全模型迭代重建算法在CT血管成像中的應(yīng)用進展

安子晨 肖喜剛 張金玲 呂亞會 李茂桐

[摘要] 全模型迭代重建（IMR）技術(shù)作為一種新型的迭代重建算法，與傳統(tǒng)濾波反投影法及混合迭代算法比較，在降低噪聲、提高圖像質(zhì)量效果方面表現(xiàn)更為出色。IMR技術(shù)的使用可以在降低輻射劑量的同時，又能確保圖像的質(zhì)量并能夠良好的完成診斷。本文就IMR技術(shù)在各部位CT血管成像中的臨床應(yīng)用進展進行綜述，并對做出簡單預(yù)估，為相關(guān)研究提供參考。

[關(guān)鍵詞] 全模型迭代重建;濾波反投影;體層攝影術(shù)，X線計算機;CT血管成像

[中圖分類號] R814.42? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 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）作為一種無創(chuàng)的影像檢查技術(shù)，擁有掃描時間短、輻射劑量低、圖像后處理功能強大等優(yōu)勢，在一定程度上取代了傳統(tǒng)的以導(dǎo)管法為基礎(chǔ)的診斷血管造影，是DSA的良好補充，廣泛應(yīng)用在臨床醫(yī)療中[1]。由于人們對X線輻射的擔憂，盡可能地降低檢查過程中產(chǎn)生的輻射劑量仍然是當今CT領(lǐng)域的重要研究方向之一[2]。目前降低CT檢查輻射劑量最為合理的方式是降低管電壓或管電流[3]。迭代重建算法的應(yīng)用為大幅降低輻射劑量的同時保證圖像質(zhì)量，尤其是全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）技術(shù)，作為新型的迭代重建算法，在降低噪聲、提高圖像質(zhì)量、減少輻射劑量方面效果更顯著[4]。本文就IMR其本身的特性及其在全身CT血管成像的應(yīng)用價值作以綜述。

1 IMR的原理及優(yōu)點

IMR是新推出的基于微平板探測器和硬件平臺的非線性全模型迭代重建技術(shù)，其原理是以知識模型為基礎(chǔ)，在重建過程中結(jié)合系統(tǒng)模型、幾何模型、解剖模型和噪聲模型的特點，通過反復(fù)減少掃描模型與所獲得的數(shù)據(jù)之間的差異來逼近最真、最優(yōu)的圖像顯示[5-7]。IMR不涉及投影域與濾波反投影（FBP）的混合，因此在數(shù)學(xué)上更復(fù)雜和準確，它包括如下4個平臺：解剖幾何形態(tài)學(xué)重建平臺、以X線衰減特性設(shè)計的統(tǒng)計學(xué)模型、強化器官本身固有特性的優(yōu)化功能及以強化目標病變特性為臨床目標的平臺，其中前2個平臺與iDose4是一致的。目前所有廠商提供的全迭代技術(shù)只有IMR及VEO，但IMR的重建速度要明顯優(yōu)于VEO，同時可實現(xiàn)對心電、呼吸門控更復(fù)雜數(shù)據(jù)的重建[8-9]。

2 全模型迭代重建（IMR）在全身CTA應(yīng)用的研究進展

2.1 頭頸部CTA應(yīng)用的研究進展

蔡武等[10]比較了頭頸部IMR技術(shù)與迭代重建算法圖像（iDose4）及濾波反投影重建（FBP）技術(shù)的研究結(jié)果，IMR 絕對噪聲水平最低;與FBP比較，IMR 噪聲降低達69.6%，實現(xiàn)了最大的相對降噪百分比（SD%），并證明了對血管狹窄與閉塞的符合率與臨床實際數(shù)據(jù)近乎相同。Niesten等[11]研究顯示，與其他重建方法相比，IMR技術(shù)可以在顯示W(wǎng)illis環(huán)和頸動脈分叉處的血管對比均有顯著性差異（P < 0.01）。不同重建方法對狹窄程度的估計雖無顯著性差異，但就頸動脈自動去骨后的血管整體性而言，IMR優(yōu)于其他重建方式，而且使得計算機自動血管分析更為完整。

