胸部CT 低剂量扫描联合不同迭代重建的研究进展

苏煜文 刘 慧 邓 凯

1.山东第一医科大学第一附属医院 山东省千佛山医院放射科，山东济南 250014；2.山东财经大学计算机科学与技术学院，山东济南 250014

随着人们对健康的重视程度不断加强，CT 检查以其快速、简便、无创的特点在临床应用中日益广泛，增强CT的应用使影像诊断水平逐渐提高，但电离辐射带来的致癌风险及碘对比剂带来的对比剂肾病（contrast induced nephropathy，CIN）也成为医务工作者关注的重点。如何在保证和提高图像质量的前提下调整合适的扫描参数来减少受检者的辐射剂量成为当前研究的主要方向。适应性统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASIR-V）技术是一种新的迭代重建算法，前置可以通过调节管电流降低辐射剂量，后置通过减低噪声提高图像质量，较传统的滤波反投影（filtered back projection，FBP）在低剂量扫描中的潜力更大，对胸部疾病能做到早发现早诊断早治疗。本文就胸部CT 扫描联合迭代重建算法在低辐射剂量及低对比剂剂量中的应用研究进展予以综述。

1 胸部低剂量扫描的研究背景

近年来，CT 增强扫描已成为胸部检查的常规检查手段，随着CT技术的不断成熟及人们对健康的越来越重视，CT 做为常规体检项目，临床诊断对其依赖性也在不断提高。然而由于CT 检查的放射剂量和检查时间远高于X 线检查，这使CT 成为医源性放射的主要来源[1]。英国主要医疗中心的研究显示，在放射科的所有放射学检查中CT 扫描仅占11%，由于CT 扫描导致的患者有效辐射剂量在1998 年报告中占医疗诊断暴露患者总剂量的40%，2008 年为68%[2]。为解决这一问题，国际辐射防护委员会（international commission on radiological protection，ICRP）在2007 年中提到了合理使用低剂量的原则，应在保证诊断图像质量的前提下，将无症状及健康体检人群辐射剂量降到最低[3]。目前最主要的研究是通过降低管电压、增加管电流和增加螺距等方法达到减少辐射剂量的目的，但过多的操作会导致图像质量的降低，影响疾病诊断，延误治疗，从而如何在保证和提高图像质量的前提下调整合适的扫描参数来改变受检者受到的辐射剂量成为当前研究的主要方向。

1.1 通过降低管电压来降低辐射剂量

根据辐射剂量公式可以知道，X 线的辐射剂量与管电压的平方成正比，因此当降低管电压时，X 线的辐射剂量呈几何降低[4-5]。同时可以增加光电效应，提高碘的CT 值，增加血管的对比度，减少对比剂的用量[6-7]。但是由于管电压决定了X 线的穿透能力，X 线穿透能力的降低会使可有效成像的光子数急剧降低，导致图像噪音的增高，图像质量的明显下降，故依靠盲目地降低管电压来降低辐射剂量将导致图像质量下降，目前临床多采用100 kV的管电压进行扫描，相较120 kV的管电压可降低约20%的辐射剂量[8-9]。

1.2 通过降低管电流来降低辐射剂量

管电流的降低伴随着辐射剂量的降低，同样会引起有效光子数量减少、图像质量下降、密度分辨率下降而难以达到临床诊断需要，这种现象在高对比分辨度的组织和器官中影响较小，例如肺。但对纵隔等对比度较差的组织影响较大。现在较多使用自适应性的管电流调控机制（automatic tube current modulation，ATCM)，ATCM 被ICRP 强调为可以减少CT 检查剂量的改进方法之一，该机制先设定固定的噪音指数（NI），然后根据受检者被检测部位不同组织厚度下射线衰减系数的不同来自动调节管电流，将管电流调节至满足临床诊断要求的图像质量所需的最小水平[10]。当ATCM技术有效使用时，对比应用固定管电流可降低40%～60%的辐射剂量[11]。

