CT迭代重建技術(shù)原理及其研究進展

董繼偉

CT迭代重建技術(shù)原理及其研究進展

董繼偉①

CT技術(shù)的快速發(fā)展使得臨床疾病的診斷水平得到極大提高，然而CT檢查的輻射劑量對被照射人群存在潛在危害，并日漸被人們所關(guān)注。如何在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能降低輻射劑量是當今醫(yī)學影像學領(lǐng)域的重要研究課題，而重建算法的改進成為CT低劑量研究的方向之一。隨著重建算法在技術(shù)上取得的新突破以及迭代重建技術(shù)的日趨成熟，可實現(xiàn)CT檢查中在降低輻射劑量的同時獲得高質(zhì)量的圖像，從而使更多患者受益。

計算機斷層成像；迭代重建技術(shù)；新進展；輻射劑量

［First-author’s address］ Department of Medical Engineering， Beijing Anzhen Hospital， Capital Medical University， Beijing 100029， China.

目前，隨著CT技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是多排螺旋CT的出現(xiàn)，使得臨床疾病的診斷水平得到了很大的提高，然而輻射劑量對被照射人群存在的潛在危害性也日漸被人們所關(guān)注［1］。有報道指出，全球醫(yī)療所致年人均輻射劑量在過去10～15年的時間里約增加1倍，尤其在高度發(fā)達的國家這種情況更為突出［2-3］。CT檢查被認為是造成醫(yī)源性輻射最重要的原因，因此在保證圖像的質(zhì)量和滿足臨床診斷要求的同時，盡可能減少受檢者的輻射劑量、合理使用低劑量（as low as reasonably achievable，ALARA）已成為當今影像學重要的研究方向［4］。1990年，Naidich等首次提出低劑量CT的概念，即在其他掃描參數(shù)不變的情況下，通過在一定范圍內(nèi)降低管電流，達到降低輻射劑量的目的。其后，國內(nèi)外醫(yī)學家們對低劑量CT掃描展開進一步研究，方法主要包括降低管電壓、增大螺距、使用后處理技術(shù)以及減少掃描次數(shù)等［5-7］。

1　CT圖像重建算法的基本原理

近年來，重建算法的改進成為CT 低劑量研究的重要內(nèi)容，常用的CT圖像重建算法主要包括解析重建（analytic reconstruction，AR）算法和迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法。

1.1AR算法

AR算法具有分辨率高和成像速度快等優(yōu)點，對采集數(shù)據(jù)的完備性要求也比較高。

在AR中，以濾波反投影（filtered back-projection，F(xiàn)BP）算法最具代表性，應用也最為廣泛［8］。根據(jù)原始數(shù)據(jù)中的噪聲特點，采用濾波函數(shù)作用在原始數(shù)據(jù)上，對整個頻域內(nèi)的信號進行濾波處理，去除易造成噪聲和偽影的信息，選擇對成像最為重要的信息，通過濾波處理后重建的圖像噪聲得到了極大的改善。

自CT被引入臨床以來，F(xiàn)BP算法一直被作為CT圖像重建方法的基礎(chǔ)和“金標準”，但該算法要求投影數(shù)據(jù)完備且精確定量，同時，該算法易受統(tǒng)計波動的影響，投影數(shù)據(jù)量如果不足時，重建的圖像質(zhì)量就會明顯下降，因此為保證完備的投影數(shù)據(jù)量以確保能重建出達到臨床診斷要求的圖像，該算法對CT的輻射劑量也要求較高［9］。此外，F(xiàn)BP算法在數(shù)據(jù)重建中，對數(shù)據(jù)采集過程做了很多簡化和假定，如測量信號無光子統(tǒng)計波動和電子噪音、X射線球管的焦點為無窮小點、探測器由位于每個小室中心的點構(gòu)成以及重建的體素也無幾何形狀和大小的無窮小點。由于在重建過程中未真實還原X射線的采集過程，并且忽略了統(tǒng)計噪聲，F(xiàn)BP算法還不是一個精確的CT圖像重建方法。

1.2IR算法

IR算法可以有效地克服FBP算法所固有的問題，此算法在CT發(fā)展的早期已經(jīng)出現(xiàn)，但由于計算量較大，以及早期計算機技術(shù)的限制，在很長一段時間內(nèi)發(fā)展停滯不前。近年來，得益于計算機技術(shù)的飛速進步，IR算法重新成為研究的熱點。