Cheng等[6]研究了IMR在兒童的頭頸部CTA中的應(yīng)用，其結(jié)果表明，在兒童頭頸部CTA中應(yīng)用IMR技術(shù)可以在顯著降低輻射劑量的同時保證良好的圖像質(zhì)量和良好的血管輪廓，為小血管的微小病變提供一個很好的解決方案，同時能避免在檢查過程中給兒童帶來的潛在風險。王君玲等[12]研究發(fā)現(xiàn)采用低kV、低mAs、低流速與低對比劑劑量掃描聯(lián)合IMR重建技術(shù)，造影劑的用量及輻射劑量分別降低了約50%;圖像CNR增加了約50%，同時減少了肩部及上腔靜脈所產(chǎn)生的偽影。

2.2 冠狀動脈CTA應(yīng)用的研究進展

CCTA已經(jīng)成為對冠狀動脈成像的首選無創(chuàng)檢查方法。Hu等[13]研究表明，在80 kV管電壓下使用IMR，與iDose 4和FBP比較，圖像噪聲顯著降低，分別減少了66.2%和57.5%，IMR整體圖像質(zhì)量為放射學(xué)家所接受，且與120 kV管電壓比較，使用80 kV管電壓可使輻射劑量減少80%;而且使用80 kV管電壓結(jié)合IMR技術(shù)可使心臟CTA所使用的造影劑減少50%，冠狀動脈中、遠端的節(jié)段積分、圖像噪聲、條紋偽影和整體的圖像質(zhì)量均顯著高于iDose4和FBP圖像。Park等[14]對24例非肥胖患者IMR技術(shù)聯(lián)合前瞻性心電門控的回顧性研究，研究表明受試患者CCTA的平均輻射劑量為（0.89±0.09）mSv，且IMR的衰減值與其他重建方法無顯著性差異，圖像噪聲明顯低于IR和FBP，與FBP比較，IMR的降噪率為69%。IMR組CCTA的SNR和CNR顯著高于FBP或IR組。這與Hu等[13]研究結(jié)果趨同。而且Park等[14]的研究還提出，與回顧性心電圖門控技術(shù)比較，IMR技術(shù)結(jié)合前瞻性心電圖門控將輻射劑量降低了70%～90%，但這需要心率必須低而有規(guī)律才能使這項技術(shù)成功。

Oda等[15]研究表明，IMR技術(shù)下的平均圖像噪聲及CNR明顯優(yōu)于混合迭代重建及FBP技術(shù)，且在低管電壓下，IMR顯著地提高了圖像質(zhì)量，特別是有助于提高遠端血管的顯示效果。Halpern等[16]對45例患者進行研究，基于BMI的分層分析表明，在FBP圖像中噪聲較高的肥胖患者中，IMR對圖像質(zhì)量的改善最為明顯，小血管的圖像質(zhì)量也得到了改善，這是CCTA過程中最難實現(xiàn)的;IMR使CCTA的血管內(nèi)噪聲降低了86%～88%，能夠清晰顯示較小的冠狀動脈，使之能更好地鑒別冠狀動脈鈣化斑塊與非鈣化斑塊，提高了診斷冠狀動脈狹窄的準確性。

2.3 胸、腹部大血管CTA應(yīng)用的研究進展

Laqmani等[17]研究指出，在肺動脈CTA應(yīng)用中，在使用IMR的同時降低管電壓及減少造影劑劑量的情況下，可以改善主肺動脈和分支肺動脈的圖像質(zhì)量和清楚顯示血管的栓塞情況。其研究指出，使用IMR技術(shù)可以減少縱隔和頭臂靜脈、上腔靜脈及心臟腔內(nèi)高度集中的造影劑引起的偽影，從而能更為清晰地顯示在主肺動脈和分支肺動脈中的充盈缺損。Hou等[18]研究表明，在胸腹主動脈CTA中，與傳統(tǒng)方法相比，采用IMR算法在80 kV管電壓下進行掃描，在保證圖像質(zhì)量的同時，可使對比劑劑量、對比劑注入率和所產(chǎn)生輻射劑量分別減少60.0%、52.0%和77.6%，可對胸主動脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)修復(fù)后的患者進行重復(fù)隨訪，盡管大量減少了對比劑的劑量和注射速率，但是CTA檢查仍能清楚地顯示所有評估的解剖結(jié)構(gòu)。

