深度學(xué)習(xí)圖像重建算法對(duì)能譜CT單能量圖像質(zhì)量影響的體模研究

趙艷紅,馬保龍,町田治彥,沈 云,張曉文,石驍萌,蘇治祥,張 濤

能譜CT具有多參數(shù)成像,可以進(jìn)行組織功能狀態(tài)分析,進(jìn)而在臨床上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是與常規(guī)CT一樣,輻射劑量問題也是能譜CT研究的重要熱點(diǎn)之一。目前,迭代重建算法在降低CT輻射劑量及圖像噪聲方面發(fā)揮了重要的作用,但是過高權(quán)重的迭代重建算法會(huì)降低空間分辨率,特別是對(duì)于低劑量目標(biāo)而言,這個(gè)問題更加嚴(yán)重,同時(shí)過高權(quán)重的迭代重建算法會(huì)改變圖像的紋理特征,使圖像過于平滑,造成所謂的“蠟像樣偽影”[1],這會(huì)影響細(xì)微病變結(jié)構(gòu)的顯示,妨礙了高權(quán)重迭代的應(yīng)用,從而限制了其在臨床應(yīng)用中減少劑量的潛力。近幾年來,人工智能飛速發(fā)展,它不僅在影像診斷效能提高方面有了很大的應(yīng)用[2-4],而且基于深度學(xué)習(xí)的重建算法(DLIR)已被證實(shí)可以提高CT圖像質(zhì)量[5-9],但是DLIR對(duì)常規(guī)掃描模式的圖像質(zhì)量的影響報(bào)道較少,特別是幾乎沒有發(fā)現(xiàn)DLIR對(duì)能譜掃描模式的圖像質(zhì)量影響的報(bào)道。本研究使用能譜掃描模式,對(duì)比APEX CT標(biāo)配的深度學(xué)習(xí)重建算法(True FidelityTM)與混合迭代重建算法(ASIR-V)及濾波反投影算法(FBP)圖像質(zhì)量的差異,探討True FidelityTM對(duì)能譜CT單能量圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 將9支裝有不同管徑及(可模擬不同期相及不同血管等的)不同濃度碘造影劑及水和鈣溶液的聚丙烯試管放置在一個(gè)直徑為20 cm的圓柱形聚丙烯體模(QSP)內(nèi),中央為高濃度碘造影劑,外周環(huán)繞其他不同濃度碘造影劑及水、鈣溶液試管,排列順序見圖1a和1b(目次后)。

1.2 儀器與方法 采用Revolution APEX CT對(duì)體模進(jìn)行能譜CT成像,管電壓80～140 keV瞬時(shí)切換,管電流自動(dòng)毫安秒,40% ASiR-V迭代重建(常規(guī)臨床檢查參數(shù)),掃描后將圖像用FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)重建算法進(jìn)行圖像重建。

1.3 圖像分析 掃描結(jié)束后將圖像傳輸至ADW4.7工作站進(jìn)行圖像分析,利用能譜分析軟件重建出40～140 keV單能量圖像及能譜曲線,選取碘造影劑濃度為3.75 mgI/mL (可模擬延遲期或?qū)嵸|(zhì)臟器增強(qiáng)等)、15.00 mgI/mL(可模擬動(dòng)脈期的腹主動(dòng)脈)及Water(可模擬平掃期及囊腫、肌肉等用于圖像背景的非增強(qiáng)物質(zhì))3支試管進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,分別在FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5組圖像選取11個(gè)層面放置興趣區(qū)進(jìn)行測(cè)量,ROI大小、位置一致,ROI大小為100 mm2,測(cè)量單能量圖像(40 keV、70 keV、100 keV)的CT值及圖像噪聲,計(jì)算各圖像的信噪比。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 選用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件,利用方差分析比較FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5組圖像中3.75 mgI/mL、15.00 mgI/mL及Water 3支試管內(nèi)單能量圖像的CT值、圖像噪聲及圖像信噪比的差異。

