不同强度AIFI重建技术在上腹部MRI检查中的应用

刘晖，问雷涛，闫建峰

西安高新医院放射科，陕西 西安710075

近年来，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)逐渐成为临床诊断的主要方法之一，其诊断主要依据图像成像质量。有研究指出，更好的MRI 图像质量能显著提高解剖结构的精确度和可视化，进而提高诊断准确度，提高各类疾病的早期诊断[1]。临床增加采集次数是提高图像信噪比的常用方法，但该方法会延长采集时间，应用于腹部MRI会增加呼吸运动伪影，影响诊断结果[2-3]。基于人工智能的滤波和插值图像(artificial intelligence based filtering and interpolation，AIFI)重建技术是一种在不延长采集时间、不损害图像质量前提下通过学习去除噪声获得高质量图像的技术，结合大量解剖结构MRI 图像和数据，可有效实现图像高分辨率[4]。本研究旨在探究不同强度AIFI 重建技术在上腹部MRI 检查患者中的应用价值，以寻找其在图像降噪中的最优参数，现报道如下：

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2019 年5 月至2020年5 月西安高新医院收治的66 例上腹部MRI 检查患者的临床资料。纳入标准：①MRI图像无明显运动伪影者；②经MRI扫描腹部者；③MRI扫描方案含1.2所述序列者；④病历资料完整，且能够随访调查者。排除标准：①MRI 原始图像数据被清除者；②扫描范围未扫描到上腹部全部器官者；③存在其他伪影者；④病历资料不完整者。所有患者的临床资料按照不同处理方法分为常规滤波重建组(n=22)、AIFI 重建组(n=22)及AIFI和滤波同时重建组(n=22)，其中常规滤波重建组中男性12 例，女性10 例；年龄25～79 岁，平均(39.25±1.66)岁；AIFI 重建组中男性11 例，女性11 例；年龄24～74 岁，平均(39.12±1.52)岁；AIFI和滤波同时重建组中男性13例，女性9例；年龄25～77岁，平均(39.22±1.59)岁。本研究经医院医学伦理委员会审核批准。

1.2 检查方法

1.2.1 图像扫描方法 采用上海联影医疗科技股份有限公司生产的型号为uMR588的1.5T磁共振扫描仪及其配套的脊柱线圈和体线圈。患者取仰卧位，头先进，使用呼吸门控，梯度回波T1 加权成像(T1WI)序列：成像视野为247 mm×285 mm，层间距为30 mm，层厚为6.5 mm，翻转角为60°，回拨时间/重复时间为161.8 ms/23.2 ms，扫描时间为28 s。快速自旋回波T2加权成像(T2WI)序列：成像视野为247 mm×230 mm，层间距为20 mm，层厚为6.5 mm，翻转角为90°，回拨时间/重复时间为2 600 ms/99.2 ms，扫描时间为39 s。梯度回波双回波序列：成像视野为400 mm×320 mm，层间距为30 mm，层厚为6.5 mm，翻转角为60°，回拨时间/重复时间为117.6 ms/2.27 ms，扫描时间为29 s。

1.2.2 图像重建方法 (1)AIFI重建：使用基于解码和编码的卷积神经网络模型训练后的重建技术对图像扫描的三组序列进行重建，由于该技术覆盖大量不同解剖结构的MRI图像和数据，因此在选择时选择所有强度(1、2、3、4、5)重建并对原始图像进行保存，其中强度≤3 为低AIFI 强度，强度≥4 为高AIFI 强度。(2)常规滤波重建：将图像扫描得到的三组原始数据进行滤波重建，滤波根据腹部组织信号特点选择中等强度，滤波重建包含边缘平滑、增强、降噪，其中边缘平滑使用相干滤波器进行，增强根据线型结构强度使用非锐化的经典掩模方法进行，降噪使用非局部均值的方法进行。(3)AIFI、滤波同时重建：预实验结果显示强度或高或低，重建后图像质量与单一滤波、AIFI 重建无显著差异，因此在重建时选择AIFI 强度2 联合中等强度滤波及AIFI强度3联合中等强度滤波两种组合方案重建图像两组。

