全模型迭代重建在头颈部CT血管成像中的应用

吴晓玲 黄飚*

CT 血管成像（CT angiography，CTA）具有无创、简便、快速等优点，对于脑血管疾病的诊断和评估具有重要价值。血管内微创治疗技术，包括颈动脉支架置入、主动脉瘤的血管内治疗和动脉内取栓等，在动脉硬化性疾病的诊治中应用越来越多，使CTA检查的次数进一步增加。随着CTA检查数量的增多，检查的辐射安全问题也日益为人们所关注。CTA检查应该遵循辐射剂量最低化原则（as low as reasonably achievable，ALARA），即在能满足诊断的前提下，辐射剂量尽可能降到最低。因此，如何能够在降低CTA辐射剂量的同时又能获得能满足临床诊断需要的影像成为亟待解决的问题[1]。

目前已有多种方法用于降低CTA辐射剂量，包括降低管电压、降低管电流和改善影像重建技术等。在诊断用管电压范围内，X线的辐射剂量与管电压的平方呈正相关关系，与管电流呈线性正相关关系，降低管电压或者管电流均能有效地降低X线的输出量，从而降低病人所接受的辐射剂量。但是，降低管电压或管电流会在降低辐射剂量的同时降低影像空间分辨力、增加影像噪声，导致影像质量下降并最终影响诊断的准确性[2]。Leipsic等[3]认为降低管电压会使X线的穿透作用减弱，探测器接收到的光子数量减少，最终影像噪声增加；如果再降低管电流，又会影响影像的低对比度分辨力，使影像的信噪比（SNR）降低，影响影像的密度分辨力。CT技术自诞生以来，已经发展形成了多种重建方法。其中，滤过反投影（FBP）法凭借其重建速度快、影像重建系统成本低等优点，一度成为主流的重建算法[4]。但传统的FBP算法对CT扫描辐射剂量的要求比较高，随着辐射剂量的减低，影像噪声会显著增加，导致影像质量明显下降[5]。因此，传统的FBP重建方法无法满足临床对低辐射剂量的需要。

随着计算机技术的飞速发展，迭代重建技术得以应用于临床，目前在冠状动脉CTA、胸腹部、腰椎以及头颈部CTA等方面取得满意效果[6-8]。

1 全模型迭代重建技术简介

近年来，基于模型的迭代重建技术层出不穷，如GE公司的基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR；商品名 VEO）技术、西门子公司的高级建模迭代重建（advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE）技术、东芝公司的基于正投影模型的迭代重建（forward projected modelbased iterative reconstruction solution，FIRST）技术[9]。全模型迭代重建（iterative model reconstruction,IMR）技术是飞利浦公司2012年推出的第二代迭代重建技术[10]，与以往的部分迭代重建技术不同，IMR是基于三维微平板探测器和硬件平台的非线性完全迭代重建技术，从焦点到探测器的整个过程中将X射线束建立的多个模型、X射线束、焦点、体素和探测器的几何形状都考虑进去，通过前向、后向重建在投影数据空间以及图像数据空间分别进行多次迭代运算，在重建过程中建立图像统计模型和数据统计模型，通过反复对扫描模型与采集数据进行对比和校正来实现影像最优化[11]。

2 IMR技术特点

IMR技术充分考虑了图像统计模型、数据统计模型和系统模型，将基于统计模型的降噪结合到原始数据空间和图像数据空间，从而降低影像噪声并提高影像整体质量，通过复杂的迭代运算、更多的迭代次数，采用更为全面、完整的系统模型进行对比校正，最终得到低噪声、高分辨力的影像。iDose4技术是基于FBP图像进行的迭代运算，属于部分迭代重建技术，未考虑系统硬件对图像的影响，因而降低辐射剂量的程度是有限的[12]。而IMR技术不含FBP成分，是一种完全迭代技术，其降低影像噪声的能力更强。此外，IMR技术还可以多方面提高影像质量，如提高空间分辨力、增强低对比度检测力和边缘锐利度，因此IMR能够在低辐射剂量条件下重建出满足临床诊断需求的高质量的影像。Niesten等[13]在标准管电压扫描条件下（120 kV，150 mAs），分别用FBP、iDose4及IMR技术重建影像，并对影像质量进行比较，发现使用IMR重建技术显著改善了影像的整体质量，降低了影像噪声。Ryu等[14]通过模体实验证实，IMR与FBP相比，影像噪声减少了70%~83%，对低对比结构的分辨力提高了43%~80%，同时辐射剂量可减少60%~80%。最近在冠状动脉CTA、下肢CTA、腹部成像等方面的研究也证实了IMR技术在降低辐射剂量、提高影像质量方面的巨大潜力[15-19]。

3 IMR技术对降低头颈CTA辐射剂量的作用

3.1 降低CTA辐射剂量、提高影像质量 Oda等[20]的研究表明，与标准的全剂量（120 kV，730 mAs）扫描联合FBP重建算法相比，低剂量（120kV，146 mAs）扫描联合IMR重建算法不仅可以获得低噪声、高对比度的影像，而且可以降低80%的辐射剂量。然而，与120 kV管电压相比，管电压为80 kV时所产生X射线的平均光子能量更接近于对比剂中碘原子的K缘（33.2 keV），此时光电效应作用最强，碘原子对X射线的吸收率最大，血管强化的CT值也会明显提高，使血管与周围组织之间的对比增强[2]。

