全模型迭代重建技术在低剂量CT检查中的应用进展

引言

多层螺旋CT是最为常用的影像检查手段之一，对诸多临床疾病均有极大的诊断价值，由于X线照射有潜在的致癌风险[1-2]，因此尽可能降低CT辐射剂量是当今CT研究领域的热门话题。迭代重建算法的应用为大幅降低辐射剂量提供了新的可能，尤其是全模型迭代重建（Iterative Model Reconstruction，IMR）技术，作为新型的迭代重建算法，与混合型迭代比较，在降低噪声、提高图像质量、减少辐射剂量方面效果更显著。本文就IMR的原理及其在各器官系统中的应用价值作以综述。

1 全模型迭代算法的原理

IMR是一种新型的完全迭代重建技术，其原理是从焦点到探测器的整个过程中将X线束建立的多个模型、焦点、X线束、体素和探测器的几何形状均考虑进去，通过前向、后向重建在投影数据域及图像数据域分别进行迭代运算，并采用CT系统模型及统计学模型进行对比校正，最终得到低噪声、高分辨率的CT图像[3-4]。IMR技术与混合型迭代技术相比较，在显著降低辐射剂量的同时，提高图像质量更有优势，现已逐步应用于全身各系统的检查中。

2 全模型迭代重建（IMR）在各系统中的应用

2.1 在头颈部的应用进展

IMR技术能更大幅度降低头颈部CT图像的噪声，提高图像质量。Löve等[5]比较了头部IMR、滤波反投影重建（Filtered Back Projection，FBP）技术和多种迭代重建算法图像（iDOSE4、ASIR），IMR绝对噪声水平最低；与FBP相比，IMR噪声降低达56%，实现了最大的相对降噪百分比（SD%）。Bang等[6]研究显示IMR重建在0.22 mSv的超低剂量下即可清楚地显示视神经结构，该剂量仅为常规剂量的6%，此外对于鼻窦炎的诊断，最适有效辐射剂量为常规剂量的22%（0.86 mSv），该水平下的IMR重建能降低图像噪声，显示鼻窦解剖结构最佳。

Niesten等[7]在对34名患者行头颈部CTA检查的研究中发现，IMR重建降低头颈部血管图像的噪声，提高CNR，图像质量最好，在显示颈动脉完整性方面，IMR优于FBP及iDOSE4。IMR技术联合低剂量头颈部CTA扫描既能获得良好的图像质量，又能显著降低辐射剂量。高思喆等[8]应用低电压、低对比剂（100 kV、40 mL）结合IMR技术进行头颈动脉CTA扫描，并与常规剂量（120 kV、50 mL）扫描联合iDOSE4技术所获得的图像进行比较，证明了双低剂量IMR可以进一步降低噪声，图像质量满足诊断需求的同时，辐射剂量降低41%，对比剂负荷降低25%。此外，有研究显示低剂量80 kV下IMR重建计算的头颈部血管的SNR、CNR显著高于120 kV下FBP重建图像，满足诊断需求且辐射剂量较后者降低78%[9-10]。

2.2 在心血管方面的应用进展

2.2.1 冠脉钙化评分定量的应用进展

IMR技术是否会对冠状动脉钙化评分（Coronary Artery Calcification Score，CACS）产生影响，文献结论尚不一致[11-13]。一些文献显示，IMR使冠脉钙化积分减小，降低了图像噪声及严重钙化斑块边缘的光晕伪影，可能低估危险度分层[12-13]，因此应谨慎应用。谭晶等[14]通过对心脏钙化模体不同级别低剂量扫描IMR重建与常规剂量扫描FBP重建后钙化积分及图像质量的比较，发现了IMR可在辐射剂量降低62.41%时保持CACS定量的稳定。Den Harder等[11,15]通过对冠状动脉钙化患者的FBP、iDOSE4（levels 1，4和7）和IMR（levels 1，2和3）重建后图像比较分析显示IMR在降低管电流水平时，冠脉钙化分数不受辐射剂量降低的影响，辐射剂量可减小82%。上述研究结果的差异，考虑可能与各研究采用的扫描条件及入组患者的钙化严重程度相关。

2.2.2 冠脉CTA中的应用进展

IMR在提高冠脉CTA图像质量方面更有优势。Károlyi等[16]对52名怀疑冠脉血管病变的患者行常规剂量120 kV冠脉CTA检查的研究结果显示：IMR重建的冠脉图像噪声显著低于iDOSE4、FBP；CNR显著高于iDOSE4、FBP；值得注意的是IMR重建会减小所有斑块的体积（P＜0.01），而对冠脉管腔容积的显示与FBP及iDOSE4无显著差异。Halpern等 [17]、Yuki等 [18]将 CCTA 图像分别进行 FBP、iDOSE4及IMR重建处理后进行噪声比较，结果表明3种重建得到的CT值无显著差异，IMR图像噪声最小，图像质量最佳，iDOSE4次之，FBP最差，可见，IMR相比于早期的FBP甚至iDOSE4，在保证图像质量方面更有优势。IMR的应用使冠脉CTA检查采用80 kV管电压成为可能。Zhang等[19]、Cha等[20]的研究证实，80 kV IMR重建的冠脉SNR、CNR及图像质量均高于相同剂量FBP及iDOSE4组，与100 kV iDOSE4相比，其辐射剂量减低更显著且图像质量更好。

