[논문 리뷰] Quantitative analysis of image quality in low-dose CT imaging for Covid-19 patients

Behrooz Ghane, Alireza Karimian외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 16.

Advanced X-ray and CT Imaging인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 49명의 코로나19 환자에 대해 비어-람베르트의 법칙을 적용하여 10%에서 60%까지의 방사선 선량 감소를 시뮬레이션함으로써 저선량 CT 영상의 정량적 평가를 수행한다. 20% 선량의 CT에서 양면 필터링을 사용할 경우 영상 품질과 선량 감소 사이의 최적의 균형을 이룩하며, 노이즈 억제 및 구조적 충실도 측면에서 가우시안 필터와 중앙값 필터를 크게 능가한다.

ABSTRACT

We set out to simulate four reduced dose-levels (60%-dose, 40%-dose, 20%-dose, and 10%-dose) of standard CT imaging using Beer-Lambert's law across 49 patients infected with COVID-19. Then, three denoising filters, namely Gaussian, Bilateral, and Median, were applied to the different low-dose CT images, the quality of which was assessed prior to and after the application of the various filters via calculation of peak signal-to-noise ratio (PSNR), root mean square error (RMSE), structural similarity index measure (SSIM), and relative CT-value bias, separately for the lung tissue and whole-body. The quantitative evaluation indicated that 10%-dose CT images have inferior quality (with RMSE=322.1-+104.0 HU and bias=11.44-+4.49% in the lung) even after the application of the denoising filters. The bilateral filter exhibited superior performance to suppress the noise and recover the underlying signals in low-dose CT images compared to the other denoising techniques. The bilateral filter led to RMSE and bias of 100.21-+16.47 HU, -0.21-+1.20%, respectively in the lung regions for 20%-dose CT images compared to the Gaussian filter with RMSE=103.46-+15.70 HU and bias=1.02-+1.68%, median filter with RMSE=129.60-+18.09 HU and bias=-6.15-+2.24%, and the nonfiltered 20%-dose CT with RMSE=217.37-+64.66 HU and bias=4.30-+1.85%. In conclusion, the 20%-dose CT imaging followed by the bilateral filtering introduced a reasonable compromise between image quality and patient dose reduction.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 환자에서의 저선량 CT 영상 품질에 미치는 방사선 선량 감소의 영향을 평가하기 위해.
• 노이즈 제거 필터—가우시안, 양면, 중앙값 필터의 효과를 저선량 수준에서 영상 품질 복원 능력 측면에서 평가하기 위해.
• 진단 가능한 영상 품질을 유지하면서 환자 선량 감소를 극대화하는 최적의 선량 수준과 필터링 방법을 규명하기 위해.
• 폐 및 전신 부위에서 PSNR, RMSE, SSIM 및 CT 값 편향을 사용하여 영상 품질을 정량화하기 위해.
• 대유행 기간 동안 임상 현장에서 저선량 CT 프로토콜을 위한 증거 기반 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 49명의 코로나19 환자 스캔에 대해 비어-람베르트의 법칙을 적용하여 표준 CT의 4가지 선량 수준(60%, 40%, 20%, 10%)을 시뮬레이션하였다.
• 저선량 CT 영상에 대해 가우시안, 양면, 중앙값 필터를 적용하여 노이즈를 감소시켰다.
• 폐 및 전신 부위에서 PSNR, RMSE, SSIM 및 상대적 CT 값 편향을 사용하여 영상 품질을 정량화하였다.
• 필터링된 및 비필터링된 저선량 영상과 전체 선량 기준 영상 간의 유사성과 정확도를 평가하기 위해 비교 분석을 수행하였다.
• 모든 환자에 걸쳐 지표를 통계적으로 분석하여 평균값과 표준편차를 보고하였다.
• 실제 저선량 스캔을 피하기 위해 선량 감소 시뮬레이션을 사용하여 진단 기준 데이터를 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코로나19 환자에서의 CT 스캔에서 관류 전류(선량) 감소에 따라 영상 품질은 어떻게 악화되는가?
• RQ2 가우시안, 양면, 중앙값 필터 중에서 저선량 CT에서 영상 품질을 가장 효과적으로 복원하는 필터는 무엇인가?
• RQ3 진단적으로 수용 가능한 영상 품질을 유지하면서 방사선 노출를 최소화하는 최적의 선량 수준은 무엇인가?
• RQ4 PSNR, RMSE, SSIM 및 CT 값 편향은 다양한 선량 수준과 필터링 기법에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다른 필터와 비교할 때 양면 필터링이 노이즈를 얼마나 효과적으로 감소시키고 구조적 세부 정보를 얼마나 잘 유지하는가?

주요 결과

• 10% 선량 CT 영상은 폐 부위에서 RMSE 322.1 ± 104.0 HU 및 CT 값 편향 11.44 ± 4.49%를 보이며 가장 열악한 영상 품질을 보였다.
• 양면 필터링은 가우시안 및 중앙값 필터를 뛰어넘어 20% 선량 영상에서 폐 부위에서 RMSE 100.21 ± 16.47 HU 및 편향 -0.21 ± 1.20%를 달성하였다.
• 비필터링 20% 선량 CT(비교 기준: RMSE = 217.37 ± 64.66 HU, 편향 = 4.30 ± 1.85%)에 비해 양면 필터링은 RMSE를 50% 이상 감소시켰다.
• 양면 필터링은 구조적 유사성을 유지하고 HU 값의 편차를 최소화하여 조직 밀도의 우수한 유지 능력을 보였다.
• 가우시안 필터링은 RMSE 103.46 ± 15.70 HU 및 편향 1.02 ± 1.68%를 기록하였고, 중앙값 필터링은 더 높은 RMSE(129.60 ± 18.09 HU)와 더 큰 편향(-6.15 ± 2.24%)을 보였다.
• 20% 선량 프로토콜에 양면 필터링을 적용한 경우 선량 감소와 영상 품질 사이의 합리적인 트레이드오���을 이룩하였으며, 모든 다른 조합보다 뛰어난 성능을 보였다.