Rapid Exploration of Soil Strata in a Basin using Ground Penetrating Mirroring
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摘要:
传统的地震反射方法，主要是利用来自波阻抗界面的反射波同相轴来刻画地质构造，据此获得地层界面、结构等信息。本研究提出利用反射波信息进行土壤层层速度快速反演的方法，将其命名为“地震反射探地镜”。该方法将反射信号自适应提取、均方根速度自动拾取和层速度快速反演相结合，形成一个用于近地表介质层速度快速探测和反演的探地镜方法。利用实测数据对该方法进行了评价，应用结果表明该方法能够快速提供地下介质的层速度和结构信息。在已知部分地质先验信息的情况下，可以将反演的层速度转换为土壤层的单轴抗压强度，为城镇的地基评价提供基础数据。
Abstract:In traditional seismic reflection exploration, geological structures are characterized only by interpreting reflection wave events from wave impedance interfaces and then obtaining information of stratigraphic interfaces and structures. Herein, we present a method used to rapidly invert velocities of seismic waves reflected from strata layers. We have named this method “Seismic Reflective Ground Penetrating Mirroring (SRGPM).” This method consists of three steps, which are: 1) adaptive extraction of respective reflection signals, 2) automatic selection of root mean square velocity, and 3) fast inversion of layer velocity. The validity of the proposed method was verified with field data. The layer velocities and structures of strata can be quickly acquired by SRGPM. Combining this data with prior geological information, the inverted layer velocities can be converted into the uniaxial compressive strengths of the soil layers, providing basic data for evaluation of urban foundations.
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颅脑CT灌注（computed tomography perfusion，CTP）是一种快速、无创、定量评估脑组织血流灌注的检查[1]。通过CTP还可获得全脑动态多期相扫描（4D computed tomography angiography，4D-CTA）图像，从而覆盖全脑的动静脉循环[2]。4D-CTA在不同期相图像中，由于对比增强程度不同，对颅内各级分支血管显示的可视化效果不同[3]，而分支小血管的显示和颅内CTA临床诊断中脑血管闭塞、脑动脉瘤、脑血管畸形的诊断准确性直接相关[4−5]。为了提升4D-CTA不同期相不同增强程度的图像质量及血管显示效果，本研究引入CT柔性减影CE-Boost（contrast-enhancement-boost）技术。
柔性减影CE-Boost技术即对比增强提升技术，是一种回顾性提高CT图像增强程度的新技术。其利用精确的配准算法，通过从增强图像中减去平扫图像来生成碘图，然后将去噪后的碘图叠加到原始增强图像中，得到对比度更大的增强图像[6]。该技术已应用于门脉、腹主动脉和肺动脉成像[7−9]，可提高门静脉和腹主动脉的图像质量，同时该技术也可以使肺动脉主干及分支显示更为清晰。已有研究证明该技术在头颈CTA应用中，可提高头颈CTA的图像质量，使血管轮廓显示更加清晰，显示血管树更加完整[10−11]。但是目前仍没有学者研究CE-Boost技术在头颈CTA不同增强程度血管中的应用。因此，本研究中我们将探讨CE-Boost技术在颅内4D-CTA不同期相不同增强程度血管中的使用价值。
1. 材料与方法
1.1 研究人群
回顾性选取2023年11月至2024年2月于本院临床疑诊急性脑卒中接受颅脑CTP检查的患者。纳入标准：年龄在18岁以上，无碘对比剂过敏史、非孕妇且肝肾功能正常。排除标准：颅内出血、脑出血术后、脑动脉瘤术后以及因运动伪影导致无法进行测量的患者。最终纳入43例，男31例，女12例，年龄23 ~ 86岁，平均（66.34±12.21）岁，平均身高（1.67±0.05）m，平均体重（66.2±15.78）kg，平均体重指数（body mass index，BMI）（23.36±12.56）kg/m2。
