全模型迭代重建技术在低剂量CT检查中的应用进展

刘鑫，侯阳

中国医科大学附属盛京医院 放射科，辽宁 沈阳 110004

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。

[参考文献]

[1] Nguyen PK,Lee WH,Yong FL,et al.Assessment of the radiation effects of cardiac CT angiography using protein and genetic biomarkers[J].Jacc-Cardiovasc Imag,2015,8(8):873-884.

[2] Chandrashekhar Y,Shaw LJ,Narula J.Diagnostic imaging,radiation exposure, and carcinogenic risk: Let’s be realistic,reasonable, and rational[J].Jacc-Cardiovasc Imag,2015,8(8):885-887.

[3] Khawaja RD,Singh S,Blake M,et al.Ultra-low dose abdominal MDCT: using a knowledge-based iterative model reconstruction technique for substantial dose reduction in a prospective clinical study[J].Eur J Radiol,2015,84(1):2.

[4] Hansen NJ,Kaza RK,Maturen KE,et al.Evaluation of low-dose CT angiography with model-based iterative reconstruction after endovascular aneurysm repair of a thoracic or abdominal aortic aneurysm[J].Am J Roentgenol,2014,202(3):648.

[5] Löve A,Olsson ML,Siemund R,et al.Six iterative reconstruction algorithms in brain CT: a phantom study on image quality at different radiation dose levels[J].Brit J Radiol,2013,86(1031):20130388.

[6] Bang M,Choi SH,Park J,et al.Radiation dose reduction in paranasal sinus CT: With feasibility of iterative reconstruction technique[J].Otolaryng Head Neck,2016,155(6):982-987.

[7] Niesten JM,Schaaf ICVD,Vos PC,et al.Improving head and neck CTA with hybrid and model-based iterative reconstruction techniques[J].Clin Radiol,2015,70(11):1252-1259.

[8] 高思喆,张斌,赵福新,等.基于全模型迭代重组算法(IMR)在头颈联合动脉CTA双低扫描中的应用[J].中国临床医学影像杂志,2017,28(1):64-67.

[9] 马义,朱斌.迭代模型重建技术对不同辐射剂量下头颈部CTA图像质量的影响[J].中华临床医师杂志:电子版,2016,10(15):2359-2363.

[10] 王君玲,许乙凯,周芳,等.全模型迭代重建技术在头颈部血管成像中的应用[J].科学技术与工程,2016,16(35):34-39.

[11] Den Harder AM,Wolterink JM,Willemink MJ,et al.Submillisievert coronary calcium quantification using model-based iterative reconstruction:A within-patient analysis[J].Eur J Radiol,2016,85(11):2152-2159.

[12] Szilveszter B,Elzomor H,Károlyi M,et al.The effect of iterative model reconstruction on coronary artery calcium quantification[J].Int J Cardiovas Imag,2016,32(1):153-160.

[13] Braber TL,illemink MJ,Bohté EH,et al.Assessment of coronary artery calcium on low-dose coronary computed tomography angiography with iterative reconstruction[J].J Comput Assist Tomo,2016,40(2):266.

[14] 谭晶,侯阳,郭文力,等.全模型迭代重建技术在冠状动脉钙化模体扫描中的应用价值研究[J].中国临床医学影像杂志,2016,27(12):867-870.

[15] Den Harder AM,Willemink MJ,Bleys RL,et al.Dose reduction for coronary calcium scoring with hybrid and model-based iterative reconstruction: anex vivostudy[J].Int J Cardiovas Imag,2014,30(6):1125-1133.

[16] Károlyi M,Szilveszter B,Kolossváry M,et al.Iterative model reconstruction reduces calcified plaque volume in coronary CT angiography[J].Eur J Radiol,2017,87:83.

[17] Halpern EJ,Gingold EL,White H,et al.Evaluation of coronary artery image quality with knowledge-based iterative model reconstruction[J].Acad Radiol,2014,21(6):805-811.

[18] Yuki H,Utsunomiya D,Funama Y,et al.Value of knowledge-based iterative model reconstruction in lowkV 256-slice coronary CT angiography[J].J Cardiovasc Comput,2014,8(2):115-123.

[19] Zhang F,Yang L,Song X,et al.Feasibility study of low tube voltage (80 kV) coronary CT angiography combined with contrast medium reduction using iterative model reconstruction (IMR) on standard BMI patients[J].Brit J Radiol,2015,89(1058):20150766.

