不同強(qiáng)度AIFI重建技術(shù)在上腹部MRI檢查中的應(yīng)用

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(jìn)而提高診斷準(zhǔn)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(shí)間，應(yīng)用于腹部MRI會增加呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，影響診斷結(jié)果[2-3]。基于人工智能的濾波和插值圖像(artificial intelligence based filtering and interpolation，AIFI)重建技術(shù)是一種在不延長采集時(shí)間、不損害圖像質(zhì)量前提下通過學(xué)習(xí)去除噪聲獲得高質(zhì)量圖像的技術(shù)，結(jié)合大量解剖結(jié)構(gòu)MRI 圖像和數(shù)據(jù)，可有效實(shí)現(xiàn)圖像高分辨率[4]。本研究旨在探究不同強(qiáng)度AIFI 重建技術(shù)在上腹部MRI 檢查患者中的應(yīng)用價(jià)值，以尋找其在圖像降噪中的最優(yōu)參數(shù)，現(xiàn)報(bào)道如下：

1 資料與方法

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(biāo)準(zhǔn)：①M(fèi)RI圖像無明顯運(yùn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)：①M(fèi)RI 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(shí)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(shí)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(xué)倫理委員會審核批準(zhǔn)。

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。患者取仰臥位，頭先進(jìn)，使用呼吸門控，梯度回波T1 加權(quán)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?fù)軙r(shí)間/重復(fù)時(shí)間為161.8 ms/23.2 ms，掃描時(shí)間為28 s。快速自旋回波T2加權(quán)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?fù)軙r(shí)間/重復(fù)時(shí)間為2 600 ms/99.2 ms，掃描時(shí)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?fù)軙r(shí)間/重復(fù)時(shí)間為117.6 ms/2.27 ms，掃描時(shí)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(luò)模型訓(xùn)練后的重建技術(shù)對圖像掃描的三組序列進(jìn)行重建，由于該技術(shù)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(shí)選擇所有強(qiáng)度(1、2、3、4、5)重建并對原始圖像進(jìn)行保存，其中強(qiáng)度≤3 為低AIFI 強(qiáng)度，強(qiáng)度≥4 為高AIFI 強(qiáng)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(jìn)行濾波重建，濾波根據(jù)腹部組織信號特點(diǎn)選擇中等強(qiáng)度，濾波重建包含邊緣平滑、增強(qiáng)、降噪，其中邊緣平滑使用相干濾波器進(jìn)行，增強(qiáng)根據(jù)線型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使用非銳化的經(jīng)典掩模方法進(jìn)行，降噪使用非局部均值的方法進(jìn)行。(3)AIFI、濾波同時(shí)重建：預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示強(qiáng)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(shí)選擇AIFI 強(qiáng)度2 聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波及AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(jì)算客觀圖像質(zhì)量指標(biāo)。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(shí)際操作中應(yīng)對背景信息圖像進(jìn)行去除，而使用圖像銳利度和圖像峰值信噪比來評價(jià)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(jì)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(yàn)的放射科醫(yī)生采用盲法分別對圖像質(zhì)量進(jìn)行評估并最終達(dá)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(biāo) (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(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料均符合正態(tài)分布，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示，多組間比較采用方差分析，兩兩比較采用LSDt檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

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(qiáng)度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時(shí)重建組(AIFI 強(qiáng)度2 聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波及AIFI 強(qiáng)度3 聯(lián)合中等強(qiáng)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(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，且AIFI 重建組的圖像峰值信噪比隨強(qiáng)度增強(qiáng)而增加，但三組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)；常規(guī)濾波重建組、AIFI 重建組(強(qiáng)度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時(shí)重建(AIFI 強(qiáng)度2 聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波及AIFI 強(qiáng)度3 聯(lián)合中等強(qiáng)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(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，其中AIFI 重建組AIFI 強(qiáng)度4、AIFI 和濾波同時(shí)重建組AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(shí)重建組AIFI 強(qiáng)度3 聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波圖像銳利度明顯高于AIFI重建組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(qiáng)度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時(shí)重建組(AIFI強(qiáng)度2聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波及AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(qiáng)度3、AIFI和濾波同時(shí)重建組AIFI強(qiáng)度2聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波和AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(qiáng)度4、AIFI和濾波同時(shí)重建組AIFI強(qiáng)度2聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波和AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(shí)重建組AIFI強(qiáng)度2聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波和AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(qiáng)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(jì)學(xué)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

