CT迭代重建技术原理及其研究进展

董继伟

CT迭代重建技术原理及其研究进展

董继伟①

CT技术的快速发展使得临床疾病的诊断水平得到极大提高，然而CT检查的辐射剂量对被照射人群存在潜在危害，并日渐被人们所关注。如何在保证图像质量的前提下尽可能降低辐射剂量是当今医学影像学领域的重要研究课题，而重建算法的改进成为CT低剂量研究的方向之一。随着重建算法在技术上取得的新突破以及迭代重建技术的日趋成熟，可实现CT检查中在降低辐射剂量的同时获得高质量的图像，从而使更多患者受益。

计算机断层成像；迭代重建技术；新进展；辐射剂量

［First-author’s address］ Department of Medical Engineering， Beijing Anzhen Hospital， Capital Medical University， Beijing 100029， China.

目前，随着CT技术的快速发展，尤其是多排螺旋CT的出现，使得临床疾病的诊断水平得到了很大的提高，然而辐射剂量对被照射人群存在的潜在危害性也日渐被人们所关注［1］。有报道指出，全球医疗所致年人均辐射剂量在过去10～15年的时间里约增加1倍，尤其在高度发达的国家这种情况更为突出［2-3］。CT检查被认为是造成医源性辐射最重要的原因，因此在保证图像的质量和满足临床诊断要求的同时，尽可能减少受检者的辐射剂量、合理使用低剂量（as low as reasonably achievable，ALARA）已成为当今影像学重要的研究方向［4］。1990年，Naidich等首次提出低剂量CT的概念，即在其他扫描参数不变的情况下，通过在一定范围内降低管电流，达到降低辐射剂量的目的。其后，国内外医学家们对低剂量CT扫描展开进一步研究，方法主要包括降低管电压、增大螺距、使用后处理技术以及减少扫描次数等［5-7］。

1　CT图像重建算法的基本原理

近年来，重建算法的改进成为CT 低剂量研究的重要内容，常用的CT图像重建算法主要包括解析重建（analytic reconstruction，AR）算法和迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法。

1.1AR算法

AR算法具有分辨率高和成像速度快等优点，对采集数据的完备性要求也比较高。

在AR中，以滤波反投影（filtered back-projection，FBP）算法最具代表性，应用也最为广泛［8］。根据原始数据中的噪声特点，采用滤波函数作用在原始数据上，对整个频域内的信号进行滤波处理，去除易造成噪声和伪影的信息，选择对成像最为重要的信息，通过滤波处理后重建的图像噪声得到了极大的改善。

自CT被引入临床以来，FBP算法一直被作为CT图像重建方法的基础和“金标准”，但该算法要求投影数据完备且精确定量，同时，该算法易受统计波动的影响，投影数据量如果不足时，重建的图像质量就会明显下降，因此为保证完备的投影数据量以确保能重建出达到临床诊断要求的图像，该算法对CT的辐射剂量也要求较高［9］。此外，FBP算法在数据重建中，对数据采集过程做了很多简化和假定，如测量信号无光子统计波动和电子噪音、X射线球管的焦点为无穷小点、探测器由位于每个小室中心的点构成以及重建的体素也无几何形状和大小的无穷小点。由于在重建过程中未真实还原X射线的采集过程，并且忽略了统计噪声，FBP算法还不是一个精确的CT图像重建方法。

1.2IR算法

IR算法可以有效地克服FBP算法所固有的问题，此算法在CT发展的早期已经出现，但由于计算量较大，以及早期计算机技术的限制，在很长一段时间内发展停滞不前。近年来，得益于计算机技术的飞速进步，IR算法重新成为研究的热点。