[20] Cha MJ,Seo JS,Yoo DS,et al.Knowledge-based iterative model reconstruction in coronary computed tomography angiography: comparison with hybrid iterative reconstruction and filtered back projection[J].Acta Radiol,2017,284185117716701.

[21] Den Harder AM,Willemink MJ,van Hamersvelt RW,et al.pulmonary nodule volumetry at different low computed tomography radiation dose levels with hybrid and model-based iterative reconstruction: a within patient analysis[J].J Comput Assist Tomo,2016,40(4):578.

[22] Khawaja RD,Singh S,Gilman M,et al.Computed tomography(CT) of the chest at less than 1 mSv: an ongoing prospective clinical trial of chest CT at submillisievert radiation doses with iterative model image reconstruction and iDOSE4 technique[J].J Comput Assist Tomo,2014,38(4):613-619.

[23] 李婷婷,张永高,高剑波,等.FBP、iDOSE4和IMR 3种重建算法对低剂量胸部CT图像质量的影响[J].实用放射学杂志,2016,32(5):33-37.

[24] Kim H,Park CM,Chae HD,et al.Impact of radiation dose and iterative reconstruction on pulmonary nodule measurements at chest CT:a phantom study[J].Diagn Interv Radiol,2015,21(6):459.

[25] Kim H,Chang MP,Yong SS,et al.Influence of radiation dose and iterative reconstruction algorithms for measurement accuracy and reproducibility of pulmonary nodule volumetry: A phantom study[J].Eur J Radiol,2014,83(5):848-857.

[26] Den Harder AM,Willemink MJ,van Hamersvelt RW,et al.Effect of radiation dose reduction and iterative reconstruction on computer-aided detection of pulmonary nodules: Intraindividual comparison[J].Eur J Radiol,2016,85(2):346-351.

[27] Azien L,Maximillian K,Sebastian B,et al.CT Pulmonary angiography at reduced radiation exposure and contrast material volume using iterative model reconstruction and iDOSE4 technique in comparison to FBP[J].PloS One,2016,11(9):e0162429.

[28] Yoon JH,Lee JM,Yu MH,et al.Comparison of iterative modelbased reconstruction versus conventional filtered back projection and hybrid iterative reconstruction techniques: lesion conspicuity and influence of body size in anthropomorphic liver phantoms[J].J Comput Assist Tomo,2014,38(6):859-868.

[29] 潘丹,姜彦,陈鑫,等.迭代模型重建技术不同辐射剂量对肝脏CT增强扫描图像质量的影响[J].中国医学影像学杂志,2015,(1):10-13.

[30] 刘佩,刘洋,岳松伟,等.全模型迭代重建算法联合胆道重建在胆管解剖显影和病变显示的应用简[J].中华临床医师杂志:电子版,2016,10(17):2629-2633.

[31] Kuo Y,Lin YY,Lee RC,et al.Comparison of image quality from filtered back projection,statistical iterative reconstruction, and model-based iterative reconstruction algorithms in abdominal computed tomography[J].Medicine,2016,95(31):e4456.

[32] Choi SY,Ahn SH,Choi JD,et al.Determination of optimal imaging settings for urolithiasis CT using filtered back projection (FBP), statistical iterative reconstruction (IR), and knowledge-based iterative model reconstruction (IMR): A physical human phantom study[J].Brit J Radiol,2015:20150527.[33] Hur J,Park SB,Lee JB,et al.CT for evaluation of urolith-iasis:image quality of ultralow-dose (Sub mSv) CT with knowledgebased iterative reconstruction and diagnostic performance of low-dose CT with statistical iterative reconstru-ction[J].Abdom Radiol,2015,40(7):2432-2440.

[34] 窦欣,龚建平,张伟,等.全模型迭代重建技术联合低管电压MSCT扫描在肾动脉成像中的应用研究[J].临床放射学杂志,2017,(4):566-570.

[35] Uchida M.High-quality three-dimensional computed tomography angiography of abdominal viscera with small focal spot, low tube voltage, and iterative model reconstruction technique[J].Open J Radiol,2015,5(1):8-12.

[36] 钱伟亮,丰川,周丹静,等.FBP、iDose～4和IMR重建算法对低剂量双下肢CTA图像质量的影响[J].中国医学影像技术,2017,(2):290-294.