人工智能模型迭代重建对低剂量腹部增强CT图像质量的影响

曹建新, 朱卓, 许炜, 刘廷, 韩锦涛, 陈颖, 张清*

(1.武汉科技大学 附属普仁医院 放射科, 湖北 武汉 430081; 2. 上海联影医疗科技股份有限公司, 上海 201800)

腹部增强CT在临床中被广泛采用,但因其辐射剂量高被引起高度关注。迭代重建可以提升腹部增强CT图像质量并降低其辐射剂量,但其应用仍存在一定限度[1-4]。近年来,人工智能CT图像重建已在算法研究方面取得很大的进步,研究显示人工智能CT图像重建技术降低图像噪声的能力显著优于既往的迭代重建[5-10]。研究报道,一种联合人工智能和模型迭代重建(artificial intelligence model-based iterative reconstruction, AIIR)算法被提出,该算法结合了人工智能与模型迭代重建算法的优点,能够有效抑制噪声,使重建出来的图像噪声更低、图像质量更高[11-12]。AIIR算法有不同的重建等级,有关腹部增强CT扫描时最佳的AIIR等级选择目前还不确定。本研究旨在评估不同等级AIIR对低剂量腹部增强CT图像质量的影响,并探索腹部增强CT在使用AIIR时的最佳重建等级。

1 材料与方法

1.1 研究对象

于2022年5月至2023年5月间,随机选取武汉科技大学普仁医院行全腹部增强CT检查的52例患者。纳入标准:①年龄>20岁;②体质量指数<25.0 kg/m2。排除标准:①甲状腺功能亢进未治愈;②肾功能不全;③碘对比剂过敏;④孕妇或3个月内准备怀孕;⑤腹部有金属植入物或内固定物;⑥存在呼吸运动伪影。本研究已获得本院医学伦理委员会批准(审批号:2022年第00601),所有患者检查前签署研究知情同意书。

1.2 CT检查方法

采用联影320排CT(uCT 960+)完成全腹部动态增强低剂量CT检查,扫描范围自膈上到耻骨联合下方。采用低剂量扫描方案,管电压80 kV,自动管电流技术,参考管电流量320 mAs。经右肘静脉注射碘对比剂碘海醇(350 mg I/mL),注射总量=体质量×1.0 mL/kg,注射流率3.5 mL/s。所有患者行动脉期、静脉期及延迟期扫描。记录患者的CT容积剂量指数、单期扫描的放射剂量长度乘积,根据公式计算有效辐射剂量,有效辐射剂量=放射剂量长度乘积×0.015。

1.3 滤波反投影与迭代图像重建

在主台分别重建生成滤波反投影(filter back projection, FBP)图像和混合迭代重建(hybrid iterative reconstruction, HIR)图像,HIR采用Karl 5级重建,图像层厚及层间距均为1 mm。

1.4 AIIR重建

将CT检查原始数据导入联影科研工作站(探索者平台ulnnovation-CT,R001)生成AIIR 5～1级共5种图像,层厚及层间距1 mm。AIIR与传统的模型迭代重建有明显不同,它通过该神经网络学习图像中的噪声及纹理特征,能够根据所输入的图像自动识别图像中的有用信号与噪声,从而实现图像质量提升与噪声抑制。在前期网络训练过程中,将多组常规剂量的模型迭代重建图像及其相对应的模拟低剂量图像同时输入网络中,经过多轮训练,机器便能够充分学习信号与噪声之间的关系[11-12]。

1.5 图像分析

在图像后处理工作站(联影医疗,uWS-CT,版本号R005)对动脉期及静脉期FBP图像、HIR图像及5种等级的AIIR图像进行评估。客观参数的评估指标包括:①第一肝门水平肝右后叶正常区域动脉期及静脉期的CT值和标准差;②动脉期第3腰椎水平腹主动脉CT值和标准差;③动脉期第3腰椎旁腰大肌和髋臼上缘水平髂腰肌CT值的标准差;④静脉期门静脉主干CT值和标准差。感兴趣区(region of interest, ROI)面积>50 mm2,且每位患者不同图像上ROI的大小及位置保持完全一致,肝组织ROI避开血管和病变,腹主动脉及门静脉ROI应避开粥样硬化斑块及血栓。将各测量部位CT值的标准差视为相应结构的噪声。计算动脉期腹主动脉、静脉期门静脉主干的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),计算公式:SNR=CT值/噪声。

另由两名具有20年以上放射科工作经验的副主任医师采用双盲法对图像噪声及蜡状伪影情况评分。首先,对FBP、HIR及AIIR图像噪声程度评分,标准如下:1分为图像噪声非常小;2分为图像噪声轻微,无条纹状伪影,对病变观察无影响;3分为图像噪声一般,有轻微的条纹状伪影,但对病变观察基本无影响;4分为图像噪声大但能接受,有明显条纹状伪影,但对诊断影响不大;5分为图像噪声大到不能接受,有严重的条纹状伪影,无法用于诊断。随后对AIIR图像的蜡状伪影程度进行评分,标准如下:1分为无蜡状伪影,解剖细节显示清晰、层次感强、锐利度好;2分为轻微的蜡状伪影,解剖细节显示较清晰,层次感及锐利度稍低;3分为尚可接受的蜡状伪影,解剖细节显示一般,层次感及锐利度降低;4分为不能接受的蜡状伪影,图像细节显示模糊,锐利度低;5分为完全不能接受的蜡状伪影,图像细节严重丢失致解剖结构无法分辨,锐利度差。