1.2 CT检查方法
所有患者均采用320排多层螺旋宽体CT（Aquilion ONE Genesis，佳能医疗系统）进行扫描，患者仰卧位，头先进，双臂置于身体两侧，并嘱咐患者检查过程中头颅保持静止状态。扫描方式为动态容积扫描，扫描范围为第一颈椎至颅顶骨。管电压80 kVp，准直器宽度320×0.5 mm，旋转时间0.5 s/r。采集次数19次，管电流详细设置为：1次平扫300 mA，3次动脉早期扫描150 mA（每隔2 s），6次动脉期扫描300 mA（每隔2 s），4次动脉晚期扫描150 mA（每隔2 s），5次静脉期扫描150 mA（每隔5秒）。图像重组矩阵为512×512，重建层厚层间距均为0.5 mm，所有数据采用AIDR 3D Standard（FC 41）重建。使用双筒高压注射器以5 mL/s流速经右肘前静脉注射50 mL非离子型对比剂碘克沙醇（320 mgI/mL），并以相同速率跟注40 mL生理盐水，平扫于碘对比剂注射后7 S开始扫描。
1.3 入组图像主观质量评价以及处理
通过主观评分从4D-CTA中挑选待处理以及分析的图像。对相关图像进行最大密度投影（maximal intensity projection，MIP）处理，并依据主干、一级、二级及二级以上分支血管显示的连续性和完整性为主观评分标准[12]。1分：图像质量差，主干可显示；2分：图像质量尚可，主干可显示，一级分支近端可显示、远端未见显示，二级分支尚可显示；3分：图像质量中等，主干可显示，一级分支显示好，二级分支显示欠清；4分：图像质量良好，主干可显示，一级分支显示好，二级分支显示连续性好，二级以上分支显示模糊，静脉污染最小；5分：图像质量优秀，主干可显示，一级分支显示好，二级分支显示好，二级以上分支显示连续性好。其中，1到2分为动脉早期不可诊断图像，3到5分为动脉期可诊断图像。
所有数据在佳能医疗扫描工作站副台上处理。由两名具有5年放射诊断经验的医生使用TDC（time density curve）时间密度曲线工具测量正常侧大脑中动脉M1段达峰时间，每个患者在此达峰时间之前相邻期相依据主观评分标准选取1组动脉早期不可诊断图像和2组动脉期可诊断图像，为了入组图像统一，及后续研究中动脉早期不可诊断和动脉期可诊断图像形成对照，两名医生在依据主观评分标准选取原始图像时进行协商达到一致。将3组图像发送到后处理软件（SURESubtraction Iodine Mapping）来生成对应的CE-Boost图像。合计生成6组图像进行后续的图像评价。
1.4 图像评价
1.4.1 客观图像质量评价
由一名具有3年头颈部CT扫描经验的放射科技师使用佳能医疗后处理工作站Vitrea对6组图像进行客观测量。分别于大脑中动脉（middle cerebral artery，MCA）正常侧M1段、基底动脉（basilar artery，BA）、脑干（brain stem，BS）绘制圆形兴趣区（region of interest，ROI）。ROI置于血管中心，并避开血管壁斑块，通过复制粘贴保证六组图像ROI在同一位置且大小相同，测量其内的平均CT值和标准差（standard deviation，SD）。各血管ROI尺寸为大脑中动脉2 mm2，基底动脉2 mm2，脑干15 mm2。背景噪声定义为脑干的标准差。计算信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和对比噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR），公式如下：SNR=CT血管/SD血管，CNR=（CT血管-CT脑干）/SD脑干。
1.4.2 CE-Boost后图像主观图像质量评价
由2名具有5年放射诊断经验的医生，依据主观评分标准对CE-Boost后3组图像进行主观评价。评价过程中图像隐藏重建技术，隐藏血管扫描期相时间。
1.5 辐射剂量
记录自动生成的辐射剂量，其中包含CT剂量指数（CT dose index volume，CTDIvol）和剂量长度乘积（dose length product，DLP）。计算有效剂量（effective dose，ED）：ED＝DLP×k，k为权重转换因子
0.0023 （mSv/mGy·cm）[13]1.6 统计分析
使用SPSS 22.0进行统计分析，计量变量以均数±标准差表示，计数资料以频数构成比或百分数表示。采用Shapiro-Wilk进行数据正态性检查，若数据满足正态分布，采用Paired Samples T-Test比较CE-Boost组和原始图像的客观评价指标；若数据不满足正态分布，采用Wilcoxon signed rank 进行比较。采用Cohens Kappa检验评价观察者间一致性：Kappa＞0.8为几乎完全一致，0.6＜Kappa≤0.8为基本一致，0.4＜Kappa≤0.6为中等一致，其他为一致性较差，P<0.05表示有统计学差异。
2. 结果
2.1 客观图像质量评价
