T-SMART 斷層融合成像、CT 與 X 線攝影對髖關節(jié)假體周圍結構觀察的對比研究

馬毅民 蘇永彬 邵宏翊 王晨 徐黎 李娜 周一新 程曉光

. 骨科影像學 Orthopaedic radiology .

T-SMART 斷層融合成像、CT 與 X 線攝影對髖關節(jié)假體周圍結構觀察的對比研究

馬毅民 蘇永彬 邵宏翊 王晨 徐黎 李娜 周一新 程曉光

目的 比較 tomosynthesis-shimadzu metal artefact reduction technology ( T-SMART ) 斷層融合成像 ( tomosynthesis，TOMOS )、計算機 X 線斷層掃描 ( computed tomography，CT ) 與數(shù)字化 X 線攝影 ( digital radiography，DR ) 顯示髖關節(jié)假體及其周圍結構的能力。方法連續(xù)選取進行單側或雙側髖關節(jié)置換術( total hip arthroplasty，THA )，且已行術后 DR、CT 及 TOMOS 三項影像學復查的患者 20 例，男 12 例，女8 例，年齡 36～82 歲，平均年齡 61.0 歲。調(diào)閱并分析這 20 個病例的 TOMOS、CT 及 DR 影像資料，由 3 名高年資主治醫(yī)師讀片，并進行主觀評分，評分標準為：假體周圍結構觀察清晰，圖像評為“優(yōu)”，記 2 分；因輕微偽影或受限于圖像分辨率等原因，圖像清晰度受影響，但基本不影響觀察，評為“中”，記 1 分；因金屬偽影大等因素，圖像清晰度差，嚴重影響觀察，評為“差”，記 0 分。評分結果以廣義估計方程進行統(tǒng)計學分析。結果應用 TOMOS 觀察髖臼 ( 含髖關節(jié)間隙 ) 的圖像質(zhì)量頻率分布為：2 分 55%，1 分 40%，0 分5%，觀察股骨上段假體周圍組織的圖像質(zhì)量頻率分布為：2 分 75%，1 分 25%，0 分 5%；應用 CT 觀察髖臼( 含髖關節(jié)間隙 ) 的圖像質(zhì)量頻率分布為：2 分 5%，1 分 60%，0 分 35%，觀察股骨上段假體周圍組織的圖像質(zhì)量頻率分布為：2 分 5%，1 分 55%，0 分 40%，TOMOS 的評分高于 CT，差異有統(tǒng)計學意義 ( P＜0.001 )，應用 DR 檢查觀察髖臼 ( 含髖關節(jié)間隙 ) 的圖像質(zhì)量頻率分布為：2 分 25%，1 分 75%，0 分 0%；觀察股骨上段假體周圍組織的圖像質(zhì)量頻率分布為：2 分 50%，1 分 50%，0 分 0%，DR 的評分高于 CT，差異有統(tǒng)計學意義( P＝0～0.0077 )。結論髖關節(jié)假體 TOMOS 成像質(zhì)量比 CT 圖像好，又克服了 DR 不能分層薄層觀察的缺點，在髖關節(jié)假體復查中有應用價值。

關節(jié)成形術，置換，髖；X 線影像增強；體層攝影術，X 線計算機；X 線斷層融合

隨著醫(yī)學技術的發(fā)展，關節(jié)置換術被越來越多地應用在臨床治療工作中。關節(jié)置換能夠解除病變關節(jié)的疼痛，改善關節(jié)穩(wěn)定性和活動度。人工髖關節(jié)置換術 ( total hip arthroplasty，THA ) 后，有很多原因會引起髖關節(jié)疼痛，如假體松動、局部骨溶解、假體周圍感染、局部應力遮擋、周圍軟組織假瘤形成等。正確評估 THA 術后的疼痛，對臨床的診斷和治療工作至關重要。

目前常用的數(shù)字化 X 線攝影 ( digital radiography，DR ) 以及計算機 X 線斷層掃描 ( computed tomography，CT ) 等輔助檢查，往往不能提供良好的假體周圍成像：DR 所拍攝的影像結構互相重疊、遮蓋，靈敏度和特異性均較差[1-2]；常規(guī)的 CT 會受金屬假體偽影的影響，導致圖像質(zhì)量降低、CT 值發(fā)生變動等[3]，為診斷帶來困難，甚至造成誤診或漏診；此外，CT 檢查的放射劑量較高。

