雙源CT單能譜成像減少脊柱金屬固定器偽影的研究

錢玲玲，李真林，袁元，王紫薇

脊柱金屬內(nèi)固定術(shù)后，影像學(xué)檢查的目的在于確定植入物的位置是否恰當，有無影響到椎管和椎間孔而造成壓迫。術(shù)后隨訪影像學(xué)檢查種類較多，以X線平片最為常用，但X線平片為重疊成像，影響細節(jié)的顯示。MRI檢查時由于內(nèi)固定金屬影響局部磁場均勻性，產(chǎn)生的偽影會嚴重降低脊柱及其周圍結(jié)構(gòu)的圖像質(zhì)量。多層螺旋CT可對植入金屬的位置、骨質(zhì)情況及解剖關(guān)系進行評估，但常規(guī)螺旋CT檢查會在金屬植入物周圍形成線束硬化偽影，嚴重影響對鄰近重要結(jié)構(gòu)的觀察[1]。因此，金屬內(nèi)固定術(shù)后的影像學(xué)評估問題一直沒有得到很好地解決。能量成像技術(shù)的問世為解決此問題提供了可能。雙源CT（dual－source CT，DSCT）有2套X線管－探測器系統(tǒng)，當X線管能級不同時，可同時得到2套不同的采集數(shù)據(jù)，稱雙能量（dual energy scan，DE）掃描。具有不同信息的2套數(shù)據(jù)能夠?qū)Τ上窠M織進行區(qū)分并計算出該組織的能譜曲線，從而獲得不同于形態(tài)學(xué)信息的特殊細節(jié)信息，開辟了潛在的臨床應(yīng)用領(lǐng)域。本研究擬對后路脊柱金屬內(nèi)固定植入術(shù)的雙能量CT掃描的臨床應(yīng)用進行探討，旨在為臨床術(shù)后評估及預(yù)后評價提供新的影像選擇，并尋求脊柱內(nèi)固定器去金屬偽影的最佳能量范圍。

材料與方法

1.一般資料

本院2013年7－8月門診或住院行經(jīng)后路脊柱金屬內(nèi)固定植入術(shù)后復(fù)查患者31例，其中男19例，女12例，年齡20～69歲，平均（44±15）歲。其中行頸椎內(nèi)固定術(shù)后9例、胸椎內(nèi)固定術(shù)后7例、腰椎內(nèi)固定術(shù)后15例。

2.雙能量CT掃描方法

所有患者均采用Siemens Somatom Definition Flash炫速雙源CT機對內(nèi)固定區(qū)域進行雙能量掃描。掃描范圍包括整個金屬內(nèi)固定材料，上下超出固定材料3cm或1個椎體層面，掃描方向為自頭側(cè)向足側(cè)。采用能譜純化（selected photon shield，SPS）技術(shù)，A球管的管電壓100kV，參考管電流量129mAs；B球管的管電壓140kV，參考管電流量124mAs。其它掃描參數(shù)：準直器寬度128i×0.6mm，矩陣512×512，螺距0.9，0.5s／r，重組層厚0.75mm，層間距0.50mm。掃描完成后獲得3組自動重建數(shù)據(jù)，即100和140kV及平均加權(quán)120kV圖像（融合系數(shù)為0.6）。

3.圖像重建及分析

把獲得的100和140kV及平均加權(quán)120kV圖像傳輸至工作站（Syngo MMWP VE36A），其中平均加權(quán)120kV圖像用于診斷和攝片。將100和140kV數(shù)據(jù)載入雙能量軟件內(nèi)，選擇單能譜（Monoenergetie）軟件進行處理。通過調(diào)整單能量值滑動條調(diào)節(jié)光子能量，軟件所提供的光子能量范圍為40～190keV，分別以64、69、88和105keV的光子能量重建4組圖像。所選keV值分別匹配平均能量為120kV峰值（64keV）、140kV 峰值（69keV）和錫過濾140kV 峰值（88keV）光譜。另外，有學(xué)者認為105keV為所有金屬內(nèi)固定器最佳顯示光譜能量值[2-4]。由1位從事影像后處理5年以上的技師，對載入原始數(shù)據(jù)進行單能譜處理，得到主觀目測圖像質(zhì)量最好、金屬偽影最少時的keV 圖像（optimised image quality keV，OPT－keV）。將上述4組重組數(shù)據(jù)、平均加權(quán)120kV數(shù)據(jù)及OPT－keV數(shù)據(jù)分別調(diào)入3D軟件進行 MPR重組（圖1）。

