人工智能模型迭代重建對低劑量腹部增強CT圖像質(zhì)量的影響

曹建新, 朱卓, 許煒, 劉廷, 韓錦濤, 陳穎, 張清*

(1.武漢科技大學 附屬普仁醫(yī)院 放射科, 湖北 武漢 430081; 2. 上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司, 上海 201800)

腹部增強CT在臨床中被廣泛采用,但因其輻射劑量高被引起高度關(guān)注。迭代重建可以提升腹部增強CT圖像質(zhì)量并降低其輻射劑量,但其應用仍存在一定限度[1-4]。近年來,人工智能CT圖像重建已在算法研究方面取得很大的進步,研究顯示人工智能CT圖像重建技術(shù)降低圖像噪聲的能力顯著優(yōu)于既往的迭代重建[5-10]。研究報道,一種聯(lián)合人工智能和模型迭代重建(artificial intelligence model-based iterative reconstruction, AIIR)算法被提出,該算法結(jié)合了人工智能與模型迭代重建算法的優(yōu)點,能夠有效抑制噪聲,使重建出來的圖像噪聲更低、圖像質(zhì)量更高[11-12]。AIIR算法有不同的重建等級,有關(guān)腹部增強CT掃描時最佳的AIIR等級選擇目前還不確定。本研究旨在評估不同等級AIIR對低劑量腹部增強CT圖像質(zhì)量的影響,并探索腹部增強CT在使用AIIR時的最佳重建等級。

1 材料與方法

1.1 研究對象

于2022年5月至2023年5月間,隨機選取武漢科技大學普仁醫(yī)院行全腹部增強CT檢查的52例患者。納入標準:①年齡>20歲;②體質(zhì)量指數(shù)<25.0 kg/m2。排除標準:①甲狀腺功能亢進未治愈;②腎功能不全;③碘對比劑過敏;④孕婦或3個月內(nèi)準備懷孕;⑤腹部有金屬植入物或內(nèi)固定物;⑥存在呼吸運動偽影。本研究已獲得本院醫(yī)學倫理委員會批準(審批號:2022年第00601),所有患者檢查前簽署研究知情同意書。

1.2 CT檢查方法

采用聯(lián)影320排CT(uCT 960+)完成全腹部動態(tài)增強低劑量CT檢查,掃描范圍自膈上到恥骨聯(lián)合下方。采用低劑量掃描方案,管電壓80 kV,自動管電流技術(shù),參考管電流量320 mAs。經(jīng)右肘靜脈注射碘對比劑碘海醇(350 mg I/mL),注射總量=體質(zhì)量×1.0 mL/kg,注射流率3.5 mL/s。所有患者行動脈期、靜脈期及延遲期掃描。記錄患者的CT容積劑量指數(shù)、單期掃描的放射劑量長度乘積,根據(jù)公式計算有效輻射劑量,有效輻射劑量=放射劑量長度乘積×0.015。

1.3 濾波反投影與迭代圖像重建

在主臺分別重建生成濾波反投影(filter back projection, FBP)圖像和混合迭代重建(hybrid iterative reconstruction, HIR)圖像,HIR采用Karl 5級重建,圖像層厚及層間距均為1 mm。

1.4 AIIR重建

將CT檢查原始數(shù)據(jù)導入聯(lián)影科研工作站(探索者平臺ulnnovation-CT,R001)生成AIIR 5～1級共5種圖像,層厚及層間距1 mm。AIIR與傳統(tǒng)的模型迭代重建有明顯不同,它通過該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習圖像中的噪聲及紋理特征,能夠根據(jù)所輸入的圖像自動識別圖像中的有用信號與噪聲,從而實現(xiàn)圖像質(zhì)量提升與噪聲抑制。在前期網(wǎng)絡(luò)訓練過程中,將多組常規(guī)劑量的模型迭代重建圖像及其相對應的模擬低劑量圖像同時輸入網(wǎng)絡(luò)中,經(jīng)過多輪訓練,機器便能夠充分學習信號與噪聲之間的關(guān)系[11-12]。

1.5 圖像分析

在圖像后處理工作站(聯(lián)影醫(yī)療,uWS-CT,版本號R005)對動脈期及靜脈期FBP圖像、HIR圖像及5種等級的AIIR圖像進行評估。客觀參數(shù)的評估指標包括:①第一肝門水平肝右后葉正常區(qū)域動脈期及靜脈期的CT值和標準差;②動脈期第3腰椎水平腹主動脈CT值和標準差;③動脈期第3腰椎旁腰大肌和髖臼上緣水平髂腰肌CT值的標準差;④靜脈期門靜脈主干CT值和標準差。感興趣區(qū)(region of interest, ROI)面積>50 mm2,且每位患者不同圖像上ROI的大小及位置保持完全一致,肝組織ROI避開血管和病變,腹主動脈及門靜脈ROI應避開粥樣硬化斑塊及血栓。將各測量部位CT值的標準差視為相應結(jié)構(gòu)的噪聲。計算動脈期腹主動脈、靜脈期門靜脈主干的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),計算公式:SNR=CT值/噪聲。