2　IR算法的基本原理

（1）IR算法的基本原理是對于某個重建視角，首先在估計的物體圖像上通過“前向投影”模擬一個綜合投影，這是對沿著該視角衰減的第一次估計，但存在較大誤差。這種估計盡可能地模擬真實CT系統(tǒng)中X射線光子穿過物體并到達探測器的過程，通過將X射線光子的初始位置設置在一個小區(qū)域而非單獨的點來模擬有限的焦點大?。辉赬射線光子和物體相互作用的建模過程中，通過計算光子在輕微不同方向和位置進入體素的路徑長度來考慮重建像素的大小和尺寸（而不是一個假想的點）；采用相同的方式，探測器單元的大小和形狀通過探測器響應函數(shù)來建模（如圖1所示）［10］。

圖1　CT光學系統(tǒng)幾何示意圖

（2）將綜合投影與探測器采集的實際測量值進行比較檢驗，兩者之間的差異代表了當前估計需要校正的誤差，并對當前估計得到的圖像進行校正。再將校正后的圖像帶入模型進行下次綜合投影模擬，并與實際測量值再次進行檢驗和校正。通過如此的反復迭代計算，對圖像信息進行不斷地檢驗和修正，直到誤差降到最低，將修正的圖像確定為最終的重建圖像。在圖像校正過程中，除了采用建立系統(tǒng)光學模型，還采用了系統(tǒng)統(tǒng)計模型，該模型分析每個獨立光子的統(tǒng)計波動的特征，并與正確的統(tǒng)計分布進行比較，有效地降低了統(tǒng)計波動引起的圖像噪聲（如圖2所示）。

圖2　迭代重建過程示意圖

3　IR算法的技術(shù)進展

3.1自適應統(tǒng)計迭代重建技術(shù)

2008年，GE公司首先推出基于系統(tǒng)統(tǒng)計模型的自適應統(tǒng)計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR）技術(shù)，該重建技術(shù)通過首先建立噪聲性質(zhì)和被掃描物體的模型，并利用迭代的方法對噪聲加以校正和抑制，得到更清晰的圖像。ASiR技術(shù)可以顯著降低重建圖像的噪聲，改善圖像質(zhì)量，與FBP算法相比，下降了約50%的掃描劑量［11］（如圖3所示）。

圖3　左腎結(jié)石CT成像FBP和ASiR重建技術(shù)對比圖像

3.2自適應迭代劑量減少-三維技術(shù)

自ASiR技術(shù)推出并應用于臨床后，多家CT制造商均在加緊迭代重建算法的研究，陸續(xù)推出類似技術(shù)，如西門子公司的圖像空間中的迭代重建（iterative reconstruction in image space，IRIS）［12］、飛利浦公司的iDose4技術(shù)［13］和東芝公司的自適應迭代劑量減少-三維（adaptive iterative dose reduction，AIDR 3D）。ASiR技術(shù)在原始數(shù)據(jù)空間利用系統(tǒng)統(tǒng)計噪聲模型來消除統(tǒng)計波動造成的圖像噪聲影響，IRIS技術(shù)是在圖像數(shù)據(jù)空間利用迭代技術(shù)降低圖像噪聲，iDose4技術(shù)在原始數(shù)據(jù)空間降低噪聲的同時，采用多頻率重建（multi-frequency reconstruction， MFR）算法，使噪聲功率譜（noise power spectrum，NPS）保持恒定，保證了IR影像接近FBP影像的噪聲質(zhì)地，容易讓臨床醫(yī)生接受。AIDR 3D技術(shù)可以自適應地計算最佳迭代次數(shù)以加快重建過程。臨床研究證實，第一代統(tǒng)計迭代重建技術(shù)在保證同樣圖像質(zhì)量和相似重建速度的前提下，劑量可以降低30%～65%，并且AIDR 3D技術(shù)還適于寬體探測器和大錐形角的重建［14］。GE公司于2013年大規(guī)模在最新推出的16層螺旋CT Optima520pro平臺上配置ASiR技術(shù)，這將使ASiR技術(shù)在臨床上的應用更加廣泛。

3.3基于模型的迭代重建技術(shù)

繼第一代迭代重建技術(shù)推出并取得良好的臨床應用之后，2011年，GE公司推出基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）技術(shù)，與第一代迭代重建技術(shù)不同的是，MBIR技術(shù)除了建立系統(tǒng)統(tǒng)計模型之外，還建立了系統(tǒng)光學模型，體素、X射線光子初始位置和探測器幾何因素均通過模型進行模擬，真實地還原了X射線從投射到采集的過程，其中計算量最大的部分是系統(tǒng)光學模型的建立，其價值主要體現(xiàn)在提高重建圖像的空間分辨率（如圖4所示）。

圖4　MBIR技術(shù)幾何光學模型基礎(chǔ)示圖

3.4去除偽影的技術(shù)