2　IR算法的基本原理

（1）IR算法的基本原理是对于某个重建视角，首先在估计的物体图像上通过“前向投影”模拟一个综合投影，这是对沿着该视角衰减的第一次估计，但存在较大误差。这种估计尽可能地模拟真实CT系统中X射线光子穿过物体并到达探测器的过程，通过将X射线光子的初始位置设置在一个小区域而非单独的点来模拟有限的焦点大小；在X射线光子和物体相互作用的建模过程中，通过计算光子在轻微不同方向和位置进入体素的路径长度来考虑重建像素的大小和尺寸（而不是一个假想的点）；采用相同的方式，探测器单元的大小和形状通过探测器响应函数来建模（如图1所示）［10］。

图1　CT光学系统几何示意图

（2）将综合投影与探测器采集的实际测量值进行比较检验，两者之间的差异代表了当前估计需要校正的误差，并对当前估计得到的图像进行校正。再将校正后的图像带入模型进行下次综合投影模拟，并与实际测量值再次进行检验和校正。通过如此的反复迭代计算，对图像信息进行不断地检验和修正，直到误差降到最低，将修正的图像确定为最终的重建图像。在图像校正过程中，除了采用建立系统光学模型，还采用了系统统计模型，该模型分析每个独立光子的统计波动的特征，并与正确的统计分布进行比较，有效地降低了统计波动引起的图像噪声（如图2所示）。

图2　迭代重建过程示意图

3　IR算法的技术进展

3.1自适应统计迭代重建技术

2008年，GE公司首先推出基于系统统计模型的自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR）技术，该重建技术通过首先建立噪声性质和被扫描物体的模型，并利用迭代的方法对噪声加以校正和抑制，得到更清晰的图像。ASiR技术可以显著降低重建图像的噪声，改善图像质量，与FBP算法相比，下降了约50%的扫描剂量［11］（如图3所示）。

图3　左肾结石CT成像FBP和ASiR重建技术对比图像

3.2自适应迭代剂量减少-三维技术

自ASiR技术推出并应用于临床后，多家CT制造商均在加紧迭代重建算法的研究，陆续推出类似技术，如西门子公司的图像空间中的迭代重建（iterative reconstruction in image space，IRIS）［12］、飞利浦公司的iDose4技术［13］和东芝公司的自适应迭代剂量减少-三维（adaptive iterative dose reduction，AIDR 3D）。ASiR技术在原始数据空间利用系统统计噪声模型来消除统计波动造成的图像噪声影响，IRIS技术是在图像数据空间利用迭代技术降低图像噪声，iDose4技术在原始数据空间降低噪声的同时，采用多频率重建（multi-frequency reconstruction， MFR）算法，使噪声功率谱（noise power spectrum，NPS）保持恒定，保证了IR影像接近FBP影像的噪声质地，容易让临床医生接受。AIDR 3D技术可以自适应地计算最佳迭代次数以加快重建过程。临床研究证实，第一代统计迭代重建技术在保证同样图像质量和相似重建速度的前提下，剂量可以降低30%～65%，并且AIDR 3D技术还适于宽体探测器和大锥形角的重建［14］。GE公司于2013年大规模在最新推出的16层螺旋CT Optima520pro平台上配置ASiR技术，这将使ASiR技术在临床上的应用更加广泛。

3.3基于模型的迭代重建技术

继第一代迭代重建技术推出并取得良好的临床应用之后，2011年，GE公司推出基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）技术，与第一代迭代重建技术不同的是，MBIR技术除了建立系统统计模型之外，还建立了系统光学模型，体素、X射线光子初始位置和探测器几何因素均通过模型进行模拟，真实地还原了X射线从投射到采集的过程，其中计算量最大的部分是系统光学模型的建立，其价值主要体现在提高重建图像的空间分辨率（如图4所示）。