1.3 通过增加螺距来降低辐射剂量

在其他条件保持不变的情况下，增加螺距意味着缩短了曝光时间，可以大大减少受检者所受的辐射剂量，但与此同时，螺距的增加将导致图像扫描层厚的增加，造成平均容积效应，导致分辨率降低，影响小结节、终末支气管病变和其他细微病变的检测。因此根据扫描及受检者的情况，应在确保图像质量的前提下适当增加螺距来达到降低辐射剂量的目的。

2 CT 重建算法的发展

临床中常用的CT 图像重建算法主要有两类：解析算法（analytic reconstruction，AR）和迭代算法（iterative reconstruction，IR）。在AR 中，滤波反投影（filtered back projection，FBP）是最有代表性且商业应用最为广泛的方法，具有分辨率高、成像速度快等优点，因此FPB的重建图像也常被用来当做衡量其他重建技术的标准。但FBP 因对各种参数理想化的假定造成了其发展的局限，而重建过程如果要求真实的CT 数据采集过程，就必须考虑实际的成像空间，迭代重建（iterative reconstruction，IR）将系统光学特性理想化，将数据根据比例进行加权融合，弥补了这种在使用FBP重建时，图像的噪音和伪影会随着管电压的降低而增加所导致图像质量的下降的现象。2008 年GE 公司推出的基于系统统计模型的ASIR技术为CT 带来了低辐射检查的时代。ASIR 算法通过首先建立噪声性质和被扫描物体的模型，可以为具有较高噪声抑制要求的检查带来显著好处，例如肥胖患者等。也就是说，在相同噪声水平下，与传统FBP 算法比较，ASIR 算法在胸部扫描时可将辐射剂量降低50%以上，而图像噪声无显著提高[12]。相较于ASIR 对成像对象的噪声特性进行建模，GE 公司推出模型基础的迭代重建技术（model-based iterative reconstruction，MBIR）对系统统计数据和光学器件均进行建模，能够在降低噪声的同时提高图像空间分辨率；其后推出的ASIR-V 不仅提升了ASIR的图像质量且缩短了MBIR的成像处理时间，并可通过对焦点、体素及探测器的实际大小进行重点计算，对CT 扫描时X 线的检测及其产生过程建立标准的多模型，可选择性地识别并消除噪声，提高图像质量，降低伪影的发生率[13]。Kwon 等[14]通过研究低剂量ASIR-V的图像质量与ASIR 比较是否明显降低甚至影响临床诊断证实，在ASIR-V 及ASIR 图像质量相同的情况下，ASIR-V的辐射剂量可以降低35%左右。

3 权重的选择

ASIR-V 前置技术，通过提前设定好噪音指数及权重比例，采用自动管电流调节技术，达到降低计量及噪声的目的，后置放弃了传统MBIR的系统光学模型，引进了物理模型、物体模型及系统噪声统计，提高了图像的密度分辨率并将低了图像伪影[15-16]。据文献报道，在一定范围内，随着后置权重不断增加，图像的噪声和伪影均出现依次减少，并且图像分辨率不断提高，然而随着权重的不断增加，图像出现蜡样伪影或斑点状伪影，减弱胸部组织结构界面的对比度，使血管壁及支气管壁等显示不清，出现模糊效应并且出现图像的过度平滑且主观质评分曲线呈抛物线形态[17-18]。Afadzi 等[19]在对胸部模拟病变的研究中发现，与FBP图像比较，无论剂量如何，ASIR-V 均可改善图像质量且图像噪音均降低（5%～55%）。在低于70% ASIR-V水平时，可能更适用于低剂量胸部疾病的临床诊断。相关研究[20-21]对患者进行胸部CT 平扫，比较ASIR 及不同权重下ASIR-V的有效剂量，ASIR-V表现出了降低图像噪声和伪影及保持图像清晰度方面的优点，其中后置60%的ASIR-V 是所有序列中的最佳权重，显示出显著优越的对细微结构的可见性。相关研究[22-23]分别在前置30%～60%联合后置60%～100%权重对患者图像质量进行测试，结果显示，多种前后置组合中40%前置联合60%后置主观评分值最高，推荐临床应用。综合研究结果，在胸部CT 扫描中，因管电压、对比剂剂量选则、检查目的的不同，权重的选择尚无统一的标准，但前置40%联合后置60%ASIR-V 重建技术得出图像评分最高。

