深度学习图像重建算法对能谱CT单能量图像质量影响的体模研究

赵艳红,马保龙,町田治彦,沈 云,张晓文,石骁萌,苏治祥,张 涛

能谱CT具有多参数成像,可以进行组织功能状态分析,进而在临床上得到了越来越广泛的应用。但是与常规CT一样,辐射剂量问题也是能谱CT研究的重要热点之一。目前,迭代重建算法在降低CT辐射剂量及图像噪声方面发挥了重要的作用,但是过高权重的迭代重建算法会降低空间分辨率,特别是对于低剂量目标而言,这个问题更加严重,同时过高权重的迭代重建算法会改变图像的纹理特征,使图像过于平滑,造成所谓的“蜡像样伪影”[1],这会影响细微病变结构的显示,妨碍了高权重迭代的应用,从而限制了其在临床应用中减少剂量的潜力。近几年来,人工智能飞速发展,它不仅在影像诊断效能提高方面有了很大的应用[2-4],而且基于深度学习的重建算法(DLIR)已被证实可以提高CT图像质量[5-9],但是DLIR对常规扫描模式的图像质量的影响报道较少,特别是几乎没有发现DLIR对能谱扫描模式的图像质量影响的报道。本研究使用能谱扫描模式,对比APEX CT标配的深度学习重建算法(True FidelityTM)与混合迭代重建算法(ASIR-V)及滤波反投影算法(FBP)图像质量的差异,探讨True FidelityTM对能谱CT单能量图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 将9支装有不同管径及(可模拟不同期相及不同血管等的)不同浓度碘造影剂及水和钙溶液的聚丙烯试管放置在一个直径为20 cm的圆柱形聚丙烯体模(QSP)内,中央为高浓度碘造影剂,外周环绕其他不同浓度碘造影剂及水、钙溶液试管,排列顺序见图1a和1b(目次后)。

1.2 仪器与方法 采用Revolution APEX CT对体模进行能谱CT成像,管电压80～140 keV瞬时切换,管电流自动毫安秒,40% ASiR-V迭代重建(常规临床检查参数),扫描后将图像用FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)重建算法进行图像重建。

1.3 图像分析 扫描结束后将图像传输至ADW4.7工作站进行图像分析,利用能谱分析软件重建出40～140 keV单能量图像及能谱曲线,选取碘造影剂浓度为3.75 mgI/mL (可模拟延迟期或实质脏器增强等)、15.00 mgI/mL(可模拟动脉期的腹主动脉)及Water(可模拟平扫期及囊肿、肌肉等用于图像背景的非增强物质)3支试管进行数据测量,分别在FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5组图像选取11个层面放置兴趣区进行测量,ROI大小、位置一致,ROI大小为100 mm2,测量单能量图像(40 keV、70 keV、100 keV)的CT值及图像噪声,计算各图像的信噪比。

1.4 统计学方法 选用SPSS 24.0统计软件,利用方差分析比较FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5组图像中3.75 mgI/mL、15.00 mgI/mL及Water 3支试管内单能量图像的CT值、图像噪声及图像信噪比的差异。

2 结果

模拟不同期相及不同部位(实质脏器和血管)的增强效果的低浓度碘造影剂(3.75 mgI/mL)、高浓度碘造影剂 (15.00 mgI/mL)及水试管内FBP、40% ASIR-V及True FidelityTM(DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H)5组40 keV、70 keV、100 keV的CT值比较差异无统计学意义(P>0.05)。40 keV、70 keV、100 keV图像噪声及信噪比5组比较差异均有统计学意义(P<0.05),True FidelityTM下的噪声值均较FBP及40% ASIR-V降低,图像信噪比提高,True FidelityTM-DLIR-H噪声最小,信噪比最高,见表1至表3。

表1 碘造影剂浓度为3.75 mgI/ml试管图像质量的对比

表2 碘造影剂浓度为15.00 mgI/ml试管图像质量的对比

表3 水试管图像质量的对比

3 讨论

重建算法在CT成像中具有重要的作用,FBP是CT传统的重建算法,可以快速准确地进行图像重建,但是,在低辐射剂量下,图像噪声和伪影就会增加,进而影响诊断。近些年来广泛应用的迭代重建算法虽然可以降低图像噪声、提高图像质量,但是仍受到高权重时的分辨率的降低及图像噪声纹理被改变的影响,具有一定的局限性,GE APEX CT标配的基于深度学习的重建算法True FidelityTM使用深度卷积神经网络,利用高质量的FBP数据集训练,可以在不改变图像纹理及分辨率的情况下降低图像噪声[10]。

有相关体模研究显示[11],True FidelityTM与迭代重建算法相比,在不改变图像纹理的情况下噪声降低40%～70%,高对比空间分辨率最多提高3%～32%,低对比空间分辨率最多提高18%～46%,检测能力提高50%～80%,降低辐射剂量的能力提高25%～61%。有临床研究结果显示[12-13],针对多个解剖部位,True FidelityTM不仅可以降低噪声和伪影,提高SNR和CNR,而且还能提高整体图像质量、结构细节显示及医生的诊断信心,有极强的降低剂量的能力。能谱CT较常规CT能够得到更多的诊断信息,进行一次扫描可以得到单能量图像、能谱曲线、有效原子序数及基物质图,而噪声是影响能谱CT图像质量重要的指标,低噪声、高信噪比对于病变的凸显更加有益。本研究结果显示,在能谱CT成像中,模拟不同期相及不同部位(实质脏器和血管)的增强效果的低浓度碘造影剂(3.75 mgI/mL)、高浓度碘造影剂 (15 mgI/mL)及水试管内,各单能量图像的CT值在FBP、40% ASIR-V、True FidelityTM-DLIR-L、True FidelityTM-DLIR-M、True FidelityTM-DLIR-H差异无统计学意义(P>0.05),True FidelityTM重建算法不会影响单能量的CT值,而单能量图像的噪声在True FidelityTM重建算法下均较FBP及40% ASIR-V降低,图像的信噪比明显提高(P<0.05),True FidelityTM-DLIR-H降低噪声最明显,图像信噪比最高。在3.75 mgI/mL试管内,True FidelityTM-DLIR-H较40% ASIR-V在40 keV、70 keV、100 keV图像噪声分别降低43.25%、41.48%及39.03%。在高浓度碘造影剂(15.00 mgI/mL)试管内,True FidelityTM-DLIR-H较40% ASIR-V在40 keV、70 keV、100 keV图像噪声分别降低36.53%、37.52%及38.29%。

本研究仍存在一些不足,本研究仅从体模实验角度对能谱CT单能量图像质量进行了评价,而在实际临床工作中,具有多样性和复杂性,体模实验的数据和实际临床工作获得的数据可能会存在一些偏差,仍需进一步的临床研究进行验证。