另由兩名具有20年以上放射科工作經(jīng)驗的副主任醫(yī)師采用雙盲法對圖像噪聲及蠟狀偽影情況評分。首先,對FBP、HIR及AIIR圖像噪聲程度評分,標準如下:1分為圖像噪聲非常小;2分為圖像噪聲輕微,無條紋狀偽影,對病變觀察無影響;3分為圖像噪聲一般,有輕微的條紋狀偽影,但對病變觀察基本無影響;4分為圖像噪聲大但能接受,有明顯條紋狀偽影,但對診斷影響不大;5分為圖像噪聲大到不能接受,有嚴重的條紋狀偽影,無法用于診斷。隨后對AIIR圖像的蠟狀偽影程度進行評分,標準如下:1分為無蠟狀偽影,解剖細節(jié)顯示清晰、層次感強、銳利度好;2分為輕微的蠟狀偽影,解剖細節(jié)顯示較清晰,層次感及銳利度稍低;3分為尚可接受的蠟狀偽影,解剖細節(jié)顯示一般,層次感及銳利度降低;4分為不能接受的蠟狀偽影,圖像細節(jié)顯示模糊,銳利度低;5分為完全不能接受的蠟狀偽影,圖像細節(jié)嚴重丟失致解剖結(jié)構(gòu)無法分辨,銳利度差。

1.6 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。對FBP、HIR和5種AIIR圖像質(zhì)量的各客觀參數(shù)值總體比較時,采用重復測量的方差分析,任意兩種圖像間進行事后兩兩比較時采用LSD法。圖像質(zhì)量主觀評分比較采用Friedman檢驗及事后兩兩檢驗。對兩名醫(yī)師對圖像質(zhì)量主觀評分的一致性評價,采用Kappa檢驗,Kappa 值≥0.75為一致性良好;0.4

2 結(jié)果

2.1 一般情況特征

52名患者中,男22例,女30例;年齡28～88歲,平均(61.5±14.0)歲;體質(zhì)量指數(shù)為16.2～24.9 kg/m2,平均(22.5±1.8)kg/m2;CT容積劑量指數(shù)為5.1～7.8 mGy,平均(6.2±0.6)mGy;單期掃描放射劑量長度乘積為224～447 mGy·cm,平均(340.2±50.3)mGy·cm;有效輻射劑量為3.4～6.7 mSv,平均(5.1±0.8)mSv。

2.2 圖像質(zhì)量客觀參數(shù)比較

動脈期和靜脈期肝臟CT值在7種不同圖像間比較時無明顯差異,而其他客觀參數(shù)值在7種不同圖像間總體比較差異均有統(tǒng)計學意義(表1),任意兩種圖像間事后兩兩比較結(jié)果如下:①動脈期和靜脈期肝臟CT值在任意兩種圖像間差異均無明顯統(tǒng)計學意義(P>0.05);②AIIR圖像上腹主動脈CT值和門靜脈CT值均略高于FBP和HIR圖像(P<0.05);③AIIR圖像上肝臟、腹主動脈、門靜脈、腰大肌及髂腰肌的噪聲均顯著低于FBP和HIR圖像(P<0.01),與FBP圖像相比,動脈期AIIR 5～1級圖像上肝臟噪聲分別下降58.8%、65.0%、71.7%、78.8%和85.4%,腹主動脈噪聲分別下降59.6%、65.2%、71.5%、77.8%和83.7%,腰大肌噪聲分別下降59.4%、65.4%、71.3%、78.0%和84.3%,髂腰肌噪聲下降55.8%、60.6%、66.2%、71.9%和77.1%,靜脈期AIIR 5～1級圖像上肝臟噪聲下降59.2%、65.1%、71.8%、79.0%和85.7%,門靜脈噪聲下降58.1%、63.3%、69.3%、75.3%和81.3%;④5種AIIR圖像上腹主動脈和門靜脈SNR均顯著高于FBP和HIR圖像(P<0.01)。

表1 不同重建圖像的客觀參數(shù)值Table 1 Objective parameter values for different reconstructed images

