劉暉,問雷濤,閆建峰
西安高新醫(yī)院放射科,陜西 西安710075
近年來,磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)逐漸成為臨床診斷的主要方法之一,其診斷主要依據(jù)圖像成像質(zhì)量。有研究指出,更好的MRI 圖像質(zhì)量能顯著提高解剖結(jié)構(gòu)的精確度和可視化,進而提高診斷準確度,提高各類疾病的早期診斷[1]。臨床增加采集次數(shù)是提高圖像信噪比的常用方法,但該方法會延長采集時間,應用于腹部MRI會增加呼吸運動偽影,影響診斷結(jié)果[2-3]?;谌斯ぶ悄艿臑V波和插值圖像(artificial intelligence based filtering and interpolation,AIFI)重建技術是一種在不延長采集時間、不損害圖像質(zhì)量前提下通過學習去除噪聲獲得高質(zhì)量圖像的技術,結(jié)合大量解剖結(jié)構(gòu)MRI 圖像和數(shù)據(jù),可有效實現(xiàn)圖像高分辨率[4]。本研究旨在探究不同強度AIFI 重建技術在上腹部MRI 檢查患者中的應用價值,以尋找其在圖像降噪中的最優(yōu)參數(shù),現(xiàn)報道如下:
1.1 一般資料 回顧性分析2019 年5 月至2020年5 月西安高新醫(yī)院收治的66 例上腹部MRI 檢查患者的臨床資料。納入標準:①MRI圖像無明顯運動偽影者;②經(jīng)MRI掃描腹部者;③MRI掃描方案含1.2所述序列者;④病歷資料完整,且能夠隨訪調(diào)查者。排除標準:①MRI 原始圖像數(shù)據(jù)被清除者;②掃描范圍未掃描到上腹部全部器官者;③存在其他偽影者;④病歷資料不完整者。所有患者的臨床資料按照不同處理方法分為常規(guī)濾波重建組(n=22)、AIFI 重建組(n=22)及AIFI和濾波同時重建組(n=22),其中常規(guī)濾波重建組中男性12 例,女性10 例;年齡25~79 歲,平均(39.25±1.66)歲;AIFI 重建組中男性11 例,女性11 例;年齡24~74 歲,平均(39.12±1.52)歲;AIFI和濾波同時重建組中男性13例,女性9例;年齡25~77歲,平均(39.22±1.59)歲。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會審核批準。
1.2 檢查方法
1.2.1 圖像掃描方法 采用上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司生產(chǎn)的型號為uMR588的1.5T磁共振掃描儀及其配套的脊柱線圈和體線圈?;颊呷⊙雠P位,頭先進,使用呼吸門控,梯度回波T1 加權成像(T1WI)序列:成像視野為247 mm×285 mm,層間距為30 mm,層厚為6.5 mm,翻轉(zhuǎn)角為60°,回撥時間/重復時間為161.8 ms/23.2 ms,掃描時間為28 s??焖僮孕夭═2加權成像(T2WI)序列:成像視野為247 mm×230 mm,層間距為20 mm,層厚為6.5 mm,翻轉(zhuǎn)角為90°,回撥時間/重復時間為2 600 ms/99.2 ms,掃描時間為39 s。梯度回波雙回波序列:成像視野為400 mm×320 mm,層間距為30 mm,層厚為6.5 mm,翻轉(zhuǎn)角為60°,回撥時間/重復時間為117.6 ms/2.27 ms,掃描時間為29 s。
1.2.2 圖像重建方法 (1)AIFI重建:使用基于解碼和編碼的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練后的重建技術對圖像掃描的三組序列進行重建,由于該技術覆蓋大量不同解剖結(jié)構(gòu)的MRI圖像和數(shù)據(jù),因此在選擇時選擇所有強度(1、2、3、4、5)重建并對原始圖像進行保存,其中強度≤3 為低AIFI 強度,強度≥4 為高AIFI 強度。(2)常規(guī)濾波重建:將圖像掃描得到的三組原始數(shù)據(jù)進行濾波重建,濾波根據(jù)腹部組織信號特點選擇中等強度,濾波重建包含邊緣平滑、增強、降噪,其中邊緣平滑使用相干濾波器進行,增強根據(jù)線型結(jié)構(gòu)強度使用非銳化的經(jīng)典掩模方法進行,降噪使用非局部均值的方法進行。(3)AIFI、濾波同時重建:預實驗結(jié)果顯示強度或高或低,重建后圖像質(zhì)量與單一濾波、AIFI 重建無顯著差異,因此在重建時選擇AIFI 強度2 聯(lián)合中等強度濾波及AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波兩種組合方案重建圖像兩組。
1.2.3 圖像評估方法 選取三種重建方法重建后圖像中包含肝臟最大橫截面積的層面,并計算客觀圖像質(zhì)量指標。由于重建后所得圖像經(jīng)處理后背景噪聲分布與人體組織內(nèi)的噪聲差異較大,因此在實際操作中應對背景信息圖像進行去除,而使用圖像銳利度和圖像峰值信噪比來評價分辨率及降噪性能。圖像峰值信噪比=101 gf2max/MSE,其中MSE 為使用無法參考圖像的噪聲方差估計方法[5]所得均方誤差,fmax為最大圖像灰度值;圖像銳利度為圖像在頻域中的有效信號占比[6]。經(jīng)兩名10年及以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)生采用盲法分別對圖像質(zhì)量進行評估并最終達成一致意見,評估工具使用4分量表[7]:優(yōu)秀,4分;良好,3分;一般,2 分;差,1 分,評估內(nèi)容為圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度。
