超低剂量CT 结合新型迭代重建技术的原理及其研究进展

郑婧雅，黄原义

（长江大学附属第二临床医学院放射科 湖北 荆州 434020）

美国国家肺筛查试验显示，与胸部平片相比，低剂量CT 筛查可使肺癌死亡率降低20%。虽然胸部LDCT 结合迭代重建检测肺结节的效果已得到临床广泛认可[1]。且一次LDCT 检查的辐射剂量可以忽略不计，但指南推荐的LDCT 最大辐射剂量3 mSv，远高于胸片的0.03 ～0.1 mSv。对于需要通过CT 扫描长期监测肺结节进展的低风险患者，进一步降低辐射剂量是有必要得。放射学会也提出了最低合理可行性原则，即在不影响诊断图像质量的前提下使用辐射暴露最少的CT 扫描条件[2]。本文就不同新型迭代重建技术的工作原理、优缺点、与ULDCT 结合应用于临床的研究进展做一综述。

1 在投影数据空间和图像数据空间均进行迭代计算的迭代重建技术

西门子公司的正弦波图形法迭代重建（SAFIRE）技术、GE 公司的自适应统计迭代重建（ASiR）技术、飞利浦公司的混合迭代算法（iDose）技术和东芝公司的自适应迭代剂量降低重建（AIDR）技术这四种迭代重建技术在投影数据空间和图像数据间均进行迭代重建。他们首先采用传统滤波反投影（FBP）法重建投影数据，然后将所得图像数据和基于统计的、考虑光子和电子噪声的理想噪声模型进行比较，选择性去除噪声，得到校正后的图像。再通过正投影更新原始投影数据，用于下次迭代计算。这种方法的优点是重建速度较快，一般只需要几分钟。缺点是具有仅考虑噪声模型的局限性，所得图像质量不如仅在投影数据空间进行迭代计算的迭代重建技术。

1.1 ULDCT 结合正弦波图形法迭代重建（SAFIRE）技术的原理及应用

SAFIRE 技术是西门子公司改进后的一种新型混合迭代重建技术，它结合了基于原始数据的迭代重建算法和图像空间迭代算法。采用基于噪声模型的动态原始数据对原始数据空间进行反复迭代计算，去除图像空间中被扩散的原始数据噪声。使图像分辨率不变的同时减少噪声。Michael 等发现LDCT 上直径＞2 mm 的实性肺结节在结合SAFIRE 技术的ULDCT 上均可显示。两者显示肺结节直径和体积的差异极小，且结节大小和体重指数对体积测量的准确性没有影响[3][4]。Cianci 等认为结肠腔内气体、残留粪便和液体与结肠壁、软组织病变间具有天然的高组织对比度，允许使用超低剂量条件扫描。结合SAFIRE 技术的ULDCT 结肠镜比LDCT 结肠镜降低63.2%的辐射剂量，两者图像噪声相当，检测结肠息肉和结肠癌能力差异无统计学意义[5]。Sloane 等发现结合SAFIRE的超低剂量冠脉CT 运用在特定人群中是可行的，可在保证图像质量的同时降低60%的辐射剂量[6]。龚汀等利用三维成像软件分别自动计算ULDCT 和LDCT 所得肺结节体积，比较两者体积测量差异，发现ULDCT 可应用于临床肺结节体积随访。且ULDCT 对较大的分叶型结节体积测量可重复性最高，毛刺型结节次之，胸膜旁结节再次之[7]。

1.2 ULDCT 结合自适应统计迭代重建（ASiR）技术的原理及应用

2008 年，GE 公司首先推出了ASiR 技术，它通过建立系统噪声统计学模型，在原始数据空间通过迭代重建算法反复校正和消除因统计噪声波动引起的噪声，得到信噪比更高的图像。与FBP 法相比，可减少患者50%辐射暴露[8]。闫海跃等采用80 kV 低辐射剂量和30 mL 低对比剂剂量的“双低”条件结合ASiR 技术行胸部CT 检查，可获得与常规剂量CT 相同的图像质量，并降低患者辐射暴露和对比剂摄入。