1.6 统计学分析

采用SPSS 22.0软件进行数据处理。对FBP、HIR和5种AIIR图像质量的各客观参数值总体比较时,采用重复测量的方差分析,任意两种图像间进行事后两两比较时采用LSD法。图像质量主观评分比较采用Friedman检验及事后两两检验。对两名医师对图像质量主观评分的一致性评价,采用Kappa检验,Kappa 值≥0.75为一致性良好;0.4

2 结果

2.1 一般情况特征

52名患者中,男22例,女30例;年龄28～88岁,平均(61.5±14.0)岁;体质量指数为16.2～24.9 kg/m2,平均(22.5±1.8)kg/m2;CT容积剂量指数为5.1～7.8 mGy,平均(6.2±0.6)mGy;单期扫描放射剂量长度乘积为224～447 mGy·cm,平均(340.2±50.3)mGy·cm;有效辐射剂量为3.4～6.7 mSv,平均(5.1±0.8)mSv。

2.2 图像质量客观参数比较

动脉期和静脉期肝脏CT值在7种不同图像间比较时无明显差异,而其他客观参数值在7种不同图像间总体比较差异均有统计学意义(表1),任意两种图像间事后两两比较结果如下:①动脉期和静脉期肝脏CT值在任意两种图像间差异均无明显统计学意义(P>0.05);②AIIR图像上腹主动脉CT值和门静脉CT值均略高于FBP和HIR图像(P<0.05);③AIIR图像上肝脏、腹主动脉、门静脉、腰大肌及髂腰肌的噪声均显著低于FBP和HIR图像(P<0.01),与FBP图像相比,动脉期AIIR 5～1级图像上肝脏噪声分别下降58.8%、65.0%、71.7%、78.8%和85.4%,腹主动脉噪声分别下降59.6%、65.2%、71.5%、77.8%和83.7%,腰大肌噪声分别下降59.4%、65.4%、71.3%、78.0%和84.3%,髂腰肌噪声下降55.8%、60.6%、66.2%、71.9%和77.1%,静脉期AIIR 5～1级图像上肝脏噪声下降59.2%、65.1%、71.8%、79.0%和85.7%,门静脉噪声下降58.1%、63.3%、69.3%、75.3%和81.3%;④5种AIIR图像上腹主动脉和门静脉SNR均显著高于FBP和HIR图像(P<0.01)。

表1 不同重建图像的客观参数值Table 1 Objective parameter values for different reconstructed images

2.3 图像质量主观评分

对图像噪声程度评分时,两位医师间一致性良好,Kappa值动脉期为0.78,静脉期为0.77。噪声程度主观评分在FBP、HIR和5种AIIR图像间行总体比较时差异有统计学意义(表2), 任意两种图像间事后两两比较时,动脉期及静脉期各种AIIR图像噪声程度评分均明显低于FBP图像和HIR图像(P<0.01,图1),且两位医师的观察结果一致。

表2 不同图像噪声程度的评分Table 2 Scores of noise for different images

男性,66岁,胃癌术后肝脏多发转移瘤,体质量指数23.6 kg/m2,CT容积剂量指数5.66 mGy。A: FBP图像,噪声大有明显条纹状伪影但能接受,噪声评分4分。B: HIR图像,噪声一般有轻微条纹状伪影,噪声评分3分。C和D: AIIR 5级图像(C)和AIIR 4级图像(D),噪声非常小且无蜡状伪影,病灶细节显示清晰,噪声评分及蜡状伪影评分均为1分。 E: AIIR 3级图像,噪声非常小但有轻微的蜡状伪影,噪声评分1分,蜡状伪影评分2分。F: AIIR 2级图像,噪声非常小,但有可以接受的蜡状为影,解剖细节显示一般,噪声评分1分,蜡状伪影评分3分。G: AIIR 1级图像,噪声非常小,但有不能接受的蜡状伪影,图像细节模糊,噪声评分1分,蜡状伪影评分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.图1 腹部增强CT图像噪声及蜡状伪影程度评分Figure 1 Scores of image noise and wax artifacts of abdominal enhanced CT

对5种AIIR图像的蜡状伪影程度评分时,两位医师间的一致性较好,动脉期及静脉Kappa值均为0.71。AIIR 5级和4级图像蜡状伪影最轻(图1),5种AIIR图像蜡状伪影评分总体比较差异显著(表3),任意两种AIIR图像间事后两两比较时,动脉期和静脉期AIIR 5级和4级图像间差异均不明显(P>0.05),AIIR 5级和4级动脉期及静脉图像蜡状伪影程度评分均显著低于AIIR 3～1级图像(P<0.01),且两位医师的观察结果一致。