1.2.3 图像评估方法 选取三种重建方法重建后图像中包含肝脏最大横截面积的层面，并计算客观图像质量指标。由于重建后所得图像经处理后背景噪声分布与人体组织内的噪声差异较大，因此在实际操作中应对背景信息图像进行去除，而使用图像锐利度和图像峰值信噪比来评价分辨率及降噪性能。图像峰值信噪比=101 gf2max/MSE，其中MSE 为使用无法参考图像的噪声方差估计方法[5]所得均方误差，fmax为最大图像灰度值；图像锐利度为图像在频域中的有效信号占比[6]。经两名10年及以上工作经验的放射科医生采用盲法分别对图像质量进行评估并最终达成一致意见，评估工具使用4分量表[7]：优秀，4分；良好，3分；一般，2 分；差，1 分，评估内容为图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度。

1.3 观察指标 (1)比较三组患者的图像锐利度和图像峰值信噪比；(2)比较三组患者的图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度评分。

1.4 统计学方法 应用SPSS19.0 软件进行数据分析。计量资料均符合正态分布，以均数±标准差()表示，多组间比较采用方差分析，两两比较采用LSDt检验。以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 三组患者的图像锐利度和图像峰值信噪比比较 常规滤波重建组、AIFI重建组(强度1、2、3、4、5)以及AIFI 和滤波同时重建组(AIFI 强度2 联合中等强度滤波及AIFI 强度3 联合中等强度滤波)图像峰值信噪比与原始图像比较具有一定优势，差异均有统计学意义(P＜0.05)，且AIFI 重建组的图像峰值信噪比随强度增强而增加，但三组间比较差异无统计学意义(P＞0.05)；常规滤波重建组、AIFI 重建组(强度1、2、3、4、5)以及AIFI 和滤波同时重建(AIFI 强度2 联合中等强度滤波及AIFI 强度3 联合中等强度滤波)组图像锐利度与原始图像比较也具有一定优势，差异均有统计学意义(P＜0.05)，其中AIFI 重建组AIFI 强度4、AIFI 和滤波同时重建组AIFI强度3联合中等强度滤波图像锐利度明显高于常规滤波重建组，且AIFI和滤波同时重建组AIFI 强度3 联合中等强度滤波图像锐利度明显高于AIFI重建组，差异有统计学意义(P＜0.05)，见表1。

表1 三组患者的图像锐利度和图像峰值信噪比比较()

表1 三组患者的图像锐利度和图像峰值信噪比比较()

注：与原始图像组比较，aP＜0.05；与常规滤波重建组比较，bP＜0.05；与AIFI重建组比较，cP＜0.05。

2.2 三组患者的图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度评分比较 常规滤波重建组、AIFI 重建组(强度1、2、3、4、5)以及AIFI 和滤波同时重建组(AIFI强度2联合中等强度滤波及AIFI强度3联合中等强度滤波)图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度均显著优于原始图像，且AIFI重建组强度3、AIFI和滤波同时重建组AIFI强度2联合中等强度滤波和AIFI强度3联合中等强度滤波在图像对比度中明显优于常规滤波重建组，AIFI重建组强度4、AIFI和滤波同时重建组AIFI强度2联合中等强度滤波和AIFI强度3联合中等强度滤波在图像噪声中明显优于常规滤波重建组，AIFI和滤波同时重建组AIFI强度2联合中等强度滤波和AIFI强度3联合中等强度滤波在图像质量中明显优于常规滤波重建组，AIFI重建组强度4在图像清晰度明显优于常规滤波重建组，差异均有统计学意义(P＜0.05)，见表2。不同图像重建方法降噪性能见图1。

表2 三组图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度评分比较(，分)

表2 三组图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度评分比较(，分)

注：与原始图像组比较，aP＜0.05；与常规滤波重建组比较，bP＜0.05；与AIFI重建组比较，cP＜0.05。

图1 不同图像重建方法降噪性能

3 讨论

MRI 是目前临床应用较广的一种成像模式，其可通过提供多种参数全面评估组织特征准确定量和定性数据，将其应用于腹部检查不仅无电离辐射还具有高对比噪声比。基础序列T1 能检测高蛋白含量、出血、脂肪等，使用梯度回波则可获得双回波图像，从而检测上腹部肝脏病变等；T2 序列能检测液体含量等，可有效区分囊样局灶性和实性病变[8]。但该检测方法极易受到呼吸运动影响，使得采集时间延长，难以保障最终图像分辨率和图像质量。因此，临床发现一种降低噪声、提高图像信噪比的检查方法对于精确显示组织解剖结构、提升诊断准确度具有重要意义。

