全模型迭代重建算法在CT血管成像中的应用进展

安子晨 肖喜刚 张金玲 吕亚会 李茂桐

[摘要] 全模型迭代重建（IMR）技术作为一种新型的迭代重建算法，与传统滤波反投影法及混合迭代算法比较，在降低噪声、提高图像质量效果方面表现更为出色。IMR技术的使用可以在降低辐射剂量的同时，又能确保图像的质量并能够良好的完成诊断。本文就IMR技术在各部位CT血管成像中的临床应用进展进行综述，并对做出简单预估，为相关研究提供参考。

[关键词] 全模型迭代重建;滤波反投影;体层摄影术，X线计算机;CT血管成像

[中图分类号] R814.42          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）07（a）-0058-04

Research progress of iterative model reconstruction in CT angiography

AN Zichen1   XIAO Xigang1   ZHANG Jinling1   LYU Yahui2   LI Maotong1

1.Department of Radiology， the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University， Heilongjiang Province， Harbin   150001， China; 2.Department of Radiology， Harbin Second People′s Hospital， Heilongjiang Province， Harbin   150056， China

[Abstract] Iterative model reconstruction （IMR） technology is a new type of iterative reconstruction algorithm. Compared with the traditional filtered back projection and hybrid iterative algorithm， it performs better in reducing noise and improving image quality. Application of IMR reconstruction can reduce the radiation dose and ensure the image quality. In this paper， the clinical application progress of IMR technology in CT angiography of various parts is reviewed， and a simple estimation is made to provide reference for related research.

[Key words] Iterative model reconstruction; Filtered back projection; Tomography; X-ray computed; CT angiography

CT血管成像（CTA）作为一种无创的影像检查技术，拥有扫描时间短、辐射剂量低、图像后处理功能强大等优势，在一定程度上取代了传统的以导管法为基础的诊断血管造影，是DSA的良好补充，广泛应用在临床医疗中[1]。由于人们对X线辐射的担忧，尽可能地降低检查过程中产生的辐射剂量仍然是当今CT领域的重要研究方向之一[2]。目前降低CT检查辐射剂量最为合理的方式是降低管电压或管电流[3]。迭代重建算法的应用为大幅降低辐射剂量的同时保证图像质量，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，在降低噪声、提高图像质量、减少辐射剂量方面效果更显著[4]。本文就IMR其本身的特性及其在全身CT血管成像的应用价值作以综述。

1 IMR的原理及优点

IMR是新推出的基于微平板探测器和硬件平台的非线性全模型迭代重建技术，其原理是以知识模型为基础，在重建过程中结合系统模型、几何模型、解剖模型和噪声模型的特点，通过反复减少扫描模型与所获得的数据之间的差异来逼近最真、最优的图像显示[5-7]。IMR不涉及投影域与滤波反投影（FBP）的混合，因此在数学上更复杂和准确，它包括如下4个平台：解剖几何形态学重建平台、以X线衰减特性设计的统计学模型、强化器官本身固有特性的优化功能及以强化目标病变特性为临床目标的平台，其中前2个平台与iDose4是一致的。目前所有厂商提供的全迭代技术只有IMR及VEO，但IMR的重建速度要明显优于VEO，同时可实现对心电、呼吸门控更复杂数据的重建[8-9]。

2 全模型迭代重建（IMR）在全身CTA应用的研究进展

2.1 头颈部CTA应用的研究进展

蔡武等[10]比较了头颈部IMR技术与迭代重建算法图像（iDose4）及滤波反投影重建（FBP）技术的研究结果，IMR 绝对噪声水平最低;与FBP比较，IMR 噪声降低达69.6%，实现了最大的相对降噪百分比（SD%），并证明了对血管狭窄与闭塞的符合率与临床实际数据近乎相同。Niesten等[11]研究显示，与其他重建方法相比，IMR技术可以在显示Willis环和颈动脉分叉处的血管对比均有显著性差异（P < 0.01）。不同重建方法对狭窄程度的估计虽无显著性差异，但就頸动脉自动去骨后的血管整体性而言，IMR优于其他重建方式，而且使得计算机自动血管分析更为完整。

Cheng等[6]研究了IMR在儿童的头颈部CTA中的应用，其结果表明，在儿童头颈部CTA中应用IMR技术可以在显著降低辐射剂量的同时保证良好的图像质量和良好的血管轮廓，为小血管的微小病变提供一个很好的解决方案，同时能避免在检查过程中给儿童带来的潜在风险。王君玲等[12]研究发现采用低kV、低mAs、低流速与低对比剂剂量扫描联合IMR重建技术，造影剂的用量及辐射剂量分别降低了约50%;图像CNR增加了约50%，同时减少了肩部及上腔静脉所产生的伪影。

2.2 冠状动脉CTA应用的研究进展

CCTA已经成为对冠状动脉成像的首选无创检查方法。Hu等[13]研究表明，在80 kV管电压下使用IMR，与iDose 4和FBP比较，图像噪声显著降低，分别减少了66.2%和57.5%，IMR整体图像质量为放射学家所接受，且与120 kV管电压比较，使用80 kV管电压可使辐射剂量减少80%;而且使用80 kV管电压结合IMR技术可使心脏CTA所使用的造影剂减少50%，冠状动脉中、远端的节段积分、图像噪声、条纹伪影和整体的图像质量均显著高于iDose4和FBP图像。Park等[14]对24例非肥胖患者IMR技术联合前瞻性心电门控的回顾性研究，研究表明受试患者CCTA的平均辐射剂量为（0.89±0.09）mSv，且IMR的衰减值与其他重建方法无显著性差异，图像噪声明显低于IR和FBP，与FBP比较，IMR的降噪率为69%。IMR组CCTA的SNR和CNR显著高于FBP或IR组。这与Hu等[13]研究结果趋同。而且Park等[14]的研究还提出，与回顾性心电图门控技术比较，IMR技术结合前瞻性心电图门控将辐射剂量降低了70%～90%，但这需要心率必须低而有规律才能使这项技术成功。