2.3 圖像質(zhì)量主觀評分

對圖像噪聲程度評分時,兩位醫(yī)師間一致性良好,Kappa值動脈期為0.78,靜脈期為0.77。噪聲程度主觀評分在FBP、HIR和5種AIIR圖像間行總體比較時差異有統(tǒng)計學意義(表2), 任意兩種圖像間事后兩兩比較時,動脈期及靜脈期各種AIIR圖像噪聲程度評分均明顯低于FBP圖像和HIR圖像(P<0.01,圖1),且兩位醫(yī)師的觀察結(jié)果一致。

表2 不同圖像噪聲程度的評分Table 2 Scores of noise for different images

男性,66歲,胃癌術(shù)后肝臟多發(fā)轉(zhuǎn)移瘤,體質(zhì)量指數(shù)23.6 kg/m2,CT容積劑量指數(shù)5.66 mGy。A: FBP圖像,噪聲大有明顯條紋狀偽影但能接受,噪聲評分4分。B: HIR圖像,噪聲一般有輕微條紋狀偽影,噪聲評分3分。C和D: AIIR 5級圖像(C)和AIIR 4級圖像(D),噪聲非常小且無蠟狀偽影,病灶細節(jié)顯示清晰,噪聲評分及蠟狀偽影評分均為1分。 E: AIIR 3級圖像,噪聲非常小但有輕微的蠟狀偽影,噪聲評分1分,蠟狀偽影評分2分。F: AIIR 2級圖像,噪聲非常小,但有可以接受的蠟狀為影,解剖細節(jié)顯示一般,噪聲評分1分,蠟狀偽影評分3分。G: AIIR 1級圖像,噪聲非常小,但有不能接受的蠟狀偽影,圖像細節(jié)模糊,噪聲評分1分,蠟狀偽影評分4分。Multiple liver metastases after gastric cancer surgery in a 66-year-old man with a body mass index of 23.6 kg/m2 and CT volume dose index of 5.66 mGy. A: Increased but acceptable noise with obvious streak artifacts on the FBP image and a noise score of 4. B: General noise with slight streak artifacts on the HIR image and a noise score of 3. C and D: Very low noise with no wax artifact on the AIIR images with level 5 (C) and level 4 (D); the details of the lesions are clear; and the noise and wax artifact scores are all 1. E: Very low noise with slight wax artifacts on the AIIR image with level 3; the scores for noise and wax artifacts are 1 and 2, respectively. F: Very low noise with acceptable wax artifacts on the AIIR image with level 2; the anatomical details are shown in general; and the noise and wax artifact scores are 1 and 3, respectively. G: Very low noise with unacceptable wax artifacts on the AIIR image with level 1; the anatomical details are vague; and the noise and wax artifact scores are 1 and 4, respectively.圖1 腹部增強CT圖像噪聲及蠟狀偽影程度評分Figure 1 Scores of image noise and wax artifacts of abdominal enhanced CT

對5種AIIR圖像的蠟狀偽影程度評分時,兩位醫(yī)師間的一致性較好,動脈期及靜脈Kappa值均為0.71。AIIR 5級和4級圖像蠟狀偽影最輕(圖1),5種AIIR圖像蠟狀偽影評分總體比較差異顯著(表3),任意兩種AIIR圖像間事后兩兩比較時,動脈期和靜脈期AIIR 5級和4級圖像間差異均不明顯(P>0.05),AIIR 5級和4級動脈期及靜脈圖像蠟狀偽影程度評分均顯著低于AIIR 3～1級圖像(P<0.01),且兩位醫(yī)師的觀察結(jié)果一致。

表3 不同AIIR圖像蠟狀偽影程度的評分Table 3 Scores of wax artifacts for different AIIR images

3 討論

腹部增強CT作為腹部疾病診斷的檢查方法而被廣泛應用于臨床,但腹部增強CT需要進行多期且大范圍掃描,導致對被檢者的輻射劑量過大。迭代重建算法可以顯著改善低劑量CT圖像質(zhì)量及提高病灶檢出率[1-4,13-15],但有的重建算法存在降噪能力不足的情況。另外,既往迭代重建算法在減少圖像噪聲與偽影的同時,有時也會改變原始數(shù)據(jù)中噪聲的分布,導致圖像紋理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使圖像失真及細節(jié)丟失,如果迭代次數(shù)過多在一定程度上會影響CT診斷的準確性,因此,不宜使用過高權(quán)重的迭代重建[15]。