Qin等[19]的研究表明，采用IMR算法重建的腎動脈CTA比FBP圖像提供了更好的圖像質(zhì)量，而且相較于常規(guī)的掃描方案，較低的管電壓聯(lián)合 IMR重建算法是腎動脈CTA的更適合的減少輻射劑量掃描方式，其在確定血管強化和狹窄方面有很大幫助，Murphy等[20]的研究也支持這一結(jié)果。Nakamoto等[21]研究結(jié)果表明，即使在12.5%劑量下，也能產(chǎn)生比較客觀真實的圖像，并能與FBP圖像進行比較。

2.4 四肢血管CTA應(yīng)用的研究進展

劉彬等[22]研究證實，80 kV管電壓掃描聯(lián)合IMR重建技術(shù)應(yīng)用在下肢動脈CTA 中，可以降低約64%輻射劑量的同時減少25%碘負荷，并且圖像滿足閱片要求。這與錢偉亮等[23]的研究結(jié)果基本一致。Oda等[24]研究結(jié)果表明，使用小焦點成像（SFS）聯(lián)合IMR技術(shù)的CTA獲得了更好的圖像質(zhì)量，尤其是在下肢動脈疾病患者的下肢小血管方面包括側(cè)支動脈，這對于制訂有效的治療策略是很重要的。然而關(guān)于IMR在雙上肢的應(yīng)用方面仍鮮有報道，但綜合各方面的研究來看，IMR應(yīng)用于雙上肢CTA檢查能夠在降低偽影及輻射劑量上具有較高的研究價值。

2.5 其他應(yīng)用的研究進展

除了在血管CTA成像上，IMR還在其他檢查方面有著廣泛的應(yīng)用與研究，Li等[25]研究表明，在腦CT灌注成像（CTP）中，在極低的70 kV條件下進行掃描時，可以依靠碘的衰減性增加部分抵消更大的圖像噪聲，如果能聯(lián)合IMR技術(shù)，就能獲得較為優(yōu)良的圖像。張云等[26]研究表明，低劑量（80 kV，30 mAs）聯(lián)合IMR的腦CTP與常規(guī)掃描比較，SD值降低明顯，SNR及CNR提高，主觀灌注圖像評分相同，完全可以常規(guī)應(yīng)用于臨床中，且在極低劑量（80 kV，10 mAs）條件下，輻射劑量與低劑量組比較，降低了63.3%，圖像質(zhì)量與低劑量組近乎相同。黎佩君等[27]研究也得到了較為相似的結(jié)果，并且其研究還表明利用腦CTP數(shù)據(jù)可以重組PCTA，其圖像質(zhì)量仍能到達診斷要求。

Uchida等[28]研究表明，相較于常規(guī)劑量掃描，低劑量聯(lián)合IMR條件下除了能更清晰顯示大血管、臟器血管的起源、走形及形態(tài)，還可以更為清晰地顯示細小分支血管結(jié)構(gòu)以及受侵襲、閉塞或是側(cè)支循環(huán)等情況。周丹靜等[29]研究表明聯(lián)合IMR技術(shù)，低劑量胸部雙期增強掃描可在低對比劑用量的條件下取得滿意的圖像質(zhì)量和血管顯示優(yōu)良率，可用于肺部病灶血供分析，值得進一步研究與推廣。Park等[30]使用與FBP和iDose4相同的數(shù)據(jù)集，IMR算法獲得了較好的圖像質(zhì)量和腫瘤明顯度，且具有較好的降噪效果。IMR有望成為一種有效的減少劑量的工具，而不降低肝細胞癌的圖像質(zhì)量和對比噪聲比，特別是在慢性肝病患者中。當然，除了在血管及增強方面，IMR技術(shù)在平掃中有著廣泛的應(yīng)用，降低輻射劑量、提高成像質(zhì)量及提高病變檢測的敏感性有著較高的科研成果及臨床應(yīng)用價值[31-35]，在此不過多贅述。