3 討論

MRI 是目前臨床應(yīng)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(zhǔn)確定量和定性數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用于腹部檢查不僅無電離輻射還具有高對比噪聲比。基礎(chǔ)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(shí)性病變[8]。但該檢測方法極易受到呼吸運(yùn)動(dòng)影響，使得采集時(shí)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(zhǔn)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(jìn)行，但因?yàn)閳D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(jì)算時(shí)常出現(xiàn)加權(quán)核函數(shù)分配不均、算法時(shí)間復(fù)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(shù)主要通過人工智能學(xué)習(xí)技術(shù)、執(zhí)行任務(wù)、處理模型的方式，在學(xué)習(xí)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(shù)和不同強(qiáng)度AIFI重建技術(shù)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(qiáng)度AIFI重建技術(shù)在上腹部MRI檢查患者中的應(yīng)用價(jià)值，并尋找其在圖像降噪中的最優(yōu)參數(shù)。AIFI重建技術(shù)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(xué)習(xí)模型中，并與金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，再將對比的差異通過反向傳播算法對整個(gè)數(shù)據(jù)庫參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終將差異維持在一個(gè)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(quán)成像(T1WI)、快速自旋回波T2加權(quán)成像(T2WI)以及梯度回波雙回波序列中，使用AIFI重建技術(shù)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(qiáng)度的AIFI重建技術(shù)具體使用參數(shù)存在差異，但中高強(qiáng)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(shí)，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(shù)引發(fā)的噪聲變化在主觀上難以識別。且在AIFI強(qiáng)度為5時(shí)，結(jié)果顯示圖像對比度評分有下降趨勢，應(yīng)當(dāng)注意高強(qiáng)度的AIFI 可能導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)和平滑度丟失，這可能是因?yàn)樵摷夹g(shù)本身質(zhì)量較高而噪聲較低，高強(qiáng)度的AIFI 所降低的噪聲大小有限造成的。相關(guān)結(jié)果顯示，與常規(guī)濾波相比，AIFI 重建技術(shù)旨在通過人工智能深度學(xué)習(xí)如何智能降噪，從而獲得更清晰的MRI 圖像。該技術(shù)包含提取特征、學(xué)習(xí)特征、重建圖像，其中提取特征由一個(gè)3×3 的卷積層組成；學(xué)習(xí)特征改進(jìn)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(dá)能力，還增強(qiáng)了信息的流動(dòng)；重建圖像也由一個(gè)3×3 的卷積層組成[14-15]。由于圖像質(zhì)量的評價(jià)與降噪技術(shù)性能密切相關(guān)，因此在選擇AIFI強(qiáng)度時(shí)應(yīng)當(dāng)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(qiáng)度的AIFI。同時(shí)，由于在梯度回波T1 加權(quán)成像(T1WI)中，AIFI單獨(dú)重建技術(shù)無顯著優(yōu)勢，因此選擇組合方式進(jìn)行重建，由于常規(guī)濾波重建、AIFI 重建(強(qiáng)度1、2、3、4、5)以及AIFI 和濾波同時(shí)重建(AIFI 強(qiáng)度2 聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波及AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(qiáng)度3、AIFI 和濾波同時(shí)重建組AIFI強(qiáng)度2聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波和AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(qiáng)度4、AIFI 強(qiáng)度2 聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波和AIFI 強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波在圖像噪聲中明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建，AIFI、AIFI強(qiáng)度2聯(lián)合中等強(qiáng)度濾波和AIFI強(qiáng)度3聯(lián)合中等強(qiáng)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(qiáng)度4 在圖像清晰度明顯優(yōu)于常規(guī)濾波重建。因此AIFI強(qiáng)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(quán)成像(T2WI)中AIFI 強(qiáng)度4 時(shí)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(qiáng)度4時(shí)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(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，中高強(qiáng)度AIFI重建技術(shù)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(shù)，其在腹部MRI中的最優(yōu)參數(shù)T1加權(quán)成像(T1WI)為AIFI強(qiáng)度3與常規(guī)濾波組合，雙回波序列和T2加權(quán)成像(T2WI)為AIFI強(qiáng)度4。