全部图像的MCA和BA经CE-Boost后CT值、SD值、SNR、CNR值均高于原始图像（P均<0.001）。MCA和BA的CT值增长分别为（39.70%、39.14%），SD值增长分别为（22.19%、14.59%），SNR值增长分别为（25.03%、42.48%），CNR值增长分别为（56.56%、56.97%）。
其中动脉早期不可诊断图像MCA和BA的CT值增长分别为（30.09%、29.85%），SD增长分别为（10.15%、2.02%），SNR值增长分别为（22.39%、35.58%），CNR值增长分别为（38.97%、41.74%）。动脉期可诊断图像MCA和BA的CT值增长分别为（41.71%、40.88%），SD值增长分别为（24.6%、17.32%），SNR值增长分别为（26.32%、45.20%），CNR值增长分别为（59.88%、59.36%）（表1）。
表 1 不同主观评分原始图像与CE-Boost组客观图像质量评价比较Table 1. Comparison of the objective image quality evaluation between the raw images with different subjective scores and the CE-Boost group组别 CT值 SD SNR CNR MCA BA MCA BA MCA BA MCA BA 全部 原始图像 318.32
（136.83）280.82
（139.31）16.00
（10.55）13.02
（9.71）24.21
（11.43）28.20
（18.15）39.11
（24.09）34.00
（24.08）CE-Boost 444.70
（205.50）390.72
（205.00）19.55
（13.90）14.92
（12.61）30.27
（18.81）40.18
（32.28）61.23
（42.48）53.37
（42.42）P值 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 增长% 39.70 39.14 22.19 14.59 25.03 42.48 56.56 56.97 不可诊断图像1&2分 原始图像 165.05
（54.35）133.51
（56.40）8.08
（3.37）6.92
（3.75）23.45
（11.23）23.61
（13.78）18.68
（11.80）13.87
（9.85）CE-Boost 214.71
（80.29）173.36
（79.84）8.90
（4.08）7.06
（4.71）28.70
（15.94）32.01
（21.02）25.96
（17.52）19.66
（14.11）P值 <0.001 <0.001 <0.001 1.00 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 增长% 30.09 29.85 10.15 2.02 22.39 35.58 38.97 41.74 可诊断图像
3&4分原始图像 394.95
（94.38）354.48
（105.75）19.96
（10.70）16.08
（10.33）24.58
（11.58）30.49
（19.66）49.33
（22.10）44.07
（22.76）CE-Boost 559.69
（142.38）499.40
（155.83)24.88
（14.02）18.85
（13.48）31.05
（20.13）44.27
（36.06）78.87
（40.27）70.23
（41.82）P值 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 增长% 41.71 40.88 24.65 17.23 26.32 45.20 59.88 59.36 注：CE-Boost组与原始图像比较P＜0.05；增长%为与原始图像比较。 2.2 主观图像质量评价
43例患者总共选取129组原始图像，两名主观打分者经过协商一致均认为有10例1分图像，33例2分图像，43例3分图像，43例4分图像。经CE-Boost处理后两名主观打分者评分见表2。
表 2 原始图像（列）与相对应的CE-Boost组图像（行）主观图像评价结果比较Table 2. Comparison of subjective image evaluation results between the original images (columns） and the CE-Boost group (rows）.组别 医师1/例 医师2/例 一致性分析 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Kappa值 原始评分1分（10例） 10 10 0.890 原始评分2分（33例） 22 11 33 原始评分3分（43例） 10 33 43 原始评分4分（43例） 43 43 对于43例动脉早期不可诊断的原始图像经过CE-Boost技术后，打分者1认为有32例主观评分未见提升（图1）；11例图像能达到可诊断（3分）（图2），打分者2认为主观打分均未见提高。对于43例动脉期可诊断（3分）的原始图像经过CE-Boost技术后，打分者1认为10例图像仍为3分，其余33例提高为4分；打分者2的主观打分均提高到4分。对于43例动脉期可诊断（4分）的原始图像经过CE-Boost技术后，打分者1和打分者2都认为主观评分全部提升为5分（表2）。