隨著數(shù)字化 X 線探測器技術的發(fā)展，X 線斷層融合 ( tomosynthesis，TOMOS ) 受到越來越多的關注。常規(guī) TOMOS 采用移位-添加 ( Shift-and-Add，SA ) 或濾過反向投影 ( filtered back projection，F(xiàn)BP )兩種方法來進行圖像重建，可獲得分辨率較高的圖像，并減少金屬偽影。本研究在 TOMOS 圖像重建中，應用到 tomosynthesis-shimadzu metal artefact reduction technology ( T-SMART ) 技術，這項技術能夠把金屬結構的影像從原始圖像里分離出來，通過多次迭代重建計算，最終合成完整的圖像。本研究比較了 DR、CT 及應用 T-SMART 技術的 TOMOS 對假體金屬偽影的去除效果，以及圖像中假體、假體周圍結構顯示的清晰程度，現(xiàn)報告如下。

資料與方法

一、一般資料

連續(xù)選取進行單側或雙側 THA，且已行術后DR、CT 及 TOMOS 三項影像學復查的患者 20 例，平均年齡 61.0 ( 36～82 ) 歲。其中，女 8 例，平均年齡 59.0 ( 36～82 ) 歲；男 12 例，平均年齡 62.3 ( 41～76 ) 歲。所有病例髖關節(jié)假體均為鈦合金材質(zhì)。

二、TOMOS 設備及拍攝條件

圖像數(shù)據(jù)采集方面，本研究使用一臺數(shù)字化線性斷層融合系統(tǒng) ( sonial vision safire，shimadzu Co.，Kyoto，Japan )。這套設備包含一支 X 線球管( 0.4 mm 焦點 )，以及一個 432 mm×432 mm 數(shù)字化平板探測器 ( 像素分辨率 1024×1024，非晶體硒材質(zhì) )。X 線準直器的運動與射線管同步，攝像條件設定為：峰電壓 80 kVp，電流 160 mA，單次曝光時間200 ms，斷層角度 40°。

攝像時，患者取仰臥位。設置源像距 ( SID ) 為1100 mm，選用“TOMOS”圖像采集模式。透視下定位，調(diào)整床高，使感興趣區(qū)置于視野中央，并設定攝像起點、終點位置。囑患者制動，進行連續(xù)拍攝。

在工作站上選取采集到的原始圖像，使用“斷層融合圖像合成”模式，應用迭代重建算法。T-SMART 提供了多種不同的金屬濾過器，來達到分離金屬結構影像的效果，這些濾過器包括：“標準”，即圖像中不含有金屬成分；“金屬針、線”，應用于圖像內(nèi)僅含金屬線或較小的內(nèi)固定釘?shù)那闆r，依照金屬物質(zhì)大小分為“S”和“L”2 個等級；而當圖像內(nèi)含有金屬固定板、髓內(nèi)釘、假體( 如人工關節(jié) ) 等較大的金屬材質(zhì)時，則應使用“金屬”濾過器，根據(jù)金屬材質(zhì)體積的不同，濾過器分為“ SS，S，M，L，LL ”5 個等級；另外還有“外固定器 ( S，L )”濾過器，這是為了去除金屬外固定架偽影而設計的。根據(jù)患者實際情況，我們選取“IR_THA”重建協(xié)議，并以“Metal L”模式分離金屬假體影像。對迭代重建后的圖像進行窗寬、窗位調(diào)整，適當銳化，使圖像更加清晰。

三、CT 圖像采集

患者取仰臥位，采用東芝 Aquilion 64 排 CT 機行髖關節(jié)掃描，掃描條件為：球管電壓 120 kV，管電流 250 mA。掃描野上界至少達到雙側髖臼上緣上方 2 cm 平面，下界至少達到股骨小轉(zhuǎn)子下方 5 cm平面。掃描后數(shù)據(jù)采用體算法重建，層厚及重建間隔均為 1.0 mm。

四、數(shù)字化 X 線攝影

應用 Kodak DirectView DR 7500 數(shù)字化 X 線機。采用單側或雙側髖關節(jié)正位攝片標準進行拍攝，要求患者取站立位，雙側髖關節(jié)位于同一水平面，雙足內(nèi)傾，足尖相接觸。選取雙側髂前上棘-恥骨聯(lián)合上緣連線的中點下 2.5 cm 處為投照中心，令中心線對準股骨頭。囑患者制動，進行拍攝。