為了進一步提高模型的準確性，還加入了去除硬化偽影和金屬偽影的技術(shù)。除了顯著地減小噪聲和降低劑量以外，該技術(shù)可以自適應地識別區(qū)分重建組織的類型，如骨（高頻信息）和軟組織（低頻信息）等，保留了圖像的細節(jié)信息，空間分辨率和對比度進一步提高。模體實驗證實，與FBP技術(shù)相比MBIR技術(shù)在保證同樣圖像質(zhì)量的前提下，劑量可以降低67%～82%［14］。Pickhardt等［15］對45例患者進行腹部CT掃描研究，發(fā)現(xiàn)使用MBIR技術(shù)可在輻射劑量平均降低達74%（57%～88%）的條件下，重建圖像的噪聲仍低于常規(guī)劑量FBP，圖像質(zhì)量和診斷檢出率明顯優(yōu)于同樣低劑量的ASIR和FBP。Ning等［16］利用標準男性Rando體模采用不同管電流進行腹部CT掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在圖像質(zhì)量類似的情況下，相對于FBP模式，MBIR及50%ASiR模式分別可減少約60%及36%劑量。Chang等［17］對103名患者行肝臟CT掃描，結(jié)果顯示在使用半劑量的條件下，MRIR技術(shù)相較于常規(guī)劑量的FBP能夠明顯減少圖像噪聲，提高CNR和圖像質(zhì)量。

4　迭代重建技術(shù)分類

按照迭代計算中所利用的數(shù)據(jù)空間的不同，迭代重建技術(shù)分為3類。

4.1僅在圖像數(shù)據(jù)空間進行迭代

如IRIS，對原始數(shù)據(jù)按照傳統(tǒng)的FBP法重建之后，再根據(jù)噪聲模型對獲得的FBP圖像進行濾波處理，以降低噪聲和偽影。這種方法運算較快，計算時間僅稍長于FBP法，但由于基于圖像空間進行處理，不可避免地具有FBP法的局限性。

4.2在投影數(shù)據(jù)空間中均進行部分迭代

如ASiR、SAFIRE、iDose4和AIDR 3D。首先對投影數(shù)據(jù)以FBP法進行重建，將獲得的圖像數(shù)據(jù)與基于統(tǒng)計的、考慮到光子和電子噪聲的理想噪聲模型進行比較和校正，再將校正之后圖像通過正投影更新原始投影數(shù)據(jù)，進行一下次迭代計算。如此進行多次迭代計算，獲得最終的圖像，這種方法重建速度也較快，但由于僅考慮的噪聲模型，同樣具有局限性。

4.3在投影數(shù)據(jù)空間進行完全迭代

如MBIR（即Veo技術(shù)）。對X射線束從焦點到探測器的整個X射線光學采集過程建立多個模型，焦點、X射線束、體素和探測器的幾何形狀均等因素被納入模型，這種方法的模型復雜，計算量相應也最大，重建所需的時間也相對較長。

4.4迭代重建平臺—ASiR-V

2013年，GE公司推出了應用于Revolution CT的最新一代迭代重建平臺—ASiR-V。ASiR-V結(jié)合了ASiR的實時重建優(yōu)勢和VEO的多模型迭代優(yōu)勢，采用了更為先進的系統(tǒng)噪聲模型、被掃描物體模型和物理模型。對VEO的模型進行了簡化，減小了重建的計算量，提高了重建速度。ASiR-V技術(shù)中先進的系統(tǒng)噪聲模型所考慮的因素包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（data acquisition system，DAS）中的光子噪聲和電子噪聲，以及重建圖像的噪聲譜，主要用于降低噪聲，提高低密度對比度，被掃描物體和物理模型可以減少圖像偽影。

利用國際醫(yī)學成像和技術(shù)協(xié)會以及美國食品藥品管理局所推薦的MITA-FDA CT IQ體模對ASiR-V的性能進行測試后得出結(jié)論：對比FBP，ASiR-V可以降低多達82%的輻射劑量。高劑量FBP重建和低劑量ASiR-V重建對4個不同低對比物體的分辨能力（Area Under Curve，AUC）的對比如圖5所示。

圖5　 4個低對比物體的高劑量FBP，低劑量FBP和低劑量ASiR-V的AUC值比較圖

圖5顯示，低劑量條件下的ASiR-V圖像質(zhì)量高于常規(guī)劑量條件下的FBP圖像。在另一項試驗中顯示，在相同的劑量條件下，與FBP相比，ASiR-V可以對低對比分辨率（low-contrast detectability，LCD）提高135%。在臨床試驗中，ASiR-V同樣可以顯著地降低胸部圖像和腹部的圖像噪聲（如圖6所示）。