Wang等[21]研究了低管电压（80 kV）条件下，FBP、iDose4、IMR 3种重建技术获得的头部CTA影像质量，结果表明IMR比FBP、iDose4影像质量更好，影像噪声分别降低了58%和38%，SNR和对比噪声比（CNR）与FBP相比增加了120%和50%；能提高对脑动脉硬化和动脉瘤的诊断信心，并且与常规的120 kV扫描方案相比，管电压为80 kV时辐射剂量降低了70%。因此，在低管电压（80 kV）条件下联合IMR技术，能在低辐射剂量情况下获得满足临床诊断需求的高质量影像。

高等[22]应用低电压、低剂量对比剂（100 kV、40 mL）联合IMR技术进行头颈部CTA成像，与常规剂量（120 kV、50 mL）扫描联合iDose4技术重建的影像相比，“双低”技术联合IMR可以进一步降低噪声，影像质量满足诊断需求的同时，辐射剂量降低41%。近年来，“三低”(低管电压、低对比剂用量和注射流率)技术在头颈联合CTA中应用的可行性也已有许多研究。有研究[23]发现在“三低”技术条件下，采用FBP重建的头颈部CTA影像，影像噪声过大，颗粒感强，主动脉及双侧颈总动脉起始部血管管壁毛糙，显示不清。而使用IMR重建后，影像噪声明显下降，血管显示清晰，影像质量明显改善，能够满足诊断要求，且使病人辐射剂量减少81.3%。Cai等[24]探究 “三低”技术联合IMR重建算法进行头颈部CTA扫描，结果表明IMR重建算法能明显降低影像噪声、提高影像的CNR和SNR，还可以使对比剂具有更高的CT衰减值，不仅病人接受的有效辐射剂量减少69.6%，还使病人的碘负荷下降51.4%，对比剂注射流率下降27%，即在减少有效辐射剂量同时，降低了对比剂副作用的风险，减少了高流率注射对比剂对血管及皮肤的损伤概率。新近有研究[25]将低管电压、低对比剂浓度、低注射流率及低注射剂量的“四低”技术联合自动管电流调节及IMR技术用于头颈部CTA，研究结果表明，采用低电压（80 kV）和低对比剂浓度（含碘 300 mg/mL）、注射流率（3 mL/s）及注射剂量（30 mL）的“四低”技术联合自动管电流调节和IMR技术能够在影像质量满足临床诊断需求的前提下，进一步降低病人接受的辐射剂量和对比剂副作用的风险。

3.2 对神经系统疾病显示及诊断效率的影响

Lombardi等[26]用IMR与iDose4技术重建CT平扫影像用于缺血性卒中早期征象动脉致密征的检出，结果显示IMR技术显著提高了对动脉致密征检测的敏感度（IMR：100%，iDose4：50%），同时具有更高的SNR和CNR，对灰白质等解剖结构的显示更佳，CT影像的整体质量更好。张等[27]用80 kV、30 mAs扫描条件联合IMR技术用于CT灌注成像，研究结果表明IMR技术联合低剂量脑CT灌注成像可以在保证影像质量和灌注参数稳定的前提下明显降低辐射剂量，辐射剂量与常规组（80 kV、150 mAs）相比降低了80%。一项儿童头颈部CTA研究[28]表明，低管电压（80 kV）、低对比剂用量（30 mL）条件下，IMR 组能显著降低辐射剂量和碘负荷，改善影像质量，更有利于检出儿童脑血管病变。此外，还有研究[29]发现80 kV管电压、160 mm宽体探测器联合新型的自适应统计迭代重建算法（adaptive statistical iterative reconstruction algorithm-V，ASIR-V）用于颈部 CTA成像，比第一代迭代重建算法降低辐射剂量近90%，同时保持良好的影像质量，对颈部血管狭窄的诊断准确性与DSA相似。

4 小结

IMR用于头颈部CTA在降低辐射剂量的同时，能有效降低影像噪声、提高SNR和CNR，增强对脑血管病的诊断信心。IMR技术还能提高对早期缺血性卒中动脉致密征的检出率，大幅度降低CT灌注的辐射剂量，减少对比剂的用量以及降低对比剂注射流率。IMR技术已经可以用于全身各个部位的成像。随着放射科医生对IMR技术重建影像特征的熟悉，IMR技术可以进一步拓宽其临床应用范围。尽管如此，IMR技术仍存在一些问题亟待解决。IMR的重建时间较长，如何进一步缩短其重建时间尚有赖于计算机技术的进一步发展；如何设计个体化的更低辐射剂量扫描方案尚待进一步研究。相信随着计算机硬件的发展以及IMR技术的进一步优化完善，IMR技术有望在将来取代传统的FBP重建方法，在临床工作中发挥越来越重要的作用。