寶石CT能譜成像去除脊柱金屬植入物偽影的應(yīng)用研究

黃鐘杰 劉 源 肖芝豹 曹楚瑜 陳健偉

CT檢查對脊柱金屬植入術(shù)后評價有重要價值。金屬植入物在普通CT掃描時會使射線硬度增高及產(chǎn)生“光子饑餓”效應(yīng)，從而出現(xiàn)束狀或放射狀高低混雜密度偽影，影響了診斷。解決金屬偽影問題可提高影像診斷準(zhǔn)確性。寶石CT能譜成像（gemstone spectral imaging, GSI）一次掃描可生成101組單能量（monochromatic, Mono）圖像，其不同Mono圖像產(chǎn)生金屬偽影存在差別。本文通過對140kVp（QC）與Mono圖像質(zhì)量、診斷效能進(jìn)行比較研究，探討GSI在減除脊柱金屬植入物偽影方面的應(yīng)用價值，并研究能譜曲線快速尋找最佳keV的可行性。

方 法

1. 一般資料

收集本院脊柱外科金屬植入術(shù)后懷疑并發(fā)癥者6例寶石CT掃描資料。男4例，女2例，平均年齡42歲。腰椎3例，胸椎2例，頸椎1例。本研究通過本院倫理委員會批準(zhǔn)。所有患者檢查前均簽署知情同意書。

2.CT掃描及圖像處理

寶石CT（Discovery CT750HD）GSI模式掃描參數(shù)：管電壓80kVp/140kVp瞬時切換，管電流600mA，螺距0.984∶1，矩陣512×512，層厚5.0mm。掃描后QC圖像重建層厚0.625mm，設(shè)為對照組，并用GSI Viewer軟件將能譜圖像以10keV為間隔重建為11組Mono圖像。

3. 圖像質(zhì)量評價

客觀評價：每例取偽影較重層面5～8層，在金屬植入物周圍偽影較重區(qū)域選取3～5個感興趣區(qū)（ROI），測其CT值和SD值。并取附近無偽影層面相同組織測其CT值和SD值為參照值。ROI面積控制在45～50mm2內(nèi)。通過比較QC和各Mono圖像的偽影指數(shù)（artifacts index，AI）和對比噪聲比（contrast-tonoise ratio，CNR）分析各Mono組的圖像質(zhì)量。AI和CNR計算公式[1]：

主觀評價：由3名放射科醫(yī)師（1名工作20年、2名工作9年）共同對QC組、Mono組圖像進(jìn)行評分。采用4分法分別評價軟組織、骨質(zhì)及植入金屬物。評分標(biāo)準(zhǔn)[2-3]見表1。

4.能譜曲線確定最佳成像keV值

根據(jù)CNR公式可知，當(dāng)CT偽=CT參時CNR=0，金屬偽影影響最小。運用GSI Viewer軟件取偽影區(qū)及參照區(qū)的能譜曲線，兩曲線相交點的CT值相等。6例共取偽影區(qū)90個ROI，記錄其相交點電壓值，并評價其最佳成像keV值的圖像質(zhì)量和診斷效能。

5.統(tǒng)計分析

計量資料符合正態(tài)分布比較采用t檢驗。多組相關(guān)資料組間總體比較采用Friedman（F）檢驗，組間總體有差別時，組間兩兩等級比較采用配對Wilcoxon檢驗。均數(shù)記為±s。P＜0.05時差別有統(tǒng)計學(xué)意義。統(tǒng)計軟件采用SPSS17.0。

結(jié) 果

QC與Mono每組測得90個ROI，AI和CNR值及比較結(jié)果見表2。

AI和CNR各能量級別總體組間比較有差別（F檢驗，P=0.00＜0.05）。各級別Mono組與混合能組AI比較：40keV、50keV組高于QC組；60keV、70keV、80keV組與混合能組無差別；而90～140keV組低于QC組。各級別Mono組與QC組CNR比較：40～90keV組高于QC組；100～120keV組低于QC組；而130～140keV組與QC組無差別。100keV、110keV和120keV組的 AI和CNR均低于QC組且無差別（F檢驗，P=0.58＞0.05、P=0.055＞0.05）。

6例共取偽影較重24個層面進(jìn)行主觀評分。圖像質(zhì)量評分比較見表3。

Mono組與QC組圖像比較，軟組織在40～8 0 k eV組的偽影無減少，診斷效能無提高；在90～140keV偽影評分明顯減低，診斷效能提高。110keV、120keV和130keV組評分一致（F 檢驗P＞0.05）；且低于90keV、100keV、140keV三組圖像質(zhì)量評分（Wilcoxon檢驗，P=0.00，0.01，0.01）。對于骨質(zhì)顯示，40～80keV組圖像質(zhì)量無提高；90～140keV組金屬偽影減少，骨質(zhì)觀察和診斷效能有明顯提高，其中110～140keV組評分一致（F 檢驗P＞0.05）并低于90keV、100keV組評分（Wilcoxon檢驗，P=0.00，P=0.00）。對于金屬植入物的觀察，40～80keV組圖像質(zhì)量無提高；90～140keV組偽影比QC組減少，其中110～140keV組評分一致（F 檢驗P＞0.05），且低于90keV、100keV組（Wilcoxon檢驗P=0.00，P=0.00）。

表1 軟組織、骨質(zhì)、植入金屬4分法評分標(biāo)準(zhǔn)