圖1 同一層面不同能級圖像，可見圖120kV及64和88keV圖像上內(nèi)固定器邊緣模糊，椎體棘突及脊髓顯示不清，硬化偽影嚴重；88和105keV圖像上內(nèi)固定器邊緣，椎體棘突及脊髓顯示較清晰，硬化偽影減輕；最佳keV圖像上內(nèi)固定器邊緣（黑箭），椎體棘突及脊髓顯示清楚，硬化偽影減輕。a）平均加權(quán)120kV圖像；b）單能量值64keV圖像；c）69keV圖像；d）88keV圖像；e）105keV后處理圖像；f）OPT－keV圖像。

由2位從事骨關(guān)節(jié)影像診斷10年以上的醫(yī)師分別對上述6組圖像進行圖像質(zhì)量4分制評分，評價標準[5]：1分，金屬偽影嚴重，周圍骨質(zhì)不能評價；2分，金屬偽影存在，周圍骨質(zhì)尚可評價；3分，明顯金屬偽影不明顯，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示良好；4分，無金屬偽影，周圍骨小梁顯示清晰，圖像優(yōu)秀。意見不一致時協(xié)商決定。

4.統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

31例脊柱骨折金屬內(nèi)固定術(shù)后6組圖像評分見表1。單能譜最佳圖像評分在3分及以上者27例，平均加權(quán)120kV圖像3分及以上者僅3例，單能譜成像處理所獲得的OPT－keV組圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于非處理圖像，檢驗結(jié)果顯示兩者間差異有高度統(tǒng)計學(xué)意義（F＝118.139，P＜0.01）。與平均加權(quán)120kV圖像相比，105keV（V＝0.62，P＜0.001）及 OPT－keV（V＝0.54，P＜0.001）組圖像質(zhì)量有顯著提高；與105keV圖像相比，OPT－keV 圖像質(zhì)量更好（V＝0.58，P＜0.001）。Kruskal－Wallis檢驗結(jié)果顯示，金屬固定器CT值在不同脊柱節(jié)段間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01）。圖像質(zhì)量一致性檢驗顯示，兩位醫(yī)師之間的一致性較強（Kappa值＝0.871，P＜0.01）。

表1 不同能量條件對脊柱骨折金屬固定術(shù)后圖像質(zhì)量的比較

對脊柱不同節(jié)段金屬固定術(shù)后單能譜成像的最佳能量值進行了優(yōu)化（表2），結(jié)果顯示（135±6）keV可為頸椎金屬內(nèi)固定提供最佳的圖像質(zhì)量，（127±8）keV可提供胸椎金屬內(nèi)固定最佳的圖像質(zhì)量，而（129±5）keV可提供腰椎金屬內(nèi)固定最佳的圖像質(zhì)量。

表2 不同脊柱水平金屬內(nèi)固定器OPT－keV值

討 論

X線穿過高密度的金屬物質(zhì)后發(fā)生衰減，導(dǎo)致對應(yīng)的投影數(shù)據(jù)缺如，周圍組織信息喪失而產(chǎn)生金屬偽影。傳統(tǒng)混合能量CT圖像因射線硬化、部分容積、光子量不足等效應(yīng)產(chǎn)生的黑白條狀或星狀偽影可降低金屬周圍結(jié)構(gòu)顯示的清晰度。脊柱金屬內(nèi)固定術(shù)后，手術(shù)醫(yī)師最關(guān)心的術(shù)后情況是內(nèi)固定器狀態(tài)、骨折愈合情況及并發(fā)癥等，常常需要通過CT檢查來明確斷。傳統(tǒng)橫軸面CT無法全面反映骨折處的空間解剖關(guān)系，目前廣泛使用的CT三維重組技術(shù)由于線束硬化偽影的存在，對于骨折處細微結(jié)構(gòu)的顯示也不盡人意，因此更為直觀、立體、全面地影像技術(shù)就顯得尤為重要。