1.3 觀察指標 (1)比較三組患者的圖像銳利度和圖像峰值信噪比;(2)比較三組患者的圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度評分。
1.4 統(tǒng)計學方法 應用SPSS19.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析。計量資料均符合正態(tài)分布,以均數(shù)±標準差()表示,多組間比較采用方差分析,兩兩比較采用LSDt檢驗。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。
2.1 三組患者的圖像銳利度和圖像峰值信噪比比較 常規(guī)濾波重建組、AIFI重建組(強度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時重建組(AIFI 強度2 聯(lián)合中等強度濾波及AIFI 強度3 聯(lián)合中等強度濾波)圖像峰值信噪比與原始圖像比較具有一定優(yōu)勢,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05),且AIFI 重建組的圖像峰值信噪比隨強度增強而增加,但三組間比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05);常規(guī)濾波重建組、AIFI 重建組(強度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時重建(AIFI 強度2 聯(lián)合中等強度濾波及AIFI 強度3 聯(lián)合中等強度濾波)組圖像銳利度與原始圖像比較也具有一定優(yōu)勢,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05),其中AIFI 重建組AIFI 強度4、AIFI 和濾波同時重建組AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波圖像銳利度明顯高于常規(guī)濾波重建組,且AIFI和濾波同時重建組AIFI 強度3 聯(lián)合中等強度濾波圖像銳利度明顯高于AIFI重建組,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05),見表1。
表1 三組患者的圖像銳利度和圖像峰值信噪比比較()
表1 三組患者的圖像銳利度和圖像峰值信噪比比較()
注:與原始圖像組比較,aP<0.05;與常規(guī)濾波重建組比較,bP<0.05;與AIFI重建組比較,cP<0.05。
2.2 三組患者的圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度評分比較 常規(guī)濾波重建組、AIFI 重建組(強度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時重建組(AIFI強度2聯(lián)合中等強度濾波及AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波)圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度均顯著優(yōu)于原始圖像,且AIFI重建組強度3、AIFI和濾波同時重建組AIFI強度2聯(lián)合中等強度濾波和AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波在圖像對比度中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建組,AIFI重建組強度4、AIFI和濾波同時重建組AIFI強度2聯(lián)合中等強度濾波和AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波在圖像噪聲中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建組,AIFI和濾波同時重建組AIFI強度2聯(lián)合中等強度濾波和AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波在圖像質(zhì)量中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建組,AIFI重建組強度4在圖像清晰度明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建組,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05),見表2。不同圖像重建方法降噪性能見圖1。
表2 三組圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度評分比較(,分)
表2 三組圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度評分比較(,分)
注:與原始圖像組比較,aP<0.05;與常規(guī)濾波重建組比較,bP<0.05;與AIFI重建組比較,cP<0.05。
圖1 不同圖像重建方法降噪性能
MRI 是目前臨床應用較廣的一種成像模式,其可通過提供多種參數(shù)全面評估組織特征準確定量和定性數(shù)據(jù),將其應用于腹部檢查不僅無電離輻射還具有高對比噪聲比?;A序列T1 能檢測高蛋白含量、出血、脂肪等,使用梯度回波則可獲得雙回波圖像,從而檢測上腹部肝臟病變等;T2 序列能檢測液體含量等,可有效區(qū)分囊樣局灶性和實性病變[8]。但該檢測方法極易受到呼吸運動影響,使得采集時間延長,難以保障最終圖像分辨率和圖像質(zhì)量。因此,臨床發(fā)現(xiàn)一種降低噪聲、提高圖像信噪比的檢查方法對于精確顯示組織解剖結(jié)構(gòu)、提升診斷準確度具有重要意義。