4 迭代重建技术在胸部疾病中的应用

4.1 肺炎检查中的应用

CT 作为肺炎临床诊断的主要手段，对肺纹理、小气道、肺血管、淋巴管、肺内病灶边界清晰度等的评定要求严格。有研究[24-25]采用60% ASIR-V 联合自动管电流及70 kV 在肺炎患者中进行试验，发现与常规CT 比较，使辐射剂量降低、组织对比度增强且对细支气管存在的病变所产生局限性空气潴留及马赛克征等均能够显现，对细支气管周围炎性的病变也更为敏感，进而可对患者肺部组织病变所有的亚临床症状进行准确观察和治疗，对肺炎患者的复查具有很大意义。

4.2 肺部肿块检查中的应用

肺癌的发病率占恶性肿瘤的首位，而临床中仅仅有少数患者在肺癌早期或癌前病变时被检查发现，这种肺癌经治疗5 年生存率可达70%～80%，多数患者被发现肺癌已达中晚期，此时肿瘤错过了最佳治疗时期，预后不良。常规CT 扫描中，肺部结节同血管的关系尚不清晰，而迭代重建对小结节的敏感度高，可以发现＜5 mm 结节，清晰显示结节与血管关系及边缘是否有毛刺征、分叶征及胸膜凹陷征等来鉴别其良恶性[26-27]。Tang 等[28]在肺结节的研究中，通过比较标准对比剂剂量下FBP 算法及低对比剂剂量下60%ASIR-V重建图像。结果显示，与标准剂量扫描获得的FBP 图像比较，低剂量CT 扫描结合ASIR-V 算法在肺结节的检出率可达97.75%，且60% ASIR-V 辐射剂较常规FBP 降低约59.1%。可以得出与常规CT 比较，低剂量CT 联合迭代重建技术的使用可以在保证图像质量的前提下显著降低辐射剂量，对体检中肺结节的筛查、早期肺癌的检出及降低死亡率有重要意义。

4.3 肺血管疾病检查中的应用

胸部结构丰富，含有大量的气管、血管及淋巴组织，易发生心血管疾病，而心血管系统的病变如肺动脉栓塞是临床较常见的急危重疾病，早期诊断对临床治疗具有重要意义。常规的肺动脉造影技术存在碘摄入量较大及辐射量较多等缺点，碘对比剂摄入过多有引起对比剂过敏及CIN的潜在危害，而能谱CTPA可以很好地增强肺动脉树，从而更好的评价肺动脉栓塞的严重程度及肺组织的灌注程度[29]。Meier 等[30]研究能谱CT 低keV 对血管增强的作用中将碘造影剂用量由24 g（300 mgl/ml，80 ml）降低到6 g（400 mgl/ml，15 ml），结果发现降低碘对比剂用量仍可达到与传统CTPA 相似的CNR 及CT 值。由此可知，在低剂量对比剂条件下，应用能谱CT 联合重建算法仍可达到传统对比剂剂量下的图像质量，减少了对比剂过敏及CIN的发生率。

5 前景和展望

能谱CT 作为医学领域的一项新兴检查方式，给人们带来更多诊断思路的同时也带来了较高辐射剂量，现行的研究目的在于降低噪音、提高密度分辨率及降低伪影。过多的降低CT 扫描条件会导致成像清晰度的降低，掩盖部分信息而影响诊断结果。迭代重建技术需要根据不同的扫描部位来选取不同的比例，以得出最优化的CT 扫描剂量，其价值在于在低剂量的条件下可以提高图像质量，而由于检查部位、目的不同等因素影响，尚无具体的标准，需要进一步实验及研究得出最优的迭代权重。相信随着CT技术的不断进步，会用更低的辐射剂量得到更高的图像质量来为疾病的发现、诊断和鉴别诊断提供更有价值的信息。