五、假體及其周圍結構清晰度的評價

本研究采用主觀評估和半定量方式對偽影強弱程度進行評價。主觀評價標準為：在閱片工作站上分別瀏覽同一患者的 DR、CT 與 TOMOS 圖像，抽取出 TOMOS 圖像及 CT 冠狀位重建圖像 ( 容積數(shù)據(jù) ) 中通過假體長軸線的層面，由 3 名高年資主治醫(yī)師分別對所選取 TOMOS、CT 及 DR 圖像中的髖臼及髖關節(jié)間隙、金屬假體邊界、假體股骨端周圍骨質(zhì)的清晰度進行觀察和評分，標準如下：假體周圍結構清晰，圖像評為“優(yōu)”，記 2 分 ( 圖 1 )；因輕微偽影或受限于圖像分辨率等原因，圖像清晰度受影響，但基本不影響觀察，評為“中”，記 1 分 ( 圖 2 )；因金屬偽影大等因素，圖像清晰度差，嚴重影響觀察，評為“差”，記 0 分 ( 圖 3 )。結果不一致時，3 人協(xié)商決定。

六、統(tǒng)計學分析

采用廣義估計方程比較不同檢查方法的效果。采用 SAS 9.2 軟件進行統(tǒng)計學分析，所有分析均采用雙側檢驗，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

圖1 患者，男，58 歲，TOMOS 圖像示髖臼、髖臼與假體間隙觀察清晰，假體輪廓、邊界清晰，股骨上段皮質(zhì)、髓腔與假體關系顯示明確。根據(jù)評分標準，該圖像的髖臼、假體及股骨上段顯示清晰程度均評為“優(yōu)”等級，記 2 分圖 2 患者，男，58 歲，CT 圖像示髖臼、髖臼與假體間隙輕度金屬偽影，假體輪廓模糊，股骨上段皮質(zhì)、髓腔與假體關系顯示欠清晰。根據(jù)評分標準，該圖像的髖臼、假體及股骨上段顯示清晰程度均評為“中”等級，記 1 分圖 3 患者，男，76 歲，雙髖關節(jié) CT 平掃圖像示左側髖臼及股骨上段的觀察明顯受到偽影影響，金屬假體兩端輪廓不清晰。根據(jù)評分標準，該圖像的髖臼、假體及股骨上段清晰度均評為“差”等級，記 0 分Fig.1 The TOMOS image of a 58-year-old male patient showed the acetabulum and the gap between the acetabulum and the prosthesis were clear and the prosthesis boundary was sharp, with a defnite relationship of the cortex of the upper femur, medullary space and prosthesis. According to the scoring standard, the clear image of the acetabulum, prosthesis and upper femur should be rated as “excellent”, with the score of 2 pointsFig.2 The CT image of a 58-year-old male patient showed mild metal artifacts in the acetabulum and the gap between the acetabulum and the prosthesis. The prosthesis boundary was obscure, and the relationship of the cortex of the upper femur, medullary space and prosthesis was not defnite. According to the scoring standard, the image of the acetabulum, prosthesis and upper femur should be rated as “mid”, with the score of 1 pointFig.3 The CT image of bilateral hips of a 76-year-old male patient showed its sharpness was severely affected by artifacts in the left acetabulum and upper femur, with unclear bounday of both ends of the metal prosthesis. According to the scoring standard, the image of the acetabulum, prosthesis and upper femur should be rated as “poor”, with the score of 0 point

結 果

不同影像學檢查方法對不同部位觀察清晰度評級的頻率分布見表 1～3。各部位不同影像學檢查評分分布的兩兩比較見表 4。由數(shù)據(jù)可見，應用TOMOS 觀察髖臼 ( 含髖關節(jié)間隙 ) 及股骨上段假體周圍組織的清晰度明顯高于 CT，差異有統(tǒng)計學意義；應用 DR 檢查觀察髖臼 ( 含髖關節(jié)間隙 )、假體及股骨上段假體周圍組織的清晰度明顯高于 CT，差異有統(tǒng)計學意義。

表1 三種不同檢查方法的髖臼及髖關節(jié)間隙的圖像質(zhì)量頻率分布 ( % )Tab.1 The score frequency distribution of different imaging methods for the acetabulum and hip joint space ( % )

表2 三種不同檢查方法的人工髖關節(jié)假體形態(tài)的圖像質(zhì)量頻率分布 ( % )Tab.2 The score frequency distribution of different imaging methods for hip prostheses ( % )

表3 三種不同檢查方法的股骨上段假體周圍組織的圖像質(zhì)量頻率分布 ( % )Tab.3 The score frequency distribution of different imaging methods for the proximal femoral peri-prothesis region ( % )

表4 三種影像學檢查評分分布兩兩比較 ( P 值 )Tab.4 Comparison of each 2 different imaging methods in the score distribution ( P value )