近年來，CT雙能量技術(shù)成為CT研究的熱點，在肺栓塞、顱內(nèi)動脈瘤檢測方面已體現(xiàn)出其優(yōu)勢[5-10]。與常規(guī)CT相比，Somatom Definition Flash雙源CT機擁有2套X線管－探測器系統(tǒng)，每次掃描可以獲取層厚為0.6mm的重疊圖像，機架旋轉(zhuǎn)一周最短時間僅0.28s。本研究采用100和140kV兩種不同能量的X線進行數(shù)據(jù)采集，由于X線的衰減決定于X線的能量，用100和140kV的X線對同一組織進行掃描時，其X線衰減會有差異。金屬固定物對低能量X線的衰減系數(shù)最大，在高能量X線條件下，其衰減系數(shù)則相應(yīng)減小[5，6，8-13]。雙源 CT 單能譜技 術(shù) 正 是利用了 X線的此種特性，通過特殊計算后，雙能量數(shù)據(jù)可得到不同keV下的圖像。

X線通過高密度的金屬時會被大量吸收，發(fā)生嚴重的衰減現(xiàn)象，金屬固定術(shù)后CT掃描成像會產(chǎn)生金屬放射狀偽影。盡管低窗位、高窗寬有助于降低金屬偽影，但還遠不足以去除線束硬化偽影，常常需要借助特殊的三維重組技術(shù)加以補充，但這些技術(shù)對骨折部位的解剖細節(jié)顯示不夠清晰。本研究中CT掃描采用了能譜純化技術(shù)，可以有效減少高能射線中無效的低能成分，同時，運用Monoenergetic軟件的單能譜重組成像技術(shù)，能最大限度的減少金屬偽影。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過計算機軟件重組產(chǎn)生的三維影像，彌補了X線和常規(guī)螺旋CT存在線束硬化偽影的不足，能更清晰地顯示病變及其與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，有助于脊柱金屬內(nèi)固定術(shù)后的療效評價。本研究中，評價了雙能量CT單能譜技術(shù)在31例金屬內(nèi)固定術(shù)后的應(yīng)用價值，結(jié)果顯示平均加權(quán)120kV圖像質(zhì)量優(yōu)良者僅3例，遠低于單能譜重建后圖像質(zhì)量優(yōu)良者的27例，由此可見雙能量CT的單能譜技術(shù)能夠改善脊柱金屬內(nèi)固定術(shù)后CT的圖像質(zhì)量，其提供的解剖細節(jié)足以滿足骨科醫(yī)師對患者療效、并發(fā)癥及預(yù)后的評價。

本研究還優(yōu)化了不同脊柱節(jié)段金屬固定器單能譜成像的最佳能量值（OPT－keV）。Bamberg等[3]認為105keV為金屬固定器最佳單能量成像值，而周長圣等[14]則認為130keV為最佳值。上述研究所得最佳單能譜值都是針對所有金屬內(nèi)固定器而言，并未對固定器的安裝部位、材料構(gòu)成和幾何尺寸等進行進一步的論證，而本研究主要針對脊柱內(nèi)固定器，同時還將脊柱不同節(jié)段納入了研究范圍，結(jié)果顯示對于脊柱金屬內(nèi)固定器，其OPT－keV值為123～144keV平均（136±8）keV，具體數(shù)值隨脊柱節(jié)段不同而存在差異。由此可見，OPT－keV值具有個性化特征。由于本研究樣本分層后，每組樣本含量更小，將來的研究中可以納入更多的患者樣本，使研究結(jié)果更加準確和具有說服力；同時，由于本研究所收集病例均為術(shù)后隨訪病人，盡管能確定所有內(nèi)固定器才均為鈦合金，但大部分內(nèi)固定生產(chǎn)廠家和型號已難以確認，可能導(dǎo)致所得的最佳keV值不夠準確，還須進一步研究論證。此外，本例研究所納入的研究對象均采用脊柱后路術(shù)式，所得OPTkeV值對于前路術(shù)式者是否適用，仍有待考證。

由于本研究樣本分層后，每組樣本含量更小，將來的研究中可以納入更多的患者樣本，使研究結(jié)果更加準確和具有說服力；另一方面，未對軟組織的成像質(zhì)量進行評估。同時，由于本研究所搜集病例均為術(shù)后隨訪患者，大部分病例所用金屬內(nèi)固定材料與型號難以考證，可能導(dǎo)致所得的最佳keV值不夠準確，還須進一步研究論證。

綜上所述，雙源CT的單能譜技術(shù)能消除金屬偽影，從而能夠清晰地顯示脊柱金屬內(nèi)固定術(shù)后骨質(zhì)的細微結(jié)構(gòu)，極大程度上降低了線束硬化偽影對圖像質(zhì)量的影響，能全面的觀察骨折愈合情況，使圖像質(zhì)量更符合臨床工作的需要。

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