Oda等[15]研究表明，IMR技术下的平均图像噪声及CNR明显优于混合迭代重建及FBP技术，且在低管电压下，IMR显著地提高了图像质量，特别是有助于提高远端血管的显示效果。Halpern等[16]对45例患者进行研究，基于BMI的分层分析表明，在FBP图像中噪声较高的肥胖患者中，IMR对图像质量的改善最为明显，小血管的图像质量也得到了改善，这是CCTA过程中最难实现的;IMR使CCTA的血管内噪声降低了86%～88%，能够清晰显示较小的冠状动脉，使之能更好地鉴别冠状动脉钙化斑块与非钙化斑块，提高了诊断冠状动脉狭窄的准确性。

2.3 胸、腹部大血管CTA应用的研究进展

Laqmani等[17]研究指出，在肺动脉CTA应用中，在使用IMR的同时降低管电压及减少造影剂剂量的情况下，可以改善主肺动脉和分支肺动脉的图像质量和清楚显示血管的栓塞情况。其研究指出，使用IMR技术可以减少纵隔和头臂静脉、上腔静脉及心脏腔内高度集中的造影剂引起的伪影，从而能更为清晰地显示在主肺动脉和分支肺动脉中的充盈缺损。Hou等[18]研究表明，在胸腹主动脉CTA中，与传统方法相比，采用IMR算法在80 kV管电压下进行扫描，在保证图像质量的同时，可使对比剂剂量、对比剂注入率和所产生辐射剂量分别减少60.0%、52.0%和77.6%，可对胸主动脉腔内修复术修复后的患者进行重复随访，尽管大量减少了对比剂的剂量和注射速率，但是CTA检查仍能清楚地显示所有评估的解剖结构。

Qin等[19]的研究表明，采用IMR算法重建的肾动脉CTA比FBP图像提供了更好的图像质量，而且相较于常规的扫描方案，较低的管电压联合 IMR重建算法是肾动脉CTA的更适合的减少辐射剂量扫描方式，其在确定血管强化和狭窄方面有很大帮助，Murphy等[20]的研究也支持这一结果。Nakamoto等[21]研究结果表明，即使在12.5%剂量下，也能产生比较客观真实的图像，并能与FBP图像进行比较。

2.4 四肢血管CTA应用的研究进展

刘彬等[22]研究證实，80 kV管电压扫描联合IMR重建技术应用在下肢动脉CTA 中，可以降低约64%辐射剂量的同时减少25%碘负荷，并且图像满足阅片要求。这与钱伟亮等[23]的研究结果基本一致。Oda等[24]研究结果表明，使用小焦点成像（SFS）联合IMR技术的CTA获得了更好的图像质量，尤其是在下肢动脉疾病患者的下肢小血管方面包括侧支动脉，这对于制订有效的治疗策略是很重要的。然而关于IMR在双上肢的应用方面仍鲜有报道，但综合各方面的研究来看，IMR应用于双上肢CTA检查能够在降低伪影及辐射剂量上具有较高的研究价值。

2.5 其他应用的研究进展

除了在血管CTA成像上，IMR还在其他检查方面有着广泛的应用与研究，Li等[25]研究表明，在脑CT灌注成像（CTP）中，在极低的70 kV条件下进行扫描时，可以依靠碘的衰减性增加部分抵消更大的图像噪声，如果能联合IMR技术，就能获得较为优良的图像。张云等[26]研究表明，低剂量（80 kV，30 mAs）联合IMR的脑CTP与常规扫描比较，SD值降低明显，SNR及CNR提高，主观灌注图像评分相同，完全可以常规应用于临床中，且在极低剂量（80 kV，10 mAs）条件下，辐射剂量与低剂量组比较，降低了63.3%，图像质量与低剂量组近乎相同。黎佩君等[27]研究也得到了较为相似的结果，并且其研究还表明利用脑CTP数据可以重组PCTA，其图像质量仍能到达诊断要求。

Uchida等[28]研究表明，相较于常规剂量扫描，低剂量联合IMR条件下除了能更清晰显示大血管、脏器血管的起源、走形及形态，还可以更为清晰地显示细小分支血管结构以及受侵袭、闭塞或是侧支循环等情况。周丹静等[29]研究表明联合IMR技术，低剂量胸部双期增强扫描可在低对比剂用量的条件下取得满意的图像质量和血管显示优良率，可用于肺部病灶血供分析，值得进一步研究与推广。Park等[30]使用与FBP和iDose4相同的数据集，IMR算法获得了较好的图像质量和肿瘤明显度，且具有较好的降噪效果。IMR有望成为一种有效的减少剂量的工具，而不降低肝细胞癌的图像质量和对比噪声比，特别是在慢性肝病患者中。当然，除了在血管及增强方面，IMR技术在平扫中有着广泛的应用，降低辐射剂量、提高成像质量及提高病变检测的敏感性有着较高的科研成果及临床应用价值[31-35]，在此不过多赘述。

3 小结

综上所述，IMR重建技术在全身各部位的应用中，能够在降低辐射剂量、降低图像噪声，保证CT图像质量，相较于FBP及常规iDose4重建方法有着明显的优势。然而，在目前的日常工作中，IMR技术还没有被普遍的应用于临床工作中，而且最为适宜的扫描方案、重建与传输时间等问题仍需我们在未来的科学研究中进一步探究。总之，随着科技的不断发展及更多研究的发现，在未来的临床工作中，IMR技术有着广阔的发展前景。

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