[论文解读] Quantitative analysis of image quality in low-dose CT imaging for Covid-19 patients

Behrooz Ghane, Alireza Karimian+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Advanced X-ray and CT Imaging被引用 7

一句话总结

本研究通过在49名新冠患者中应用比尔-朗伯定律模拟10%至60%的剂量降低，定量评估了低剂量CT成像在新冠患者中的表现。结果表明，采用双边滤波的20%剂量CT在图像质量和剂量降低之间实现了最佳平衡，显著优于高斯滤波和中值滤波在噪声抑制和结构保真度方面的表现。

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.

研究动机与目标

• 评估辐射剂量降低对新冠患者CT图像质量的影响。
• 评估去噪滤波器（高斯、双边和中值）在低剂量水平下恢复图像质量的有效性。
• 识别在保持诊断图像质量的同时实现患者剂量降低的最优剂量水平与滤波方法。
• 使用PSNR、RMSE、SSIM和肺部及全身影像区域的CT值偏差量化图像质量。
• 为疫情期间临床环境中低剂量CT方案提供循证指导。

提出的方法

• 通过在49名新冠患者扫描数据上应用比尔-朗伯定律，模拟了四种剂量水平（60%、40%、20%、10%）的标准CT。
• 对低剂量CT图像应用三种去噪滤波器（高斯、双边和中值）以降低噪声。
• 通过肺部和全身影像区域的PSNR、RMSE、SSIM及相对CT值偏差量化图像质量。
• 将滤波与非滤波的低剂量图像与全剂量参考图像进行对比，以评估保真度和准确性。
• 对所有患者的数据指标进行统计分析，报告均值与标准差。
• 采用剂量降低模拟方法，避免实际低剂量扫描，从而保留诊断参考数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在新冠患者CT扫描中，随着管电流（剂量）降低，图像质量如何退化？
• RQ2 在低剂量CT中，高斯、双边或中值滤波器中哪一种最有效地恢复图像质量？
• RQ3 在保持诊断可接受图像质量的同时，何种剂量水平可实现最小化辐射暴露的最优效果？
• RQ4 PSNR、RMSE、SSIM和CT值偏差在不同剂量水平与滤波技术下如何变化？
• RQ5 与其它滤波器相比，双边滤波在降低噪声并保留结构细节方面效果如何？

主要发现

• 10%剂量CT图像的图像质量最差，肺部区域的RMSE为322.1 ± 104.0 HU，CT值偏差为11.44 ± 4.49%。
• 双边滤波优于高斯和中值滤波，在20%剂量图像中，肺部区域的RMSE为100.21 ± 16.47 HU，偏差为-0.21 ± 1.20%。
• 与非滤波的20%剂量CT（RMSE = 217.37 ± 64.66 HU，偏差 = 4.30 ± 1.85%）相比，双边滤波使RMSE降低超过50%。
• 双边滤波保持了良好的结构相似性，并最小化了HU值偏差，表明其在组织密度保留方面表现更优。
• 高斯滤波的RMSE为103.46 ± 15.70 HU，偏差为1.02 ± 1.68%；而中值滤波的RMSE更高（129.60 ± 18.09 HU），偏差也更大（-6.15 ± 2.24%）。
• 20%剂量结合双边滤波的方案在剂量降低与图像质量之间实现了合理折衷，优于所有其他组合。