%，且60% ASIR-V 輻射劑較常規(guī)FBP 降低約59.1%?？梢缘贸雠c常規(guī)CT 比較，低劑量CT 聯(lián)合迭代重建技術(shù)的使用可以在保證圖像質(zhì)量的前提下顯著降低輻射劑量，對體檢中肺結(jié)節(jié)的篩查、早期肺癌的檢出及降低死亡率有重要意義。

4.3 肺血管疾病檢查中的應(yīng)用

胸部結(jié)構(gòu)豐富，含有大量的氣管、血管及淋巴組織，易發(fā)生心血管疾病，而心血管系統(tǒng)的病變?nèi)绶蝿用}栓塞是臨床較常見的急危重疾病，早期診斷對臨床治療具有重要意義。常規(guī)的肺動脈造影技術(shù)存在碘攝入量較大及輻射量較多等缺點，碘對比劑攝入過多有引起對比劑過敏及CIN的潛在危害，而能譜CTPA可以很好地增強肺動脈樹，從而更好的評價肺動脈栓塞的嚴(yán)重程度及肺組織的灌注程度[29]。Meier 等[30]研究能譜CT 低keV 對血管增強的作用中將碘造影劑用量由24 g（300 mgl/ml，80 ml）降低到6 g（400 mgl/ml，15 ml），結(jié)果發(fā)現(xiàn)降低碘對比劑用量仍可達(dá)到與傳統(tǒng)CTPA 相似的CNR 及CT 值。由此可知，在低劑量對比劑條件下，應(yīng)用能譜CT 聯(lián)合重建算法仍可達(dá)到傳統(tǒng)對比劑劑量下的圖像質(zhì)量，減少了對比劑過敏及CIN的發(fā)生率。

5 前景和展望

能譜CT 作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項新興檢查方式，給人們帶來更多診斷思路的同時也帶來了較高輻射劑量，現(xiàn)行的研究目的在于降低噪音、提高密度分辨率及降低偽影。過多的降低CT 掃描條件會導(dǎo)致成像清晰度的降低，掩蓋部分信息而影響診斷結(jié)果。迭代重建技術(shù)需要根據(jù)不同的掃描部位來選取不同的比例，以得出最優(yōu)化的CT 掃描劑量，其價值在于在低劑量的條件下可以提高圖像質(zhì)量，而由于檢查部位、目的不同等因素影響，尚無具體的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步實驗及研究得出最優(yōu)的迭代權(quán)重。相信隨著CT技術(shù)的不斷進(jìn)步，會用更低的輻射劑量得到更高的圖像質(zhì)量來為疾病的發(fā)現(xiàn)、診斷和鑒別診斷提供更有價值的信息。