胸部CT 低劑量掃描聯合不同迭代重建的研究進展

蘇煜文 劉 慧 鄧 凱

1.山東第一醫科大學第一附屬醫院 山東省千佛山醫院放射科，山東濟南 250014；2.山東財經大學計算機科學與技術學院，山東濟南 250014

隨著人們對健康的重視程度不斷加強，CT 檢查以其快速、簡便、無創的特點在臨床應用中日益廣泛，增強CT的應用使影像診斷水平逐漸提高，但電離輻射帶來的致癌風險及碘對比劑帶來的對比劑腎?。╟ontrast induced nephropathy，CIN）也成為醫務工作者關注的重點。如何在保證和提高圖像質量的前提下調整合適的掃描參數來減少受檢者的輻射劑量成為當前研究的主要方向。適應性統計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASIR-V）技術是一種新的迭代重建算法，前置可以通過調節管電流降低輻射劑量，后置通過減低噪聲提高圖像質量，較傳統的濾波反投影（filtered back projection，FBP）在低劑量掃描中的潛力更大，對胸部疾病能做到早發現早診斷早治療。本文就胸部CT 掃描聯合迭代重建算法在低輻射劑量及低對比劑劑量中的應用研究進展予以綜述。

1 胸部低劑量掃描的研究背景

近年來，CT 增強掃描已成為胸部檢查的常規檢查手段，隨著CT技術的不斷成熟及人們對健康的越來越重視，CT 做為常規體檢項目，臨床診斷對其依賴性也在不斷提高。然而由于CT 檢查的放射劑量和檢查時間遠高于X 線檢查，這使CT 成為醫源性放射的主要來源[1]。英國主要醫療中心的研究顯示，在放射科的所有放射學檢查中CT 掃描僅占11%，由于CT 掃描導致的患者有效輻射劑量在1998 年報告中占醫療診斷暴露患者總劑量的40%，2008 年為68%[2]。為解決這一問題，國際輻射防護委員會（international commission on radiological protection，ICRP）在2007 年中提到了合理使用低劑量的原則，應在保證診斷圖像質量的前提下，將無癥狀及健康體檢人群輻射劑量降到最低[3]。目前最主要的研究是通過降低管電壓、增加管電流和增加螺距等方法達到減少輻射劑量的目的，但過多的操作會導致圖像質量的降低，影響疾病診斷，延誤治療，從而如何在保證和提高圖像質量的前提下調整合適的掃描參數來改變受檢者受到的輻射劑量成為當前研究的主要方向。

1.1 通過降低管電壓來降低輻射劑量

根據輻射劑量公式可以知道，X 線的輻射劑量與管電壓的平方成正比，因此當降低管電壓時，X 線的輻射劑量呈幾何降低[4-5]。同時可以增加光電效應，提高碘的CT 值，增加血管的對比度，減少對比劑的用量[6-7]。但是由于管電壓決定了X 線的穿透能力，X 線穿透能力的降低會使可有效成像的光子數急劇降低，導致圖像噪音的增高，圖像質量的明顯下降，故依靠盲目地降低管電壓來降低輻射劑量將導致圖像質量下降，目前臨床多采用100 kV的管電壓進行掃描，相較120 kV的管電壓可降低約20%的輻射劑量[8-9]。

1.2 通過降低管電流來降低輻射劑量

管電流的降低伴隨著輻射劑量的降低，同樣會引起有效光子數量減少、圖像質量下降、密度分辨率下降而難以達到臨床診斷需要，這種現象在高對比分辨度的組織和器官中影響較小，例如肺。但對縱隔等對比度較差的組織影響較大?，F在較多使用自適應性的管電流調控機制（automatic tube current modulation，ATCM)，ATCM 被ICRP 強調為可以減少CT 檢查劑量的改進方法之一，該機制先設定固定的噪音指數（NI），然后根據受檢者被檢測部位不同組織厚度下射線衰減系數的不同來自動調節管電流，將管電流調節至滿足臨床診斷要求的圖像質量所需的最小水平[10]。當ATCM技術有效使用時，對比應用固定管電流可降低40%～60%的輻射劑量[11]。