2.3 在胸部的应用进展

由于天然对比显著，胸部是在低剂量CT检查领域获益最多的部位。应用IMR技术可在降低图像噪声的同时实现胸部CT检查的更低剂量。Den Harder等[21]实验证实了常规剂量IMR算法重建的图像显示肺结节、腋窝及纵隔淋巴结能力较FBP、iDOSE4优，可以更加清晰地显示其形态、边界，不影响肺部病变的检出率。Khawaja等[22]、李婷婷等[23]的研究结果显示：低剂量IMR组胸部CT图像噪声值最低，且SNR及CNR值均较FBP、iDOSE4组升高。Kim等[24-25]研究证明与FBP、iDOSE4相比，IMR重建在不同辐射剂量下均可以降低肺结节包括磨玻璃密度结节（Ground-Glass Nodules，GGNs）的图像噪声，提高SNR、CNR，且结节直径测量误差不受辐射剂量影响（80 kV，10 mAs剂量下的3 mm GGNs除外）。然而Den Harder[26]另一研究发现IMR重建在低辐射剂量（0.6 mSv）下虽不影响诊断肺结节的灵敏度，但由于该重建算法导致肺结节图像外观的改变，降低辐射剂量可能会导致假阳性结果，因此在应用IMR技术时降低辐射剂量需谨慎。Azien等[27]将IMR技术应用于肺栓塞的研究中，结果显示，与FBP及iDOSE4相比，IMR重建的图像质量最佳，且栓塞主肺动脉及节段动脉的充盈缺损显示更明显（P＜0.05），主观评分最高。

2.4 在腹部的应用进展

2.4.1 肝胆系统的应用进展

IMR作为一种新型的IR算法，在图像处理过程中噪声会进一步降低，为实现腹部CT低剂量扫描开辟了新的途径。Yoon等[28]通过对各自包含8个局限病灶的肝脏大、小模体研究中发现，在超低辐射剂量（分别降低至常规剂量的25%、15%）条件下，相比于FBP及iDOSE4重建，IMR重建显示图像噪声仍最低，且对肝脏病变的诊断可行性最好（Kappa=0.829～0.923），然而该模体研究中模拟肝脏病灶大小尺寸是一定的，尚存在局限性。潘丹等[29]的研究中发现，在降低辐射剂量方面，与FBP比较，IMR技术结合不同辐射剂量扫描（A组120 kV，250 mAs和B组80 kV，500 mAs）均可以降低肝脏CT增强扫描图像噪声并能提高图像质量，以B组最明显。胆道系统过于精细，且病变小，很多影像学检查手段漏诊率较高，然而刘佩等[30]对疑似胆总管扩张患者的研究证明了低管电压100 kV IMR重建较常规管电压120 kV FBP重建能提高胆道系统的图像质量，其肝实质、胆管内及胆管壁、壶腹部的SD值均低于后者，CNR明显高于后者；且与手术病理结果相对比的一致性最好（Kappa=0.759），说明在有效辐射剂量降低约40.2%条件下，IMR仍有较高的诊断效能。

2.4.2 泌尿系统的应用进展

Kuo等[31]通过选取膀胱及肾囊肿两个囊性结构分别进行FBP、iDOSE4及IMR三种重建结果显示，IMR重建图像噪声最低，SNR最高，然而在泌尿系统实质脏器病变中IMR重建的最适剂量水平尚需进一步研究。Choi等[32]在泌尿系结石的模体实验研究中证实了IMR技术可以在辐射剂量降低84%条件下仍能保证图像质量，在临床方面，Hur等[33]针对65例疑似尿石症患者行不同剂量CT扫描（常规剂量、低剂量、超低剂量）FBP、iDOSE4及IMR重建的研究结果表明：同等剂量下，IMR重建的图像质量及对结石的显示结果最佳，其噪声最低，诊断可行性最好；当辐射剂量较常规剂量下降76.4%时，IMR重建在图像显示及诊断方面可与常规剂量相当。由此可见，在适当剂量条件下，IMR可以提供更好的图像质量及诊断可行性，满足临床需求。

2.4.3 腹部及下肢血管成像中的应用进展

IMR技术的应用有助于改善腹部血管成像的图像质量，并能降低辐射剂量。窦欣等[34]的研究证实了IMR重建显示的肾动脉图像质量优于FBP及iDOSE4组。Uchida[35]收集7例患有腹部疾病的患者行低管电压100 kV MDCT检查IMR重建后得到的2D图像进行3D CTA重建和分析结果显示：相比于常规剂量120 kV FBP，低剂量IMR更能清晰显示腹部大血管形态及走形、腹腔其他内脏动脉起源及其细小分支以及受肿瘤侵袭的静脉闭塞、侧支循环等，且在低管电压水平下减小噪声，提高图像质量。钱伟亮等[36]对56例怀疑下肢动脉病变的患者研究中证实了IMR可显著降低图像噪声，提高图像质量，且能满足诊断需求。但IMR应用于双下肢仍鲜有报道。

3 总结

IMR技术在改善CT图像质量，降低辐射剂量方面具有巨大应用价值。然而，应用IMR技术的最佳低剂量扫描方案的研究尤其是儿童群体的“双低”扫描方案的优化，IMR技术所需重建时间长于FBP和混合迭代重建算法，如何缩短重建运算时间等问题尚需进一步解决。总之，随着IMR技术的进一步完善，将来会有更好的临床应用前景。

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