圖6　胸部和腹部CT掃描圖像

傳統(tǒng)的迭代重建算法在降低噪聲時往往會導致圖像空間分辨率的降低。ASiR-V由于在迭代過程中納入了被掃描物體模型和物理模型，在降低劑量的同時可以保持空間分辨率不變；在相同的劑量條件下，與FBP相比，ASiR-V有提高空間分辨率的能力。已有研究結(jié)果顯示，在腹部CT中，與ASiR相比，ASiR-V可以在其降低輻射劑量基礎(chǔ)上進一步（35%）降低輻射劑量［18-20］。

5　迭代重建技術(shù)臨床應用

迭代重建技術(shù)已經(jīng)在頭頸部、胸部、腹部以及心臟等多個領(lǐng)域取得了廣泛的臨床應用。在頭部CT掃描中，新型的探測器和迭代技術(shù)的聯(lián)合應用會極大降低輻射劑量［21-27］。Ozdoba等［26］研究表明，在不影響圖像診斷質(zhì)量的前提下，采用迭代算法的掃描方式相對于采用標準劑量及FBP重建法的CT檢查，其輻射劑量可降低40%。

胸部低劑量掃描是近年來臨床肺部篩查的熱點，May等［28］研究表明，胸部CT增強掃描若應用迭代技術(shù)，在輻射劑量降低50%的情況下，圖像質(zhì)量依然清晰且不影響診斷。在腹部，Arapakis等［29］通過對183例患者的胸部-腹部-盆腔聯(lián)合CT掃描的研究中指出，迭代技術(shù)的有效劑量較傳統(tǒng)FBP技術(shù)減少46.5%，且圖像質(zhì)量更清晰。Kim等［29］通過對3種不同體積大小的體模（直徑分別為24 cm、30 cm及40 cm）的研究指出，迭代技術(shù)較FBP技術(shù)不僅能夠降低圖像的噪聲，同時可以提高圖像的質(zhì)量指標，且優(yōu)勢隨著體模體積的增大而增加。對輻射劑量尤為敏感的兒童CT檢查中，張祺豐等［31］研究提出，在兒童腹部CT檢查中，應用迭代技術(shù)，可在輻射劑量降低60%的情況下仍保證圖像的質(zhì)量。Koc等［32］在兒童小血管CT成像方面得出了類似的結(jié)論。

6　展望

隨著CT血管造影的日漸普及，業(yè)界對對比劑的危害愈加重視，由于高濃度碘對比劑帶來的不良反應，如何合理地降低對比劑用量成為目前的研究熱點。為此，很多研究者開始了低濃度對比劑結(jié)合低輻射劑量（雙低）的聯(lián)合研究。目前，在雙低研究中，降低輻射劑量的主要方法是通過降低管電壓，或者通過能量成像的方法獲得低keV圖像的方法，低能量圖像中由于更接近碘的K-edge效應，碘的強化效果更好，可以彌補對比劑用量降低帶來的不足。但是，低能量圖像中伴隨而來的是由于X射線光子能量降低，導致穿透能力不足，在圖像上表現(xiàn)為圖像噪聲增大。因此，在很長一段時間內(nèi)限制了低管電壓和雙低技術(shù)的應用。隨著IR技術(shù)的出現(xiàn)，為低管電壓應用的使用提供了技術(shù)保障，目前國內(nèi)外已有關(guān)于雙低研究結(jié)果的發(fā)表［33-34］。

目前更新的迭代重建技術(shù)的不斷推出，已經(jīng)可以與雙能成像相結(jié)合，克服了低keV單能量圖像噪聲較高的缺點，拓寬了其臨床應用范圍［35-36］。并且近年來隨著迭代技術(shù)的逐漸成熟，已經(jīng)不僅僅限于各個廠商最高端設備才配置迭代重建平臺，最新推出的64排CT、16排CT均搭載了迭代技術(shù)，并且作為國產(chǎn)廠商的代表，聯(lián)影最新的16排CT也搭載了KARL 3D迭代重建技術(shù)，可以預期隨著迭代技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，將會讓更多患者受益。

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The progress on research and principles of computed tomography iterative reconstruction

DONG Ji-wei// China Medical Equipment，2016，13（10）:128-133.

The quick development of computed tomography （CT） do great help to the improvements diagnosis of clinical disease， however， the radiation dose issue of CT is also attracted more attention by the public. It has been an important research field to reduce radiation dose as low as possible with the premise of maintained image quality. Recently， iterative reconstruction of CT has got great advance. This article mainly introduces the brief principles and research progress of CT iterative reconstruction.

Computed tomography； Iterative reconstruction； Progress； Radiation dose

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.038

1672-8270（2016）10-0128-06

R812

A

2016-07-27

①首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院物資采購中心 北京 100029

董繼偉，男，（1975- ），本科學歷，主管技師。首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院物資采購中心，從事醫(yī)療設備管理工作。