表3 不同AIIR图像蜡状伪影程度的评分Table 3 Scores of wax artifacts for different AIIR images

3 讨论

腹部增强CT作为腹部疾病诊断的检查方法而被广泛应用于临床,但腹部增强CT需要进行多期且大范围扫描,导致对被检者的辐射剂量过大。迭代重建算法可以显著改善低剂量CT图像质量及提高病灶检出率[1-4,13-15],但有的重建算法存在降噪能力不足的情况。另外,既往迭代重建算法在减少图像噪声与伪影的同时,有时也会改变原始数据中噪声的分布,导致图像纹理结构发生变化,使图像失真及细节丢失,如果迭代次数过多在一定程度上会影响CT诊断的准确性,因此,不宜使用过高权重的迭代重建[15]。

随着人工智能(AI)技术的快速发展,AI技术逐渐应用于CT检查中,可以大幅度降低CT检查辐射剂量和碘对比剂用量,有研究报道使用AI图像重建可以实现心血管CT超低辐射剂量和超低对比剂用量检查[6-7,11,16]。关于AI图像重建,目前大多数的AI图像重建是以高质量下的FBP图像或HIR图像作为训练模型,通过使用深度卷积神经网络对低剂量图像不断进行优化,在尽量不改变图像纹理结构的情况下来实现图像降噪[5-10,17-19]。本研究中所使用的AIIR与目前主流的AI图像重建技术有所不同,AIIR是将AI技术与模型迭代重建相结合,所使用的训练数据集是数百万由模型迭代重建方法生成的高质量/低剂量图像对组成,是一种更为先进的图像重建算法,结合了AI与模型迭代重建算法的优点,前期的相关研究也显示了其强大的降噪能力[11-12]。

本研究显示:与FBP图像相比较,AIIR图像的噪声大幅度降低,下降幅度55.8%～85.7%,且噪声显著低于HIR图像。但是不同等级的AIIR在降低图像噪声和保留图像细节方面的能力存在差异,因此,本研究探讨了在低剂量扫描情况下,AIIR不同重建等级对腹部增强CT图像质量的影响。从AIIR 5级到1级,随着重建等级的降低,图像噪声越来越低。但在重建等级逐渐降低的同时,图像的蜡状伪影逐渐加重,解剖细节、图像层次感及锐利度在逐渐下降,甚至存在图像细节明显丢失的情况。在5种AIIR图像中,AIIR 5级和4级图像无蜡状伪影或蜡状伪影轻微且图像细节保留完好。AIIR 3级图像开始出现较明显的蜡状伪影,且层次感及图像细节有所下降,但尚未对诊断产生影响。而部分AIIR 1级和2级图像出现蜡状伪影明显的情况,导致图像细节丢失明显,图像层次感明显下降,这是由于高频噪声被去除,改变了图像的纹理结构,这时需通过提升重建等级来恢复图像中的高频噪声以保留图像细节[20]。本研究分析了不同的客观评估参数及主观评分后,认为在保证图像低噪声、无或轻微蜡状伪影、图像细节清晰锐利的情况下,综合评定认为AIIR 5级和4级图像质量最好。对各种图像上组织和血管CT值进行评估时,发现各种AIIR图像上肝脏CT值与FBP、HIR图像几乎完全一致,AIIR图像上腹主动脉和门静脉CT值稍高于FBP和HIR图像,这可能与AIIR算法在训练过程中所使用的训练样本有关。因AIIR训练样本图像是由模型迭代重建获得的,有研究表明,模型迭代重建图像CT值高于HIR图像,因此AIIR图像上腹主动脉及门静脉CT值也高于FBP和HIR图像[21]。虽然本研究显示AIIR图像上腹主动脉和门静脉CT值有所增加,但AIIR图像上腹主动脉及门静脉拥有更高的SNR,因此CT值的增加有利于腹部血管的观察。

本研究没有采用更低的辐射剂量扫描方案,目的是为保证所有患者HIR图像均能够满足临床基本诊断要求,本组所有患者HIR图像未出现噪声评分为5分的情况,均能够满足临床诊断需要,图像噪声均处在一个相对合理的水平。

本研究也存在一些不足:①仅探讨了不同等级AIIR对低剂量腹部增强CT图像质量的影响,并没有与标准剂量的图像作对比。②AIIR技术对更低剂量腹部增强CT图像质量的提升程度有待后续的研究中进一步探讨。

作者贡献声明

曹建新:设计实验、评估影像、统计分析数据、撰写与修改论文;朱卓:数据采集、评估影像;许炜:评估影像、修改论文;刘廷: 数据采集与分析;韩锦涛:图像处理及技术培训;陈颖:修改论文;张清:提出研究思路和框架,修改论文。

利益冲突声明

本研究未受到企业、公司等第三方资助,不存在潜在利益冲突。