图4　MBIR技术几何光学模型基础示图

3.4去除伪影的技术

为了进一步提高模型的准确性，还加入了去除硬化伪影和金属伪影的技术。除了显著地减小噪声和降低剂量以外，该技术可以自适应地识别区分重建组织的类型，如骨（高频信息）和软组织（低频信息）等，保留了图像的细节信息，空间分辨率和对比度进一步提高。模体实验证实，与FBP技术相比MBIR技术在保证同样图像质量的前提下，剂量可以降低67%～82%［14］。Pickhardt等［15］对45例患者进行腹部CT扫描研究，发现使用MBIR技术可在辐射剂量平均降低达74%（57%～88%）的条件下，重建图像的噪声仍低于常规剂量FBP，图像质量和诊断检出率明显优于同样低剂量的ASIR和FBP。Ning等［16］利用标准男性Rando体模采用不同管电流进行腹部CT扫描，结果发现在图像质量类似的情况下，相对于FBP模式，MBIR及50%ASiR模式分别可减少约60%及36%剂量。Chang等［17］对103名患者行肝脏CT扫描，结果显示在使用半剂量的条件下，MRIR技术相较于常规剂量的FBP能够明显减少图像噪声，提高CNR和图像质量。

4　迭代重建技术分类

按照迭代计算中所利用的数据空间的不同，迭代重建技术分为3类。

4.1仅在图像数据空间进行迭代

如IRIS，对原始数据按照传统的FBP法重建之后，再根据噪声模型对获得的FBP图像进行滤波处理，以降低噪声和伪影。这种方法运算较快，计算时间仅稍长于FBP法，但由于基于图像空间进行处理，不可避免地具有FBP法的局限性。

4.2在投影数据空间中均进行部分迭代

如ASiR、SAFIRE、iDose4和AIDR 3D。首先对投影数据以FBP法进行重建，将获得的图像数据与基于统计的、考虑到光子和电子噪声的理想噪声模型进行比较和校正，再将校正之后图像通过正投影更新原始投影数据，进行一下次迭代计算。如此进行多次迭代计算，获得最终的图像，这种方法重建速度也较快，但由于仅考虑的噪声模型，同样具有局限性。

4.3在投影数据空间进行完全迭代

如MBIR（即Veo技术）。对X射线束从焦点到探测器的整个X射线光学采集过程建立多个模型，焦点、X射线束、体素和探测器的几何形状均等因素被纳入模型，这种方法的模型复杂，计算量相应也最大，重建所需的时间也相对较长。

4.4迭代重建平台—ASiR-V

2013年，GE公司推出了应用于Revolution CT的最新一代迭代重建平台—ASiR-V。ASiR-V结合了ASiR的实时重建优势和VEO的多模型迭代优势，采用了更为先进的系统噪声模型、被扫描物体模型和物理模型。对VEO的模型进行了简化，减小了重建的计算量，提高了重建速度。ASiR-V技术中先进的系统噪声模型所考虑的因素包括数据采集系统（data acquisition system，DAS）中的光子噪声和电子噪声，以及重建图像的噪声谱，主要用于降低噪声，提高低密度对比度，被扫描物体和物理模型可以减少图像伪影。

利用国际医学成像和技术协会以及美国食品药品管理局所推荐的MITA-FDA CT IQ体模对ASiR-V的性能进行测试后得出结论：对比FBP，ASiR-V可以降低多达82%的辐射剂量。高剂量FBP重建和低剂量ASiR-V重建对4个不同低对比物体的分辨能力（Area Under Curve，AUC）的对比如图5所示。

图5　 4个低对比物体的高剂量FBP，低剂量FBP和低剂量ASiR-V的AUC值比较图

图5显示，低剂量条件下的ASiR-V图像质量高于常规剂量条件下的FBP图像。在另一项试验中显示，在相同的剂量条件下，与FBP相比，ASiR-V可以对低对比分辨率（low-contrast detectability，LCD）提高135%。在临床试验中，ASiR-V同样可以显著地降低胸部图像和腹部的图像噪声（如图6所示）。

图6　胸部和腹部CT扫描图像

传统的迭代重建算法在降低噪声时往往会导致图像空间分辨率的降低。ASiR-V由于在迭代过程中纳入了被扫描物体模型和物理模型，在降低剂量的同时可以保持空间分辨率不变；在相同的剂量条件下，与FBP相比，ASiR-V有提高空间分辨率的能力。已有研究结果显示，在腹部CT中，与ASiR相比，ASiR-V可以在其降低辐射剂量基础上进一步（35%）降低辐射剂量［18-20］。