討 論

隨著醫(yī)學技術的發(fā)展，人工關節(jié)被越來越多地應用于臨床醫(yī)療工作中，以緩解諸多患者關節(jié)痛的癥狀[4]。關節(jié)置換不僅可解除病變關節(jié)的疼痛，還可改善關節(jié)的穩(wěn)定性和活動度，對于嚴重骨折、多種關節(jié)炎、某些骨腫瘤及部分關節(jié)畸形、攣縮的患者而言，關節(jié)置換術可以提高他們的生活質(zhì)量。關節(jié)置換術后并發(fā)癥是個不容忽視的問題。假體的移位、無菌性松動、假體周圍骨質(zhì)溶解或吸收、感染甚至假體周圍骨折等，不僅會造成術區(qū)疼痛，嚴重者須進行翻修手術[5-7]。因此，高質(zhì)量的影像學檢查對于診斷術后并發(fā)癥至關重要。

對于關節(jié)置換術后復查，影像學檢查應用較普遍，然而金屬偽影的存在，使傳統(tǒng)影像學檢查顯現(xiàn)出不同程度的局限性。這也是本研究中影響假體周圍結構觀察清晰度的主要原因之一。由統(tǒng)計學結果可知，在 TOMOS、CT 及 DR 三種檢查中，CT 平掃受金屬偽影影響最大。由于金屬結構致密，X 線通過金屬時，衰減系數(shù)比通過人體其它組織時要高很多。X 線的急劇衰減，會造成被拍攝物的投影數(shù)據(jù)失真[8]；再者，CT 掃描的射線是多色性 X 線[9]，在通過被掃描物體，尤其是致密金屬時，低頻 X 線會被濾過，穿出的 X 線整體頻率會升高，即“射線束硬化效應”[10]。綜上多種因素，圖像上會產(chǎn)生金屬偽影，其表現(xiàn)各異，可為杯狀、條狀偽影或暗帶區(qū)( 圖 4 )。偽影會影響假體及其假體周圍組織的清晰度，易造成漏診、誤診。

表 4 顯示，TOMOS 檢查在觀察髖臼 ( 含髖關節(jié)間隙 ) 及股骨上段的假體周圍結構時，圖像清晰度顯著優(yōu)于 CT；而與 CT 相比，DR 也顯示出其在觀察髖臼 ( 含髖關節(jié)間隙 )、假體及股骨上段假體周圍結構的優(yōu)勢 ( 圖 4～6 )。DR 作為人工關節(jié)置換術后復查的常規(guī)影像學手段，具有輻射劑量低、圖像偽影輕、檢查方便及價格低廉等優(yōu)點，然而據(jù)文獻報道，DR 的靈敏度、特異性均較差[1-2]，能提供的信息量相對較局限。

同 CT 及 DR 相比，整合了 T-SMART 的 TOMOS使用迭代重建算法處理圖像，取代了以往的 SA 或FBP 算法。T-SMART 在重建圖像時，可使用“分離金屬”功能，依據(jù)金屬植入物的大小將金屬結構影像從原始圖像里分離出來。金屬分離的濾過器參數(shù)包括：“標準”、“金屬針、線 ( S、L )”、“金屬 ( SS、S、M、L、LL )”及“外固定器 ( S，L )”。根據(jù)被檢查者體內(nèi)金屬植入物的大小、形態(tài)，選擇不同濾過器參數(shù)，可有效去除金屬偽影，提高假體周圍結構的清晰程度。另外，TOMOS 作為一種以 X 射線為媒介的影像學檢查手段，與傳統(tǒng)檢查手段有別：TOMOS 檢查會拍攝一系列不同角度的、獨立的 X 線投影，工作站會依據(jù)這些投影，重建出被拍攝物體不同平面的圖像；而 CT 要求 X 線管和X 線接收器圍繞被拍攝物體，進行基于焦點平面的方向相反的同步運動，每次掃描只能產(chǎn)生一幅平面圖像[11]。如果要完整重建出被拍攝物體的結構，需要多次斷層攝影掃描，收集到大量圖像數(shù)據(jù)。因此與 CT 相比，TOMOS 雖然密度分辨率不及 CT[12]，但它減少了曝光劑量。文獻報道，TOMOS 檢查的射線量僅為 CT 的 1 / 5 左右[13]；而相比于 DR，TOMOS圖像有著更高的分辨率，并能通過不同角度來觀察被拍攝的物體。