2 結(jié)果

模擬不同期相及不同部位(實(shí)質(zhì)臟器和血管)的增強(qiáng)效果的低濃度碘造影劑(3.75 mgI/mL)、高濃度碘造影劑 (15.00 mgI/mL)及水試管內(nèi)FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5組40 keV、70 keV、100 keV的CT值比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。40 keV、70 keV、100 keV圖像噪聲及信噪比5組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),True FidelityTM下的噪聲值均較FBP及40% ASIR-V降低,圖像信噪比提高,True FidelityTM-DLIR-H噪聲最小,信噪比最高,見表1至表3。

表1 碘造影劑濃度為3.75 mgI/ml試管圖像質(zhì)量的對(duì)比

表2 碘造影劑濃度為15.00 mgI/ml試管圖像質(zhì)量的對(duì)比

表3 水試管圖像質(zhì)量的對(duì)比

3 討論

重建算法在CT成像中具有重要的作用,FBP是CT傳統(tǒng)的重建算法,可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行圖像重建,但是,在低輻射劑量下,圖像噪聲和偽影就會(huì)增加,進(jìn)而影響診斷。近些年來廣泛應(yīng)用的迭代重建算法雖然可以降低圖像噪聲、提高圖像質(zhì)量,但是仍受到高權(quán)重時(shí)的分辨率的降低及圖像噪聲紋理被改變的影響,具有一定的局限性,GE APEX CT標(biāo)配的基于深度學(xué)習(xí)的重建算法True FidelityTM使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),利用高質(zhì)量的FBP數(shù)據(jù)集訓(xùn)練,可以在不改變圖像紋理及分辨率的情況下降低圖像噪聲[10]。

有相關(guān)體模研究顯示[11],True FidelityTM與迭代重建算法相比,在不改變圖像紋理的情況下噪聲降低40%～70%,高對(duì)比空間分辨率最多提高3%～32%,低對(duì)比空間分辨率最多提高18%～46%,檢測(cè)能力提高50%～80%,降低輻射劑量的能力提高25%～61%。有臨床研究結(jié)果顯示[12-13],針對(duì)多個(gè)解剖部位,True FidelityTM不僅可以降低噪聲和偽影,提高SNR和CNR,而且還能提高整體圖像質(zhì)量、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)顯示及醫(yī)生的診斷信心,有極強(qiáng)的降低劑量的能力。能譜CT較常規(guī)CT能夠得到更多的診斷信息,進(jìn)行一次掃描可以得到單能量圖像、能譜曲線、有效原子序數(shù)及基物質(zhì)圖,而噪聲是影響能譜CT圖像質(zhì)量重要的指標(biāo),低噪聲、高信噪比對(duì)于病變的凸顯更加有益。本研究結(jié)果顯示,在能譜CT成像中,模擬不同期相及不同部位(實(shí)質(zhì)臟器和血管)的增強(qiáng)效果的低濃度碘造影劑(3.75 mgI/mL)、高濃度碘造影劑 (15 mgI/mL)及水試管內(nèi),各單能量圖像的CT值在FBP、40% ASIR-V、True FidelityTM-DLIR-L、True FidelityTM-DLIR-M、True FidelityTM-DLIR-H差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),True FidelityTM重建算法不會(huì)影響單能量的CT值,而單能量圖像的噪聲在True FidelityTM重建算法下均較FBP及40% ASIR-V降低,圖像的信噪比明顯提高(P<0.05),True FidelityTM-DLIR-H降低噪聲最明顯,圖像信噪比最高。在3.75 mgI/mL試管內(nèi),True FidelityTM-DLIR-H較40% ASIR-V在40 keV、70 keV、100 keV圖像噪聲分別降低43.25%、41.48%及39.03%。在高濃度碘造影劑(15.00 mgI/mL)試管內(nèi),True FidelityTM-DLIR-H較40% ASIR-V在40 keV、70 keV、100 keV圖像噪聲分別降低36.53%、37.52%及38.29%。

本研究仍存在一些不足,本研究?jī)H從體模實(shí)驗(yàn)角度對(duì)能譜CT單能量圖像質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),而在實(shí)際臨床工作中,具有多樣性和復(fù)雜性,體模實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和實(shí)際臨床工作獲得的數(shù)據(jù)可能會(huì)存在一些偏差,仍需進(jìn)一步的臨床研究進(jìn)行驗(yàn)證。