表2 QC與Mono圖像AI及CNR結(jié)果比較

運用能譜曲線共取得9 0個ROI的最佳keV值，其中95%落在90～140keV范圍內(nèi)，均值為110.89keV±13.14keV。因110keV的圖像質(zhì)量均在最優(yōu)等范圍之列，故將其作為對照,比較能譜曲線相交點keV值的圖像質(zhì)量。結(jié)果見表4。

利用能譜曲線獲得最佳圖像的CNR低于110keV圖像的CNR，兩者的客觀指標(biāo)AI和主觀評分（軟組織、骨質(zhì)、金屬植入物的評分）無差別。

圖3 為50keV Mono圖像。圖4 為偽影區(qū)及參照區(qū)ROI的電壓-CT值曲線圖，兩ROI等CT值的電壓為3 4 110keV。

討 論

1. 寶石CT GSI去除脊柱金屬植入物偽影的應(yīng)用價值

脊柱金屬植入物在CT圖像上會產(chǎn)生束狀或放射狀低密度暗帶及高密度亮帶，這是掃描時射線通過金屬后產(chǎn)生的射線硬化效應(yīng)及光子饑餓效應(yīng)所致。金屬偽影影響著CT對骨科金屬植入術(shù)后的評價。在脊柱棒釘系統(tǒng)內(nèi)固定術(shù)后，少量的偽影即可影響椎管、側(cè)隱窩、椎間孔、椎弓根及金屬植入物等結(jié)構(gòu)的觀察（圖1），而這些精細(xì)結(jié)構(gòu)用其他影像學(xué)檢查往往無法滿意顯像。用GSI成像后在高電壓區(qū)間脊柱術(shù)區(qū)各結(jié)構(gòu)及金屬植入物均可滿意顯示（圖2）。這顯示了GSI去除金屬偽影技術(shù)在骨科金屬植入術(shù)后評價上有重要臨床應(yīng)用價值。

這種去除金屬偽影的作用得益于寶石CT的GSI技術(shù)。GSI采用單源雙能（電壓80kVp/140 kVp瞬時切換）掃描模式。采集的原始圖像可被GSI Viewer軟件分解為101個從40～140keV的連續(xù)Mono圖像，實現(xiàn)一次掃描得到多組單能量圖像。GSI射線能量具有單一性，高能量的射線通過金屬衰減后其能量均勻性仍保持較好，減少了硬化效應(yīng)；同時因高能量射線穿透力強，減少了穿過金屬時能量的衰減，減輕了“光子饑餓效應(yīng)”。因此單能量高keV減除了金屬偽影，低能量射線則無減除金屬偽影作用。相反因射線能量較低，穿透金屬時衰減量大而加重了“光子饑餓效應(yīng)”，使低能量區(qū)的圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降。

2.GSI去除金屬偽影的最佳條件選擇

本研究各主觀評價和客觀指標(biāo)最佳條件的交集范圍為110～120keV。文獻(xiàn)[4-5]使用同樣方法得出最優(yōu)keV值分別為110keV和120keV。因患者個體差異，其最優(yōu)成像條件可能不同。因此本文提出最佳成像條件應(yīng)有一定范圍，不同靶點其最佳成像條件有所不同。通過主觀評價優(yōu)選出的最佳成像條件范圍略寬，這可能的原因是主觀評分的敏感性不如客觀測試。雖然130keV、140keV仍有少量偽影，但由于偽影范圍局限，對診斷影響不明顯，故對評分未產(chǎn)生明顯影響。

根據(jù)同一物質(zhì)對不同能量射線衰減系數(shù)的不同，GSI利用自帶軟件可描繪ROI keV-CT值曲線，即能譜曲線。利用能譜曲線可快速地尋得不同ROI CT值相等的條件keV值（圖3，4）。利用能譜曲線快速尋找ROI軟組織的最佳成像電壓值范圍與通過客觀及主觀評分尋找的最佳成像區(qū)間基本吻合。用其所尋電壓值成像，其圖像質(zhì)量亦均屬優(yōu)等，其消除金屬偽影有效，且可滿足診斷（圖5）。操作時對參照點的選擇可能會影響最佳電壓值的選擇。當(dāng)金屬植入物周圍發(fā)生病變但被偽影掩蓋時，通過該方法可能使病變區(qū)與參照點正常組織呈等密度從而產(chǎn)生假陰性。能譜曲線研究顯示不同ROI其最佳成像范圍不同。因此使用該方法提倡在金屬植入物周圍多采集幾處ROI觀察。該方法快速捷便有效，是一種值得推薦的方法。

3. 研究的不足與展望

本研究數(shù)據(jù)顯示AI和CNR標(biāo)準(zhǔn)差較大。這是由于金屬偽影與金屬成分、植入物位置、形狀大小、排列等相關(guān)[6]，不同層面金屬物的細(xì)微變化使AI和CNR產(chǎn)生一定的波動。金屬所致的硬化效應(yīng)和光子饑餓效應(yīng)性質(zhì)不同，混雜存在，導(dǎo)致有些ROI同時包含了兩種性質(zhì)偽影，使得SD離均值較大。圖像質(zhì)量主觀評分標(biāo)準(zhǔn)可能存在敏感度低。進(jìn)一步的研究應(yīng)擴大病例數(shù)及對植入物的性狀進(jìn)行細(xì)化分類比較研究，同時完善主觀評分標(biāo)準(zhǔn)。GSI消除金屬偽影作用可能在其他部位骨科金屬植入術(shù)后、金屬介入術(shù)后及急診等方面也有臨床意義，有進(jìn)一步研究的價值。