常規(guī) DR 檢查須嚴格按照各種拍照體位的要求進行攝片，且在拍攝過程中，相機像頭一般不給予傾斜角度。DR 圖像中的影像結構互相重疊，又缺乏多角度成像的彌補，不利于觀察某些組織結構，如THA 術后患者的髖關節(jié)間隙。相比于 DR，TOMOS的攝像過程有一定差別：TOMOS 成像設備的球管在數(shù)據(jù)采集過程中是保持運動的，它不僅要沿機床長軸做直線運動，同時還要進行旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度被稱為斷層角。在拍攝過程中，球管弧線樣的運動軌跡使得它能夠從多角度獲取被拍攝物體的信息，從而在觀察 THA 術后患者的髖關節(jié)間隙、髖臼與假體形態(tài)方面較 DR 更有優(yōu)勢。TOMOS 檢查的原始圖像須經(jīng)后處理，才能達到減輕金屬偽影的效果。在為圖像選取金屬分離濾過器時，如果金屬植入物體積大于濾過器的參數(shù)范圍，那么金屬植入物邊界會模糊不清；若金屬植入物體積小于濾過器的參數(shù)范圍，則植入物周圍的骨質(zhì)會被一并去除，降低圖像質(zhì)量，這是 TOMOS 最主要的不足之處，在實際臨床工作中，TOMOS 圖像重建對操作者的經(jīng)驗要求較高。總之，相比于 CT，TOMOS 及 DR 可有效減輕假體產(chǎn)生的偽影，增加圖像清晰度。TOMOS 的多角度、高分辨率成像在觀察假體周圍結構方面較 DR有臨床優(yōu)勢。

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( 本文編輯：王萌 李貴存 )

A comparative study of tomosynthesis, computed tomography and X-ray in imaging the structures around hip prostheses

MA Yi-min, SU Yong-bin, SHAO Hong-yi, WANG Chen, XU Li, LI Na, ZHOU Yi-xin, CHENG Xiao-guang. Department of Radiology, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, PRC

ObjectiveTo compare the capacity of tomosynthesis ( TOMOS ), computed tomography ( CT ) and digital radiography ( DR ) in imaging hip prostheses and their surrounding structures.MethodsA total of 20 consecutive patients receiving either unilateral or bilateral total hip arthroplasty ( THA ) were enrolled, including 12 males and 8 females. Their mean age was 61.0 years old ( range: 36-82 years ). All the patients underwent TOMOS, CT and DR after THA. The TOMOS, CT and DR images of the 20 patients were reviewed and subjectively scored by 3 senior attending radiologists. The evaluation standard was stated as following. The clear image of the structures around the prostheses was rated as “excellent”, with the score of 2 points. The sharpness of the image was affected by minor artifacts or lower resolution, but the basic observation wasn’t affected. Such images were rated as “mid”, with the score of 1 point. If the image defnition was seriously affected by metal artifacts or other factors, it was rated as “poor”, with the score of 0 point. The scores calculated would be statistically analysed via Generalized Estimating Equations.ResultsThe score frequency distribution of TOMOS imaging for the acetabulum ( including the hip joint space ) was 55% ( 2 points ), 40% ( 1 point ), and 5% ( 0 point ). The score frequency distribution of TOMOS imaging for the proximal femoral peri-prothesis region was 75% ( 2 points ), 25% ( 1 point ), and 0% ( 0 point ). The score frequency distribution of CT imaging for the acetabulum ( including the hip joint space ) is 5% ( 2 points ), 60% ( 1 point ), and 35% ( 0 point ). The score frequency distribution of CT imaging for the proximal femoral peri-prothesisregion was 5% ( 2 points ), 55% ( 1 point ), and 40% ( 0 point ). TOMOS was superior to CT in image quality, and the differences in the scores were statistically signigicant ( P＜0.001 ). The score frequency distribution of DR imaging for the acetabulum ( including the hip joint space ) was 25% ( 2 points ), 75% ( 1 point ), and 0% ( 0 point ). The score frequency distribution of DR imaging for the proximal femoral peri-prothesis region was 50% ( 2 points ), 50% ( 1 point ), and 0% ( 0 point ). The image defnition of DR was better than that of CT, and the differences in the scores were statistically signigicant ( P=0-0.0077 ).ConclusionsThe TOMOS imaging quality of hip prostheses is better than that of CT, with the advantage of layering and thin-slice observation over DR. Thus, TOMOS is a promising imaging modality in the follow-up after THA .

Arthroplasty, replacement, hip; Radiographic image enhancement; Tomography, X-ray computed; Tomosynthesis

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.005

R687.4, R445

100035 北京積水潭醫(yī)院放射科 ( 馬毅民、蘇永彬、王晨、徐黎、李娜、程曉光 )，矯形骨科 ( 邵宏翊、周一新 )

程曉光，Email: xiao65@263.net

2014-08-05 )