3 小結(jié)

綜上所述，IMR重建技術(shù)在全身各部位的應(yīng)用中，能夠在降低輻射劑量、降低圖像噪聲，保證CT圖像質(zhì)量，相較于FBP及常規(guī)iDose4重建方法有著明顯的優(yōu)勢。然而，在目前的日常工作中，IMR技術(shù)還沒有被普遍的應(yīng)用于臨床工作中，而且最為適宜的掃描方案、重建與傳輸時間等問題仍需我們在未來的科學(xué)研究中進一步探究?？傊?，隨著科技的不斷發(fā)展及更多研究的發(fā)現(xiàn)，在未來的臨床工作中，IMR技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。

[參考文獻]

[1]? Cai W，Hu C，Hu S，et al. Feasibility study of iterative model reconstruction combined with low tube voltage，low iodine load，and low iodine delivery rate in craniocervical CT angiography [J]. Clin Radiol，2018，73（2）：217.e1-e6.

[2]? Zhang W，Li M，Zhang B，et al. CT Angiography of the head-and-neck vessels acquired with low tube voltage，low iodine，and iterative image reconstruction：clinical evaluation of radiation dose and image quality [J]. PLoS One，2013，8（12）：e81486.

[3]? No？觕l PB，K？觟hler T，F(xiàn)ingerle AA，et al. Evaluation of an iterative model–based reconstruction algorithm for low-tube-voltage （80 kVp） computed tomography angiography [J]. J Med Imaging（Bellingham），2014，1（3）：033501.

[4]? Paruccini N，Villa R，Pasquali C，et al. Evaluation of a commercial Model Based Iterative reconstruction algorithm in computed tomography [J]. Phys Med，2017，41：58-70.

[5]? Hou P，F(xiàn)eng X，Liu J，et al. Low tube voltage and iterative model reconstruction in follow-up ct angiography after thoracic endovascular aortic repair：ultra-low radiation exposure and contrast medium dose [J]. Acad Radiol，2018， 25（4）：494-501.

[6]? Cheng B，Xing H，Du L，et al. Impact of iterative model reconstruction combined with dose reduction on the image quality of head and neck CTA in children [J]. Sci Rep，2018，8（1）：12613.

[7]? 魯曉辰.256排多層螺旋CT全模型迭代算法對下肢動脈造影低劑量成像的臨床應(yīng)用研究[D].大連：大連醫(yī)科大學(xué)，2016.

[8]? 蔣駿，黃美萍，雷益，等.全模型迭代重建技術(shù)在心臟CT成像中應(yīng)用的實驗研究[J].中華放射學(xué)雜志，2015，49（6）：473-477.

[9]? Khawaja RDA，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）：2-10.

[10]? 蔡武，胡春洪，王希明，等.“四低”聯(lián)合自動管電流調(diào)節(jié)和全模型迭代重建技術(shù)在頭頸部CT血管成像中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)雜志，2018，98（1）：30-35.

[11]? Niesten JM，van der Schaaf IC，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.

[12]? 王君玲，許乙凱，周芳，等.全模型迭代重建技術(shù)在頭頸部血管成像中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（35）：34-39.

[13]? Hu MQ，Li M，Liu ZY，et al. Image quality evaluation of iterative model reconstruction on low tube voltage （80 kVp） coronary CT angiography in an animal study [J]. Acta Radiol，2016，57（2）：170-177.

[14]? Park CH，Lee J，Oh C，et al. The feasibility of sub-millisievert coronary CT angiography with low tube voltage，prospective ECG gating，and a knowledge-based iterative model reconstruction algorithm [J]. Int J Cardiovasc Imaging，2015，31（Suppl 2）：197-203.

[15]? Oda S，Weissman G，Vembar M，et al. Iterative model reconstruction：Improved image quality of low-tube-voltage prospective ECG-gated coronary CT angiography images at 256-slice CT [J]. Eur J Radiol，2014，83（8）：1408-1415.

[16]? 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.

[17]? Laqmani A，Maximillian K，Butscheidt S，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.