常規(guī)濾波降噪主要通過非局部均值濾波算法進行,但因為圖像存在大量相似圖像塊等冗余信息,位置常發(fā)生變化,然而灰度信心卻極其相近,因此在計算時常出現(xiàn)加權核函數(shù)分配不均、算法時間復雜度高、邊緣紋理模糊等問題,最終影響降噪效果[9-10]。AIFI重建技術主要通過人工智能學習技術、執(zhí)行任務、處理模型的方式,在學習中不斷優(yōu)化參數(shù)[11],其在降低圖像噪聲方面優(yōu)勢顯著。本研究中,將臨床原始數(shù)據(jù)作為對照,通過比較常規(guī)濾波技術和不同強度AIFI重建技術間的圖像銳利度和圖像峰值信噪比、圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度,探究不同強度AIFI重建技術在上腹部MRI檢查患者中的應用價值,并尋找其在圖像降噪中的最優(yōu)參數(shù)。AIFI重建技術即基于MRI系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù),將其輸入到人工智能深度學習模型中,并與金標準進行對比,再將對比的差異通過反向傳播算法對整個數(shù)據(jù)庫參數(shù)進行調(diào)整,最終將差異維持在一個較小且穩(wěn)定的范圍內(nèi)[12-13]。本研究中,在梯度回波T1加權成像(T1WI)、快速自旋回波T2加權成像(T2WI)以及梯度回波雙回波序列中,使用AIFI重建技術和常規(guī)濾波降噪后圖像質(zhì)量顯著優(yōu)于原始圖像,雖然本研究不同強度的AIFI重建技術具體使用參數(shù)存在差異,但中高強度的AIFI 和組合重建方式較常規(guī)濾波可獲得更高的圖像質(zhì)量。同時,三序列中AIFI重建的圖像峰值信噪比與常規(guī)濾波間無顯著差異,提示AIFI重建技術引發(fā)的噪聲變化在主觀上難以識別。且在AIFI強度為5時,結(jié)果顯示圖像對比度評分有下降趨勢,應當注意高強度的AIFI 可能導致圖像細節(jié)和平滑度丟失,這可能是因為該技術本身質(zhì)量較高而噪聲較低,高強度的AIFI 所降低的噪聲大小有限造成的。相關結(jié)果顯示,與常規(guī)濾波相比,AIFI 重建技術旨在通過人工智能深度學習如何智能降噪,從而獲得更清晰的MRI 圖像。該技術包含提取特征、學習特征、重建圖像,其中提取特征由一個3×3 的卷積層組成;學習特征改進了解碼和編碼框架,其采樣操作充分融合了不同層級、不同尺度的圖像特征,不僅提高了特征的表達能力,還增強了信息的流動;重建圖像也由一個3×3 的卷積層組成[14-15]。由于圖像質(zhì)量的評價與降噪技術性能密切相關,因此在選擇AIFI強度時應當將圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度等主觀圖像質(zhì)量評分控制在合理范圍內(nèi),盡量選擇中高強度的AIFI。同時,由于在梯度回波T1 加權成像(T1WI)中,AIFI單獨重建技術無顯著優(yōu)勢,因此選擇組合方式進行重建,由于常規(guī)濾波重建、AIFI 重建(強度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時重建(AIFI 強度2 聯(lián)合中等強度濾波及AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波)圖像對比度、圖像噪聲、圖像質(zhì)量、圖像清晰度均顯著優(yōu)于原始圖像,且AIFI 重建強度3、AIFI 和濾波同時重建組AIFI強度2聯(lián)合中等強度濾波和AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波在圖像對比度中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建,AIFI重建組強度4、AIFI 強度2 聯(lián)合中等強度濾波和AIFI 強度3聯(lián)合中等強度濾波在圖像噪聲中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建,AIFI、AIFI強度2聯(lián)合中等強度濾波和AIFI強度3聯(lián)合中等強度濾波在圖像質(zhì)量中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建,AIFI 重建組強度4 在圖像清晰度明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建。因此AIFI強度3與常規(guī)濾波組合可獲得理想的客觀圖像質(zhì)量,快速自旋回波T2 加權成像(T2WI)中AIFI 強度4 時可獲得最佳客觀圖像質(zhì)量,同理梯度回波雙回波序列中AIFI強度4時可獲得最佳客觀圖像質(zhì)量。但本研究也存在一定局限性,不僅樣本量較少且為單中心研究,且未將降噪后圖像質(zhì)量對疾病診斷的影響納入研究,因此臨床還需要大規(guī)模多中心臨床試驗進行驗證。
綜上所述,中高強度AIFI重建技術的降噪表現(xiàn)與常規(guī)濾波比較表現(xiàn)更優(yōu),是一種前景良好的降噪技術,其在腹部MRI中的最優(yōu)參數(shù)T1加權成像(T1WI)為AIFI強度3與常規(guī)濾波組合,雙回波序列和T2加權成像(T2WI)為AIFI強度4。