人工智能模型迭代重建對低劑量腹部增強CT圖像質量的影響

曹建新, 朱卓, 許煒, 劉廷, 韓錦濤, 陳穎, 張清*

(1.武漢科技大學 附屬普仁醫院 放射科, 湖北 武漢 430081; 2. 上海聯影醫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注。迭代重建可以提升腹部增強CT圖像質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圖像重建技術降低圖像噪聲的能力顯著優于既往的迭代重建[5-10]。研究報道,一種聯合人工智能和模型迭代重建(artificial intelligence model-based iterative reconstruction, AIIR)算法被提出,該算法結合了人工智能與模型迭代重建算法的優點,能夠有效抑制噪聲,使重建出來的圖像噪聲更低、圖像質量更高[11-12]。AIIR算法有不同的重建等級,有關腹部增強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體質量指數<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個月內準備懷孕;⑤腹部有金屬植入物或內固定物;⑥存在呼吸運動偽影。本研究已獲得本院醫學倫理委員會批準(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

采用聯影320排CT(uCT 960+)完成全腹部動態增強低劑量CT檢查,掃描范圍自膈上到恥骨聯合下方。采用低劑量掃描方案,管電壓80 kV,自動管電流技術,參考管電流量320 mAs。經右肘靜脈注射碘對比劑碘海醇(350 mg I/mL),注射總量=體質量×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、單期掃描的放射劑量長度乘積,根據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檢查原始數據導入聯影科研工作站(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與傳統的模型迭代重建有明顯不同,它通過該神經網絡學習圖像中的噪聲及紋理特征,能夠根據所輸入的圖像自動識別圖像中的有用信號與噪聲,從而實現圖像質量提升與噪聲抑制。在前期網絡訓練過程中,將多組常規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絡中,經過多輪訓練,機器便能夠充分學習信號與噪聲之間的關系[11-12]。

1.5 圖像分析

在圖像后處理工作站(聯影醫療,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?？陀^參數的評估指標包括:①第一肝門水平肝右后葉正常區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(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構的噪聲。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驗的副主任醫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,圖像細節嚴重丟失致解剖結構無法分辨,銳利度差。

1.6 統計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行數據處理。對FBP、HIR和5種AIIR圖像質量的各客觀參數值總體比較時,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。圖像質量主觀評分比較采用Friedman檢驗及事后兩兩檢驗。對兩名醫師對圖像質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;體質量指數為16.2～24.9 kg/m2,平均(22.5±1.8)kg/m2;CT容積劑量指數為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 圖像質量客觀參數比較

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,而其他客觀參數值在7種不同圖像間總體比較差異均有統計學意義(表1),任意兩種圖像間事后兩兩比較結果如下: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值Table 1 Objective parameter values for different reconstructed images

2.3 圖像質量主觀評分

對圖像噪聲程度評分時,兩位醫師間一致性良好,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),且兩位醫師的觀察結果一致。

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,胃癌術后肝臟多發轉移瘤,體質量指數23.6 kg/m2,CT容積劑量指數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),且兩位醫師的觀察結果一致。

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據中噪聲的分布,導致圖像紋理結構發生變化,使圖像失真及細節丟失,如果迭代次數過多在一定程度上會影響CT診斷的準確性,因此,不宜使用過高權重的迭代重建[15]。

隨著人工智能(AI)技術的快速發展,AI技術逐漸應用于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]。關于AI圖像重建,目前大多數的AI圖像重建是以高質量下的FBP圖像或HIR圖像作為訓練模型,通過使用深度卷積神經網絡對低劑量圖像不斷進行優化,在盡量不改變圖像紋理結構的情況下來實現圖像降噪[5-10,17-19]。本研究中所使用的AIIR與目前主流的AI圖像重建技術有所不同,AIIR是將AI技術與模型迭代重建相結合,所使用的訓練數據集是數百萬由模型迭代重建方法生成的高質量/低劑量圖像對組成,是一種更為先進的圖像重建算法,結合了AI與模型迭代重建算法的優點,前期的相關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、圖像層次感及銳利度在逐漸下降,甚至存在圖像細節明顯丟失的情況。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保留完好。AIIR 3級圖像開始出現較明顯的蠟狀偽影,且層次感及圖像細節有所下降,但尚未對診斷產生影響。而部分AIIR 1級和2級圖像出現蠟狀偽影明顯的情況,導致圖像細節丟失明顯,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構,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[20]。本研究分析了不同的客觀評估參數及主觀評分后,認為在保證圖像低噪聲、無或輕微蠟狀偽影、圖像細節清晰銳利的情況下,綜合評定認為AIIR 5級和4級圖像質量最好。對各種圖像上組織和血管CT值進行評估時,發現各種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。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圖像質量的影響,并沒有與標準劑量的圖像作對比。②AIIR技術對更低劑量腹部增強CT圖像質量的提升程度有待后續的研究中進一步探討。

作者貢獻聲明

曹建新:設計實驗、評估影像、統計分析數據、撰寫與修改論文;朱卓:數據采集、評估影像;許煒:評估影像、修改論文;劉廷: 數據采集與分析;韓錦濤:圖像處理及技術培訓;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、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。