[18]? Hou P，F(xiàn)eng X，Liu J，et al. Low Tube Voltage and Iterative Model Reconstruction in follow-up CT angiography after thoracic endovascular aortic repair：ultra-low radiation exposure and contrast medium dose [J]. Acad Radiol，2018，25（4）：494-501.

[19]? Qin L，Ma ZP，Yan FH，et al. Iterative model reconstruction（IMR）algorithm for reduced radiation dose renal artery CT angiography with different tube voltage protocols [J]. Radiol Med，2018，123（2）：83-90.

[20]? Murphy KP，Crush L，Twomey M，et al. Model-based iterative reconstruction in ct enterography [J]. AJR Am J Roentgenol，2015，205（6）：1173-1181.

[21]? Nakamoto A，Kim T，Hori M，et al. Clinical evaluation of image quality and radiation dose reduction in upper abdominal computed tomography using model-based iterative reconstruction;comparison with filtered back projection and adaptive statistical iterative reconstruction [J]. Eur J Radiol，2015，84（9）：1715-1723.

[22]? 劉彬，高思喆，王傳卓，等.低管電壓聯(lián)合全模型迭代重建技術(shù)在下肢動脈CTA中的應(yīng)用[J].中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志，2018，29（9）：660-663.

[23]? 錢偉亮，豐川，周丹靜，等.FBP、iDose4和IMR重建算法對低劑量雙下肢CTA圖像質(zhì)量的影響[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2017，33（2）：290-294.

[24]? Oda S，Yoshimura A，Honda K，et al. CT Angiography in patients with peripheral arterial disease： effect of small focal spot imaging and iterative model reconstruction on the image quality [J]. Acad Radiol，2016，23（10）：1283-1289.

[25]? Li ZL，Li H，Zhang K，et al. Improvement of image quality and radiation dose of CT perfusion of the brain by means of low-tube voltage （70 kV） [J]. Eur Radiol，2014， 24（8）：1906-1913.

[26]? 張云.低劑量及極低劑量腦CT灌注成像聯(lián)合全模型迭代重建算法在腦卒中診斷中的初步臨床研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2017.

[27]? 黎佩君，黃飚，梁長虹，等.迭代重建算法CT灌注成像與CT血管造影在缺血性腦血管病中的診斷價值[J].中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2013，21（12）：881-885，890.

[28]? 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.

[29]? 周丹靜，許建銘，姜彥，等.迭代模型重建技術(shù)在低劑量胸部CT雙期增強掃描中的可行性[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2017，33（5）：768-772.

[30]? Park HJ，Lee JM，Jeong YK，et al. Comparison of knowledge-based iterative model reconstruction and hybrid reconstruction techniques for liver ct evaluation of hypervascular hepatocellular carcinoma [J]. J Comput Assist Tomogr，2016，40（6）：863-871.

[31]? Liu X，Chen L，Qi W，et al. Thin-slice brain CT with iterative model reconstruction algorithm for small lacunar lesions detection：Image quality and diagnostic accuracy evaluation [J]. Medicine （Baltimore），2017，96（51）：e9412.

[32]? Lukas L，Petr O，Jan B，et al. Sub-milliSievert ultralow-dose CT colonography with iterative model reconstruction technique [J]. Peer J，2016，4：e1883.

[33]? Wu Y，Jiang Y，Han X，et al. Application of low-tube current with iterative model reconstruction on Philips Brilliance iCT Elite FHD in the accuracy of spinal QCT using a European spine phantom [J]. Quant Imaging Med Surg，2018，8（1）：32-38.

[34]? Wellenberg RH，Boomsma MF，van Osch JA，et al. Computed tomography imaging of a hip prosthesis using iterative model-based reconstruction and orthopaedic metal artefact reduction：a quantitative analysis [J]. J Comput Assist Tomogr，2016，40（6）：971-978.

[35]? Wellenberg RH，Boomsma MF，van Osch JA，et al. Low-dose CT imaging of a total hip arthroplasty phantom using model-based iterative reconstruction and orthopedic metal artifact reduction [J]. Skeletal Radiol，2017，46（5）：623-632.