1.3 通過增加螺距來降低輻射劑量

在其他條件保持不變的情況下，增加螺距意味著縮短了曝光時間，可以大大減少受檢者所受的輻射劑量，但與此同時，螺距的增加將導致圖像掃描層厚的增加，造成平均容積效應，導致分辨率降低，影響小結節、終末支氣管病變和其他細微病變的檢測。因此根據掃描及受檢者的情況，應在確保圖像質量的前提下適當增加螺距來達到降低輻射劑量的目的。

2 CT 重建算法的發展

臨床中常用的CT 圖像重建算法主要有兩類：解析算法（analytic reconstruction，AR）和迭代算法（iterative reconstruction，IR）。在AR 中，濾波反投影（filtered back projection，FBP）是最有代表性且商業應用最為廣泛的方法，具有分辨率高、成像速度快等優點，因此FPB的重建圖像也常被用來當做衡量其他重建技術的標準。但FBP 因對各種參數理想化的假定造成了其發展的局限，而重建過程如果要求真實的CT 數據采集過程，就必須考慮實際的成像空間，迭代重建（iterative reconstruction，IR）將系統光學特性理想化，將數據根據比例進行加權融合，彌補了這種在使用FBP重建時，圖像的噪音和偽影會隨著管電壓的降低而增加所導致圖像質量的下降的現象。2008 年GE 公司推出的基于系統統計模型的ASIR技術為CT 帶來了低輻射檢查的時代。ASIR 算法通過首先建立噪聲性質和被掃描物體的模型，可以為具有較高噪聲抑制要求的檢查帶來顯著好處，例如肥胖患者等。也就是說，在相同噪聲水平下，與傳統FBP 算法比較，ASIR 算法在胸部掃描時可將輻射劑量降低50%以上，而圖像噪聲無顯著提高[12]。相較于ASIR 對成像對象的噪聲特性進行建模，GE 公司推出模型基礎的迭代重建技術（model-based iterative reconstruction，MBIR）對系統統計數據和光學器件均進行建模，能夠在降低噪聲的同時提高圖像空間分辨率；其后推出的ASIR-V 不僅提升了ASIR的圖像質量且縮短了MBIR的成像處理時間，并可通過對焦點、體素及探測器的實際大小進行重點計算，對CT 掃描時X 線的檢測及其產生過程建立標準的多模型，可選擇性地識別并消除噪聲，提高圖像質量，降低偽影的發生率[13]。Kwon 等[14]通過研究低劑量ASIR-V的圖像質量與ASIR 比較是否明顯降低甚至影響臨床診斷證實，在ASIR-V 及ASIR 圖像質量相同的情況下，ASIR-V的輻射劑量可以降低35%左右。

3 權重的選擇

ASIR-V 前置技術，通過提前設定好噪音指數及權重比例，采用自動管電流調節技術，達到降低計量及噪聲的目的，后置放棄了傳統MBIR的系統光學模型，引進了物理模型、物體模型及系統噪聲統計，提高了圖像的密度分辨率并將低了圖像偽影[15-16]。據文獻報道，在一定范圍內，隨著后置權重不斷增加，圖像的噪聲和偽影均出現依次減少，并且圖像分辨率不斷提高，然而隨著權重的不斷增加，圖像出現蠟樣偽影或斑點狀偽影，減弱胸部組織結構界面的對比度，使血管壁及支氣管壁等顯示不清，出現模糊效應并且出現圖像的過度平滑且主觀質評分曲線呈拋物線形態[17-18]。Afadzi 等[19]在對胸部模擬病變的研究中發現，與FBP圖像比較，無論劑量如何，ASIR-V 均可改善圖像質量且圖像噪音均降低（5%～55%）。在低于70% ASIR-V水平時，可能更適用于低劑量胸部疾病的臨床診斷。相關研究[20-21]對患者進行胸部CT 平掃，比較ASIR 及不同權重下ASIR-V的有效劑量，ASIR-V表現出了降低圖像噪聲和偽影及保持圖像清晰度方面的優點，其中后置60%的ASIR-V 是所有序列中的最佳權重，顯示出顯著優越的對細微結構的可見性。相關研究[22-23]分別在前置30%～60%聯合后置60%～100%權重對患者圖像質量進行測試，結果顯示，多種前后置組合中40%前置聯合60%后置主觀評分值最高，推薦臨床應用。綜合研究結果，在胸部CT 掃描中，因管電壓、對比劑劑量選則、檢查目的的不同，權重的選擇尚無統一的標準，但前置40%聯合后置60%ASIR-V 重建技術得出圖像評分最高。

