[논문 리뷰] Admire vs. Safire: Objective comparison of CT reconstruction algorithms and their noise properties

Ingvild Dalehaug, Kirsten Nygaard Bolstad외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 31.

Radiation Dose and Imaging참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 소음 파wer 스펙트럼(NPS) 분석과 이미지 간 표준편차 맵을 사용하여 CT 영상에서 시emens의 ADMIRE 및 SAFIRE 반복 재구성 알고리즘의 소음 감소 성능을 객관적으로 비교한다. 결과적으로 ADMIRE는 가장자리 근처의 소음을 SAFIRE보다 더 효과적으로 감소시키지만, 소음 텍스처 보존 측면에선 유의미한 향상이 관찰되지 않았으며, 저선량에서 낮은 공간 주파수로의 이동으로 인해 ADMIRE는 더 뿌연 이미지 텍스처를 유도한다.

ABSTRACT

Purpose: Siemens has developed several iterative reconstruction (IR) algorithms on their CT scanners. SAFIRE is available on most of their CT scanners. The latest algorithm, ADMIRE, is available on their newest high-end CT scanners. The aim of our study was to compare the noise reduction properties of the two IR algorithms using objective methods. Methods and Materials: The homogeneous module of the Catphan phantom was scanned on a Siemens AS+ and a Siemens Flash CT scanner using an axial abdomen protocol with fixed tube current at two dose levels. The images were reconstructed with an abdomen filter (B30) using filtered back projection (FBP) and a low, medium, and high level of SAFIRE or ADMIRE. Noise Power Spectrum (NPS) curves were calculated using these images. Then, an anthropomorphic abdomen phantom (Kyoto Kagaku PH-5) was scanned using the same setup and exposure parameters. Fifty axial images at the same slice location were used to calculate inter-image standard deviation maps. Results: At full dose, the median values of the NPS curves were similar for both scanners at all IR levels. At low dose the median values of the NPS curves were generally shifted towards lower spatial frequencies, usually resulting in a more blotchy image texture. This shift was more prominent for ADMIRE compared to SAFIRE for all IR levels. Based on the inter-image standard deviation maps of the anthropomorphic phantom, ADMIRE removed noise near edges more efficiently than SAFIRE. Conclusion: No significant improvement in maintaining noise structure were found for the ADMIRE algorithm. Based on the inter-image standard deviation maps, ADMIRE removed noise near edges more efficiently than SAFIRE.

연구 동기 및 목표

• CT 영상에서 두 반복 재구성 알고리즘인 ADMIRE와 SAFIRE의 소음 감소 성능을 객관적으로 평가하고 비교하는 것.
• 각 알고리즘이 소음 텍스처 및 공간 주파수 분포에 미치는 영향을 정량적 지표를 사용해 평가하는 것.
• 특히 저선량 프로토콜에서 ADMIRE가 SAFIRE보다 소음 구조 보존 측면에서 뛰어나다는지 조사하는 것.
• 동일한 스캔 조건에서 균일한 및 인체형 토모그래프를 사용하여 두 알고리즘의 성능을 평가하는 것.

제안 방법

• 두 대의 시emens CT 스캐너(AS+ 및 플래시)에서 축성 복부 프로토콜을 사용해 고정형 Catphan 토모그래프의 균일 모듈을 스캔하고, 두 선량 수준(전량 및 저선량)에서 이미지를 재구성한다.
• 필터드 백프로젝션(FBP) 및 세 단계(저, 중, 고)의 SAFIRE 및 ADMIRE를 복부 전용 커널(B30)을 사용해 재구성한다.
• 재구성된 이미지에서 소음 파워 스펙트럼(NPS) 곡선을 계산하여 소음의 공간 주파수 분포를 분석한다.
• 인체형 복부 토모그래프(Kyoto Kagaku PH-5)를 스캔하여 반복 스캔 간 소음 변동성을 평가한다.
• 동일 해부학적 위치의 50개 축성 단면에서 이미지 간 표준편차 맵을 계산하여 반복 스캔 간 소음 변동성을 정량화한다.
• 다양한 선량 수준에서 ADMIRE와 SAFIRE 간 NPS 중앙값 및 표준편차 맵을 통계적으로 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전량 및 저선량에서 ADMIRE와 SAFIRE의 소음 파워 스펙트럼(NPS) 중앙값은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 특히 공간 주파수 분포 측면에서 ADMIRE는 SAFIRE보다 소음 텍스처를 더 잘 보존하는가?
• RQ3 ADMIRE는 SAFIRE에 비해 해부학적 가장자리 근처에서 소음을 얼마나 더 효과적으로 감소시키는가?
• RQ4 저선량에서 ADMIRE와 SAFIRE 간 NPS 곡선이 낮은 공간 주파수로의 이동 정도는 어떻게 다른가?
• RQ5 ADMIRE는 SAFIRE에 비해 반복 스캔 간 소음 일관성에 유의미한 향상이 있는가?

주요 결과

• 전량 선량에서, 두 스캐너에서 모두 모든 반복 재구성 수준에서 ADMIRE와 SAFIRE의 NPS 중앙값은 유사했다.
• 저선량에서, 두 알고리즘이 모두 NPS 곡선을 낮은 공간 주파수로 이동시켰지만, ADMIRE에서의 이동 폭이 SAFIRE보다 더 뚜렷했다.
• ADMIRE에서 낮은 공간 주파수로의 이동은 SAFIRE에 비해 더 뿌연 이미지 텍스처를 초래했다.
• 이미지 간 표준편차 맵 분석 결과, ADMIRE는 가장자리 근처에서 소음을 SAFIRE보다 더 효과적으로 감소시켰다.
• 가장자리 소음 감소 성능이 뛰어나도, ADMIRE는 SAFIRE에 비해 소음 구조 보존 측면에서 유의미한 향상이 없었다.
• 이 연구에서는 ADMIRE가 소음 텍스처 보존 측면에서 상당한 이점이 없다는 것을 발견하여, SAFIRE가 더 자연스러운 소음 외관을 유지하는 것으로 나타났다.