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图 1 主观评分为2分、3分、4分原始图像行CE-Boost处理示例Figure 1. The subjective score is 2 points, 3 points, and 4 points, and the original image is exemplified by CE-Boost processing![]()
图 2 左侧颈内动脉闭塞，大脑中动脉延迟显影。主观评分为2分、3分、4分的原始图像行CE-Boost处理示例Figure 2. Left internal carotid artery occlusion and delayed middle cerebral artery development. The subjective score is 2 points, 3 points, and 4 points, and the original image is exemplified by CE-Boost processingCE-Boost可以提升整体图像评分（3.59±1.33 VS. 2.92±0.95，P<0.001）。动脉早期不可诊断图像经CE-Boost处理后主观评分有提高（1.90±0.54 VS. 1.77±0.43，P=0.001）；动脉期可诊断图像经CE-Boost处理后主观评分有提高（4.44±0.59 VS. 3.50±0.50，P<0.001），两名主观打分者对CE-Boost组血管分支评分几乎完全一致（Kappa=0.890）（表3）。
表 3 原始图像与CE-Boost组图像两名主观打分者评分结果Table 3. Comparison of the scores of two subjective scorers between the original image and the CE-Boost group全部 原始图像1&2分 原始图像3&4分 原始图像 CE-Boost P值 原始图像 CE-Boost P值 原始图像 CE-Boost P值 平均分 2.92±0.95 3.59±1.33 <0.001 1.77±0.43 1.90±0.54 0.001 3.50±0.50 4.44±0.59 <0.001 注：平均值±标准差，表示两名主观打分者对原始图像和CE-Boost组图像主观评分。 2.3 辐射剂量
患者的辐射剂量为：动脉早期单期相CTDIvol为7.1 mGy，DLP为113.6 mGy·cm，ED为0.261 mSv，动脉期单期相CTDIvol为14.2 mGy，DLP为227.2 mGy·cm，ED为0.522 mSv。
3. 讨论
4D-CTA对一定循环时间内脑血管的变化进行成像显影，因此可以更准确的显示血流和血管的动态变化[2]。在本研究中使用CE-Boost技术可以提升颅内4D-CTA不同期相的客观图像质量，但是对于动脉早期不可诊断的颅内CTA主观评分提升有限。动脉期可诊断图像的颅内CTA图像主观评分可提高。
柔性减影CE-Boost是一种全新的血管增强后处理技术，基于三维解剖柔性配准算法，不受不同期相之间差异的影响，并且增强血管腔内CT值，降低图像噪声，突出显示对比剂，进一步降低对比剂剂量，提高图像远端微小血管显示能力[14]。有研究证明CE-Boost技术在碘造影剂浓度较低的常规腹部增强扫描中无需额外的扫描流程便可以显著提高门静脉的CT值，并降低噪声，从而获得更高的门静脉SNR、CNR，同时可获得比腹部计算机断层血管成像更好的门静脉可视化图像[7]。同样有学者研究发现CE-Boost技术在主动脉瘤支架修复术后可以提高图像CT值、SNR及CNR，更好的显示支架修复术后内漏腔[15]。在肺动脉血管成像中，CE-Boost技术在不增加碘流率及总碘量的情况下可改善中央和外周肺小血管的增强效果，同时可增加对肺部小栓塞的检测[16]。最新研究表明，CE-Boost技术在头颈CTA中无需增加对比剂浓度、流速，即可提高头颈CTA的图像质量，使血管轮廓更加清晰、显示血管树更加完整[10−11]。本研究中我们选取4D-CTA中不同期相不同增强程度的原始图像执行CE-Boost技术后处理，结果显示应用CE-Boost技术后，全部图像MCA（M1段）、BA的客观评价CT值、SNR、CNR均得到了提升，与以上研究结果一致。其中动脉期可诊断的图像SNR、CNR增长率大于动脉早期不可诊断的图像，是因为动脉期可诊断的图像在原始图像上CT值大于动脉早期不可诊断图像，因此提升效果更为明显。低辐射剂量动脉早期不可诊断图像行CE-Boost后MCA、BA的SNR可增长到两倍剂量水平动脉期可诊断图像的SNR，CNR增长不到两倍剂量水平可诊断图像CNR，分析原因是由于两组图像噪声值及目标血管衰减差异所致。本研究中全部图像CE-Boost技术后图像噪声指数高于原始图像，有研究认为这是由于减影配准过程中内嵌滤波算法对噪声的降噪能力有限造成的[16]。