5　迭代重建技术临床应用

迭代重建技术已经在头颈部、胸部、腹部以及心脏等多个领域取得了广泛的临床应用。在头部CT扫描中，新型的探测器和迭代技术的联合应用会极大降低辐射剂量［21-27］。Ozdoba等［26］研究表明，在不影响图像诊断质量的前提下，采用迭代算法的扫描方式相对于采用标准剂量及FBP重建法的CT检查，其辐射剂量可降低40%。

胸部低剂量扫描是近年来临床肺部筛查的热点，May等［28］研究表明，胸部CT增强扫描若应用迭代技术，在辐射剂量降低50%的情况下，图像质量依然清晰且不影响诊断。在腹部，Arapakis等［29］通过对183例患者的胸部-腹部-盆腔联合CT扫描的研究中指出，迭代技术的有效剂量较传统FBP技术减少46.5%，且图像质量更清晰。Kim等［29］通过对3种不同体积大小的体模（直径分别为24 cm、30 cm及40 cm）的研究指出，迭代技术较FBP技术不仅能够降低图像的噪声，同时可以提高图像的质量指标，且优势随着体模体积的增大而增加。对辐射剂量尤为敏感的儿童CT检查中，张祺丰等［31］研究提出，在儿童腹部CT检查中，应用迭代技术，可在辐射剂量降低60%的情况下仍保证图像的质量。Koc等［32］在儿童小血管CT成像方面得出了类似的结论。

6　展望

随着CT血管造影的日渐普及，业界对对比剂的危害愈加重视，由于高浓度碘对比剂带来的不良反应，如何合理地降低对比剂用量成为目前的研究热点。为此，很多研究者开始了低浓度对比剂结合低辐射剂量（双低）的联合研究。目前，在双低研究中，降低辐射剂量的主要方法是通过降低管电压，或者通过能量成像的方法获得低keV图像的方法，低能量图像中由于更接近碘的K-edge效应，碘的强化效果更好，可以弥补对比剂用量降低带来的不足。但是，低能量图像中伴随而来的是由于X射线光子能量降低，导致穿透能力不足，在图像上表现为图像噪声增大。因此，在很长一段时间内限制了低管电压和双低技术的应用。随着IR技术的出现，为低管电压应用的使用提供了技术保障，目前国内外已有关于双低研究结果的发表［33-34］。

目前更新的迭代重建技术的不断推出，已经可以与双能成像相结合，克服了低keV单能量图像噪声较高的缺点，拓宽了其临床应用范围［35-36］。并且近年来随着迭代技术的逐渐成熟，已经不仅仅限于各个厂商最高端设备才配置迭代重建平台，最新推出的64排CT、16排CT均搭载了迭代技术，并且作为国产厂商的代表，联影最新的16排CT也搭载了KARL 3D迭代重建技术，可以预期随着迭代技术的不断发展与进步，将会让更多患者受益。

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The progress on research and principles of computed tomography iterative reconstruction

DONG Ji-wei// China Medical Equipment，2016，13（10）:128-133.

The quick development of computed tomography （CT） do great help to the improvements diagnosis of clinical disease， however， the radiation dose issue of CT is also attracted more attention by the public. It has been an important research field to reduce radiation dose as low as possible with the premise of maintained image quality. Recently， iterative reconstruction of CT has got great advance. This article mainly introduces the brief principles and research progress of CT iterative reconstruction.

Computed tomography； Iterative reconstruction； Progress； Radiation dose

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.038

1672-8270（2016）10-0128-06

R812

A

2016-07-27

①首都医科大学附属北京安贞医院物资采购中心 北京 100029

董继伟，男，（1975- ），本科学历，主管技师。首都医科大学附属北京安贞医院物资采购中心，从事医疗设备管理工作。