常规滤波降噪主要通过非局部均值滤波算法进行，但因为图像存在大量相似图像块等冗余信息，位置常发生变化，然而灰度信心却极其相近，因此在计算时常出现加权核函数分配不均、算法时间复杂度高、边缘纹理模糊等问题，最终影响降噪效果[9-10]。AIFI重建技术主要通过人工智能学习技术、执行任务、处理模型的方式，在学习中不断优化参数[11]，其在降低图像噪声方面优势显著。本研究中，将临床原始数据作为对照，通过比较常规滤波技术和不同强度AIFI重建技术间的图像锐利度和图像峰值信噪比、图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度，探究不同强度AIFI重建技术在上腹部MRI检查患者中的应用价值，并寻找其在图像降噪中的最优参数。AIFI重建技术即基于MRI系统所收集的数据，将其输入到人工智能深度学习模型中，并与金标准进行对比，再将对比的差异通过反向传播算法对整个数据库参数进行调整，最终将差异维持在一个较小且稳定的范围内[12-13]。本研究中，在梯度回波T1加权成像(T1WI)、快速自旋回波T2加权成像(T2WI)以及梯度回波双回波序列中，使用AIFI重建技术和常规滤波降噪后图像质量显著优于原始图像，虽然本研究不同强度的AIFI重建技术具体使用参数存在差异，但中高强度的AIFI 和组合重建方式较常规滤波可获得更高的图像质量。同时，三序列中AIFI重建的图像峰值信噪比与常规滤波间无显著差异，提示AIFI重建技术引发的噪声变化在主观上难以识别。且在AIFI强度为5时，结果显示图像对比度评分有下降趋势，应当注意高强度的AIFI 可能导致图像细节和平滑度丢失，这可能是因为该技术本身质量较高而噪声较低，高强度的AIFI 所降低的噪声大小有限造成的。相关结果显示，与常规滤波相比，AIFI 重建技术旨在通过人工智能深度学习如何智能降噪，从而获得更清晰的MRI 图像。该技术包含提取特征、学习特征、重建图像，其中提取特征由一个3×3 的卷积层组成；学习特征改进了解码和编码框架，其采样操作充分融合了不同层级、不同尺度的图像特征，不仅提高了特征的表达能力，还增强了信息的流动；重建图像也由一个3×3 的卷积层组成[14-15]。由于图像质量的评价与降噪技术性能密切相关，因此在选择AIFI强度时应当将图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度等主观图像质量评分控制在合理范围内，尽量选择中高强度的AIFI。同时，由于在梯度回波T1 加权成像(T1WI)中，AIFI单独重建技术无显著优势，因此选择组合方式进行重建，由于常规滤波重建、AIFI 重建(强度1、2、3、4、5)以及AIFI 和滤波同时重建(AIFI 强度2 联合中等强度滤波及AIFI强度3联合中等强度滤波)图像对比度、图像噪声、图像质量、图像清晰度均显著优于原始图像，且AIFI 重建强度3、AIFI 和滤波同时重建组AIFI强度2联合中等强度滤波和AIFI强度3联合中等强度滤波在图像对比度中明显优于常规滤波重建，AIFI重建组强度4、AIFI 强度2 联合中等强度滤波和AIFI 强度3联合中等强度滤波在图像噪声中明显优于常规滤波重建，AIFI、AIFI强度2联合中等强度滤波和AIFI强度3联合中等强度滤波在图像质量中明显优于常规滤波重建，AIFI 重建组强度4 在图像清晰度明显优于常规滤波重建。因此AIFI强度3与常规滤波组合可获得理想的客观图像质量，快速自旋回波T2 加权成像(T2WI)中AIFI 强度4 时可获得最佳客观图像质量，同理梯度回波双回波序列中AIFI强度4时可获得最佳客观图像质量。但本研究也存在一定局限性，不仅样本量较少且为单中心研究，且未将降噪后图像质量对疾病诊断的影响纳入研究，因此临床还需要大规模多中心临床试验进行验证。

综上所述，中高强度AIFI重建技术的降噪表现与常规滤波比较表现更优，是一种前景良好的降噪技术，其在腹部MRI中的最优参数T1加权成像(T1WI)为AIFI强度3与常规滤波组合，双回波序列和T2加权成像(T2WI)为AIFI强度4。