4 迭代重建技術在胸部疾病中的應用

4.1 肺炎檢查中的應用

CT 作為肺炎臨床診斷的主要手段，對肺紋理、小氣道、肺血管、淋巴管、肺內病灶邊界清晰度等的評定要求嚴格。有研究[24-25]采用60% ASIR-V 聯合自動管電流及70 kV 在肺炎患者中進行試驗，發現與常規CT 比較，使輻射劑量降低、組織對比度增強且對細支氣管存在的病變所產生局限性空氣潴留及馬賽克征等均能夠顯現，對細支氣管周圍炎性的病變也更為敏感，進而可對患者肺部組織病變所有的亞臨床癥狀進行準確觀察和治療，對肺炎患者的復查具有很大意義。

4.2 肺部腫塊檢查中的應用

肺癌的發病率占惡性腫瘤的首位，而臨床中僅僅有少數患者在肺癌早期或癌前病變時被檢查發現，這種肺癌經治療5 年生存率可達70%～80%，多數患者被發現肺癌已達中晚期，此時腫瘤錯過了最佳治療時期，預后不良。常規CT 掃描中，肺部結節同血管的關系尚不清晰，而迭代重建對小結節的敏感度高，可以發現＜5 mm 結節，清晰顯示結節與血管關系及邊緣是否有毛刺征、分葉征及胸膜凹陷征等來鑒別其良惡性[26-27]。Tang 等[28]在肺結節的研究中，通過比較標準對比劑劑量下FBP 算法及低對比劑劑量下60%ASIR-V重建圖像。結果顯示，與標準劑量掃描獲得的FBP 圖像比較，低劑量CT 掃描結合ASIR-V 算法在肺結節的檢出率可達97.75%，且60% ASIR-V 輻射劑較常規FBP 降低約59.1%?？梢缘贸雠c常規CT 比較，低劑量CT 聯合迭代重建技術的使用可以在保證圖像質量的前提下顯著降低輻射劑量，對體檢中肺結節的篩查、早期肺癌的檢出及降低死亡率有重要意義。

4.3 肺血管疾病檢查中的應用

胸部結構豐富，含有大量的氣管、血管及淋巴組織，易發生心血管疾病，而心血管系統的病變如肺動脈栓塞是臨床較常見的急危重疾病，早期診斷對臨床治療具有重要意義。常規的肺動脈造影技術存在碘攝入量較大及輻射量較多等缺點，碘對比劑攝入過多有引起對比劑過敏及CIN的潛在危害，而能譜CTPA可以很好地增強肺動脈樹，從而更好的評價肺動脈栓塞的嚴重程度及肺組織的灌注程度[29]。Meier 等[30]研究能譜CT 低keV 對血管增強的作用中將碘造影劑用量由24 g（300 mgl/ml，80 ml）降低到6 g（400 mgl/ml，15 ml），結果發現降低碘對比劑用量仍可達到與傳統CTPA 相似的CNR 及CT 值。由此可知，在低劑量對比劑條件下，應用能譜CT 聯合重建算法仍可達到傳統對比劑劑量下的圖像質量，減少了對比劑過敏及CIN的發生率。

5 前景和展望

能譜CT 作為醫學領域的一項新興檢查方式，給人們帶來更多診斷思路的同時也帶來了較高輻射劑量，現行的研究目的在于降低噪音、提高密度分辨率及降低偽影。過多的降低CT 掃描條件會導致成像清晰度的降低，掩蓋部分信息而影響診斷結果。迭代重建技術需要根據不同的掃描部位來選取不同的比例，以得出最優化的CT 掃描劑量，其價值在于在低劑量的條件下可以提高圖像質量，而由于檢查部位、目的不同等因素影響，尚無具體的標準，需要進一步實驗及研究得出最優的迭代權重。相信隨著CT技術的不斷進步，會用更低的輻射劑量得到更高的圖像質量來為疾病的發現、診斷和鑒別診斷提供更有價值的信息。