隨著人工智能(AI)技術(shù)的快速發(fā)展,AI技術(shù)逐漸應用于CT檢查中,可以大幅度降低CT檢查輻射劑量和碘對比劑用量,有研究報道使用AI圖像重建可以實現(xiàn)心血管CT超低輻射劑量和超低對比劑用量檢查[6-7,11,16]。關(guān)于AI圖像重建,目前大多數(shù)的AI圖像重建是以高質(zhì)量下的FBP圖像或HIR圖像作為訓練模型,通過使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對低劑量圖像不斷進行優(yōu)化,在盡量不改變圖像紋理結(jié)構(gòu)的情況下來實現(xiàn)圖像降噪[5-10,17-19]。本研究中所使用的AIIR與目前主流的AI圖像重建技術(shù)有所不同,AIIR是將AI技術(shù)與模型迭代重建相結(jié)合,所使用的訓練數(shù)據(jù)集是數(shù)百萬由模型迭代重建方法生成的高質(zhì)量/低劑量圖像對組成,是一種更為先進的圖像重建算法,結(jié)合了AI與模型迭代重建算法的優(yōu)點,前期的相關(guān)研究也顯示了其強大的降噪能力[11-12]。

本研究顯示:與FBP圖像相比較,AIIR圖像的噪聲大幅度降低,下降幅度55.8%～85.7%,且噪聲顯著低于HIR圖像。但是不同等級的AIIR在降低圖像噪聲和保留圖像細節(jié)方面的能力存在差異,因此,本研究探討了在低劑量掃描情況下,AIIR不同重建等級對腹部增強CT圖像質(zhì)量的影響。從AIIR 5級到1級,隨著重建等級的降低,圖像噪聲越來越低。但在重建等級逐漸降低的同時,圖像的蠟狀偽影逐漸加重,解剖細節(jié)、圖像層次感及銳利度在逐漸下降,甚至存在圖像細節(jié)明顯丟失的情況。在5種AIIR圖像中,AIIR 5級和4級圖像無蠟狀偽影或蠟狀偽影輕微且圖像細節(jié)保留完好。AIIR 3級圖像開始出現(xiàn)較明顯的蠟狀偽影,且層次感及圖像細節(jié)有所下降,但尚未對診斷產(chǎn)生影響。而部分AIIR 1級和2級圖像出現(xiàn)蠟狀偽影明顯的情況,導致圖像細節(jié)丟失明顯,圖像層次感明顯下降,這是由于高頻噪聲被去除,改變了圖像的紋理結(jié)構(gòu),這時需通過提升重建等級來恢復圖像中的高頻噪聲以保留圖像細節(jié)[20]。本研究分析了不同的客觀評估參數(shù)及主觀評分后,認為在保證圖像低噪聲、無或輕微蠟狀偽影、圖像細節(jié)清晰銳利的情況下,綜合評定認為AIIR 5級和4級圖像質(zhì)量最好。對各種圖像上組織和血管CT值進行評估時,發(fā)現(xiàn)各種AIIR圖像上肝臟CT值與FBP、HIR圖像幾乎完全一致,AIIR圖像上腹主動脈和門靜脈CT值稍高于FBP和HIR圖像,這可能與AIIR算法在訓練過程中所使用的訓練樣本有關(guān)。因AIIR訓練樣本圖像是由模型迭代重建獲得的,有研究表明,模型迭代重建圖像CT值高于HIR圖像,因此AIIR圖像上腹主動脈及門靜脈CT值也高于FBP和HIR圖像[21]。雖然本研究顯示AIIR圖像上腹主動脈和門靜脈CT值有所增加,但AIIR圖像上腹主動脈及門靜脈擁有更高的SNR,因此CT值的增加有利于腹部血管的觀察。

本研究沒有采用更低的輻射劑量掃描方案,目的是為保證所有患者HIR圖像均能夠滿足臨床基本診斷要求,本組所有患者HIR圖像未出現(xiàn)噪聲評分為5分的情況,均能夠滿足臨床診斷需要,圖像噪聲均處在一個相對合理的水平。

本研究也存在一些不足:①僅探討了不同等級AIIR對低劑量腹部增強CT圖像質(zhì)量的影響,并沒有與標準劑量的圖像作對比。②AIIR技術(shù)對更低劑量腹部增強CT圖像質(zhì)量的提升程度有待后續(xù)的研究中進一步探討。

作者貢獻聲明

曹建新:設(shè)計實驗、評估影像、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、撰寫與修改論文;朱卓:數(shù)據(jù)采集、評估影像;許煒:評估影像、修改論文;劉廷: 數(shù)據(jù)采集與分析;韓錦濤:圖像處理及技術(shù)培訓;陳穎:修改論文;張清:提出研究思路和框架,修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業(yè)、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。