2 仅在投影数据空间进行迭代计算的迭代重建技术

飞利浦公司的全模型迭代重建（IMR）技术和GE 公司的基于模型迭代重建（MBIR）技术（也称Veo 技术）这两种迭代重建技术仅在投影数据空间进行迭代重建。他们在X线束从焦点到探测器的整个途径建立多个模型，包括焦点、体素、X 线束和探测器的几何形状。这种技术的优点是在降低67%～86%辐射剂量的同时保证图像质量与常规剂量CT 并FBP 法所得图像质量相同甚至更优。与上一代迭代重建技术（SAFIRE、ASiR、iDose4 和AIDR）相比，它具有更优越的降噪能力，可有效提高图像空间分辨率，降低患者所受辐射剂量。缺点是由于模型复杂，需要进行大量复杂而周密的数学计算，后处理时间很长，在临床应用中具有一定的限制。

2.1 ULDCT 结合全模型迭代重建（IMR）技术的原理及应用

IMR 技术是飞利浦公司将iDose 技术改进后的一种基于知识型的不包含FBP 算法的纯迭代重建技术。它通过运用更全面完整的图像统计、数据统计、系统统计和光学模型及更精确复杂的数学迭代算法，精确计算出光子的统计波动特征，并对照正确的分布进行反复核对、检验和修正，直到图像信息误差降至最低，图像质量达到最优。因此与iDose 技术相比，IMR 技术降噪能力升级，分辨率提高，允许在极低剂量条件下成像[2]。

2.2 ULDCT 结合基于模型的迭代重建（MBIR）技术的原理及应用

MBIR 技术（也称Veo 技术）是GE 公司在ASIR 后推出的仅在投影数据空间进行完全迭代的重建技术。它利用统计学算法对系统光学、X 射线的产生、组织内X 射线的衰减和所有噪声源进行建模，并精确描述三维体素模型中的每个体素单元，考察单一微小体素单元受到特定X 线照射后激活探测器单元的情况。发现体素大小、与X 线光源的距离均会影响受照后激活探测器单元的大小。MBIR 技术通过多次迭代算法逐次改善处理后的图像，可使实际扫描结果与经数学模式化后的结果之间差异最小化。因此MBIR 技术可精准描述空间位置差异及CT 系统内真实状况，能在重建图像上准确还原真实扫描信息，降低薄层重建图像噪声，从而实现辐射剂量的大幅度降低。MBIR 技术是ASIR 技术的一大进步，与ASIR 技术相比，MBIR 去除噪声和提高图像空间分辨率的能力更强。

3 ULDCT 结合最新迭代重建技术-自适应统计迭代重建-V（ASiR-V）技术的原理及应用

2013 年，GE 公司首次在Revolution CT 上推出了最新一代迭代重建技术-ASiR-V 技术。这是一种结合ASiR和MBIR 技术（即Veo 技术）的新型混合迭代重建技术。它汲取Veo 技术多模型重建、降噪能力更强及ASiR 技术图像后处理时间更短的优势，更适合应用于临床常规检查]。物体、物理及噪声模型均被保留，能在超低辐射暴露前提下降低图像噪声，提高空间分辨率，减少伪影。且重建速度快，1 min 便可完成重建。叶凯等发现ULDCT（120 kV、2.8 mAs）结合ASiR-V 技术对肺结节总体检出率为83.1%，对直径＞6 mm 肺结节检出率为96.4%。辐射剂量较LDCT 降低90%，有效剂量的最低值为0.096 mSv，与胸部平片的辐射剂量0.03 ～0.1 mSv 类似。ULDCT 上肺结节漏诊可能与以下因素有关：（1）结节密度过低，CT 图像上显示太淡薄而漏诊；（2）结节邻近心脏，受心跳及大血管搏动产生的运动伪影影响而漏诊；（3）闭气不足患者呼吸伪影导致结节漏诊。因此，图像质量满足诊断要求的前提下允许有一定噪声是放射科医生需要接受的诊断新理念。由于肺结节形态常不规则，测量病变体积比测量直径评估病变生长更加敏感[4]。而肺结节体积随时间变化情况可作为临床和放射科医生肺结节定性诊断的重要依据，因此通过评估ULDCT 测量肺结节体积的准确性可探讨其新的临床价值。

4 未来与展望

随着迭代重建技术不断成熟，新型迭代重建技术已不局限应用于胸部。目前已开始了大量ULDCT 结合新型迭代重建技术在头部、腹部、四肢、心脏、血管的临床应用研究。此外，随着越来越多人注意到高浓度对比剂产生的不良反应及对肾脏的损伤，超低剂量辐射条件下应用超低浓度对比剂的“双低”研究能否满足影像诊断成为新的研究热点。我们期待未来结合新型迭代重建技术的ULDCT 能更广泛和常规应用于临床。新型迭代技术的不断发展可以允许更低辐射剂量条件下获得更高质量的图像。