CT图像噪声分量分析用噪声理论公式的建立

《Physical and Engineering Sciences in Medicine》：Development of the noise theoretical formula for analyzing noise components on CT images

　　

研究人员建立了一种用于分析计算机断层扫描（computed tomography，CT）图像上各独立噪声分量的理论框架，并评估了CT剂量与各分量之间的关系。该模型基于直接测量于CT图像上的CT值和相对噪声标准差（relative noise SD）建立，能够仅从图像域特征实现噪声分解，而无需依赖原始投影数据。研究人员使用两台CT扫描仪在不同CT剂量下获取质控体模的CT图像，在各杆状位置测量平均CT值与相对噪声SD，并利用所提框架估计各噪声分量。相对噪声SD被表示为与穿过体模的光子数相对应的透射剂量（transmitted dose）的函数，公式中各项分别代表结构噪声（structural noise）、量子噪声（quantum noise）和电子噪声（electronic noise）的贡献。结果表明，在临床常规使用的CT剂量下，量子噪声占比超过70%，仍占主导地位；但在较低剂量（CTDIvol ≤1 mGy）时，电子噪声贡献显著增加，约为10–30%。该框架可作为未来CT剂量优化的基线，并为开发能有效降低图像噪声的图像重建与处理方法提供有用见解。

研究背景方面，数字X线及CT成像中的图像噪声可削弱影像质量，通常分为结构噪声（structural noise，源于硬件与重建过程）、量子噪声（quantum noise，源于光子统计涨落）和电子噪声（electronic noise，源于探测器系统）三类。量化这些分量对优化辐射剂量与图像质量平衡十分关键。既往研究多在原始数据图像上把噪声方差表示为这些分量的二次函数，但多数临床与科研用户难以获取原始数据，且既有公式不能直接用于CT等后处理数字X线图像。由于CT检查剂量通常高于其他X线手段，优化降剂量与诊断图像质量之间的矛盾十分突出，因此亟需建立专门面向CT图像域的噪声分量分析理论公式。

研究人员开展了如下研究：推导CT图像噪声分量评价理论公式，利用Catphan 600体模与两台CT扫描仪在多种剂量下成像，通过原图像与相减图像分离结构噪声，并基于CT值和透射剂量拟合结构、量子、电子噪声系数，从而明确各分量随CT剂量变化的关系。结论显示，临床常规剂量下量子噪声占主导，低剂量时电子噪声不可忽略；该公式仅用图像域指标即可分解噪声，可作为CT剂量优化与重建算法开发的基线。论文发表于《Physical and Engineering Sciences in Medicine》。

主要关键技术方法方面，研究人员采用Catphan 600体模（含water、acrylic、polystyrene、low-density polyethylene杆）作为样本对象，使用Aquilion ONE / PRISM Edition与SOMATOM Definition Flash两台CT扫描仪，在固定准直、螺距与管电压条件下改变mAs成像；以滤波反投影（filtered back projection，FBP）重建，设10×10像素感兴趣区（region of interest，ROI）测平均CT值与相对噪声SD；通过相同条件下两次扫描生成相减图像消除静态结构噪声，再用理论公式与回归分析估计m_s、m_q、m_e等系数。

研究结果部分，Materials and methods显示，研究人员由原始数据域噪声方差二次函数出发，借助Lambert–Beer定律与CT值定义把入射光子数映射为透射剂量D，再利用Delta法与FBP线性性质得到图像域相对噪声方差公式σ_CT²=m_s²+m_q²/D+m_e²/D²；相减图像公式σ_{CT sub}²=m_q²/D+m_e²/D²可用于分离结构噪声。Results显示，原图像与相减图像的相对噪声SD随透射剂量变化均贴合理论曲线，回归系数R超0.98；各噪声分量图中总量子噪声曲线几乎重合，说明常规剂量下量子噪声主导。Proportions of each noise component结果显示，透射剂量0.1–15.8 mGy（CTDI_vol 0.3–39.6 mGy）时量子噪声占约70%以上；低透射剂量下电子噪声在 scanner A 达10–30%，scanner B 低于10%；随剂量升高，结构噪声占比上升。

讨论部分总结，相减法得到的m_s与公式回归得到的m_s在两台机器上一致，证明二阶项对应结构噪声、一阶项对应量子噪声、常数项对应电子噪声。该公式可跨不同X线能谱与重建核使用，但图像域m_s是有效结构噪声系数，吸收了重建核与束流多色性影响。体模均质条件不能代表患者异质衰减，因此直接向临床推广仍是方法学挑战。高剂量下结构噪声形成噪声地板限制降噪收益，低剂量下电子噪声贡献与已有文献一致；光子计数CT（photon-counting CT，PCCT）可通过能阈抑制电子噪声。公式限于FBP，非线性迭代重建（iterative reconstruction，IR）或深度学习重建（deep learning reconstruction，DLR）需用表观噪声指数（apparent noise index）扩展，尚待验证。

结论部分翻译：本研究建立了一个理论框架，仅使用CTDI_vol与CT值等临床指标，就能对CT图像上的结构噪声、量子噪声和电子噪声分量进行单独分解与定量评价；该框架仅基于图像域噪声特征而非原始投影数据。两台CT扫描仪的评价表明，临床常规CT剂量下量子噪声分量占主导，而各分量比例随CT剂量变化，在低剂量（CTDI_vol ≤1 mGy）时电子噪声贡献约达10–30%。该理论公式可作为未来CT剂量优化的基本基线，并为开发有效降低图像噪声的影像重建与处理方法提供有益见解。