我们的研究进一步探索了CE-Boost技术在颅内4D-CTA图像中的临床适用范围。峰值前图像静脉刚刚显影但是二级分支显示模糊，经过CE-Boost技术后二级分支显示更加清晰，峰值期图像由于静脉已显影经过CE-Boost技术后静脉污染会增加，但是在临床上对二级以上分支显示效果更佳，在颅内4D-CTA选择期相时既要求末端分支小血管显示清晰又需要静脉污染尽量小，研究选取的图像为峰值期前静脉刚刚显影的图像，此时静脉污染小于峰值期以及峰值期后的图像。采用这种选取方案时，CE-Boost能提升二级分支的显示，而不会加重相应的静脉污染。有研究显示，远端血管的CT值较低，可能在CE-Boost技术中无法呈现出明显的增强效果[7]。本研究结果得出有43例动脉早期不可诊断（1或2分）原始图像经CE-Boost处理后打分者1认为有11例（25%）主观图像质量评价得到提升，有32例主观图像质量评价未见提高，结果证实了这一点且得出对于不可诊断（1或2分）的图像，行CE-Boost技术后主观评分提升有限，我们分析这可能是由于颅内远端一二级及二级以上分支血管碘对比剂增强程度不够，CT值过低，颅内细小血管的低衰减所致。
该研究不仅适用于头颅4D-CTA扫描，并且其研究结果对常规头颈CTA扫描也具有临床意义。文章结果显示，经CE-Boost处理后，图像的客观图像性能，如CT值、SNR、CNR均有提高。在实际工作中此技术可以很好的解决扫描期相过早患者目标血管CT值较低的问题。CE-Boost客观图像性能提升的优势，提示我们在临床工作中可以采用更低的辐射剂量以及对比剂用量，来获得满足临床诊断的图像。我们的研究结果证实CE-Boost技术对低辐射剂量动脉早期不可诊断图像处理后其CT值、SNR、CNR均有增长，由此可推断CE-Boost技术可在比常规辐射剂量低的扫描中提高图像客观评价指标获得与正常剂量水平相当的可诊断图像。例如肾病患者碘对比剂应用专家共识[17]指出肾病患者增强CT检查中，碘总量过多可使造影剂肾病发生率增加，但是降低碘总量影响实质器官的增强效果，降低碘流率目标血管峰值降低可延误诊断。还有研究表明约1.5% ~ 2.0%的癌症是由CT检查辐射所致，因此在降低碘总量、辐射剂量的情况下均可通过CE-Boost优势来得到满足诊断要求的图像。
相比DSA和MRA，CTA具有高的准确性，扫描速度快，可重复性，相对无创性等优点，且常规DSA由于血管走行迂曲或血管管壁的偏心性斑块，已不能满足临床需要[18]。颅脑4D-CTA可显示颅脑动静脉血管的循环过程，通过减影法得到去骨的颅内不同增强程度单期相CTA图像[3]。有研究证明去骨效果和球馆曝光起始位置、扫描物体的运动、探测器的使用宽度等因素有关[19]，本研究中挑选不同期相4D-CTA原始图像经过CE-Boost处理后主干及分支血管CT值均有提高，动脉早期部分原始图像和动脉期原始图像经过CE-Boost处理后，通过减影法可得到分支血管显示更加完善的单期相CTA去骨图像，对于急性缺血性脑卒中患者侧枝循环评价及颅内血管评价有很大帮助。
本研究存在以下局限性。首先我们选取的病例数较少且为单中心，其次我们未对CE-Boost技术在选取病例的诊断价值方面进行总结研究。由于样本样较小，我们仅研究了在不同主观评分标准下CE-Boost技术对图像质量的影响，未研究不同辐射剂量下对图像质量的影响。因此未来我们将选取大样本数量的颅脑4D-CTA不同期相图像并结合CE-Boost技术，增加新评价指标对图像质量、辐射剂量及诊断价值方面做进一步研究。
4. 结论
CE-Boost技术对颅内4D-CTA动脉期可诊断的图像在提高主干客观评价的同时也可以提高颅内分支小血管的显示。对于动脉早期不可诊断图像仅可提高主干的客观评价，对提升颅内分支小血管的显示能力有限。对于CE-Boost技术在颅内4D-CTA中的应用阈值，本研究建议CE-Boost技术适合颅内主观评分大于或等于3分动脉期可诊断图像。
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图 6 反演的房速度与钻孔资料对比图
Figure 6. Comparison of inverted interval velocity with drilling data
表 1 地下介质的速度、密度和泊松比参数
Table 1 Velocity, density, and Poisson’s ratio of subsurface materials
纵波速度/（m/s） 密度/（g/cm3） 泊松比 第1层 1224.5 1.8 0.4 第2层 1716.5 1.9 0.35 第3层 2215.5 1.9 0.35 第4层 3005.4 2.0 0.25 
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表 2 岩石坚硬程度划分
Table 2 Rock category based on degree of hardness
岩石坚硬程度 岩石饱和单轴抗压
强度$ {R}_{c} $（MPa）硬质岩 坚硬岩 $ > 60 $ 较坚硬岩 $ 60~30 $ 软质岩 较软岩 $ 30~15 $ 软岩 $ 15~5 $ 极软岩 $ \le 5 $
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