孫源源,賈玉琳,孫重陽,肖喜剛
(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱 150001)
寶石能譜CT在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉及栓塞術(shù)后的應(yīng)用進(jìn)展
孫源源,賈玉琳,孫重陽,肖喜剛
(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院,黑龍江 哈爾濱 150001)
寶石能譜CT;金屬偽影;顱內(nèi)動(dòng)脈瘤;夾閉及栓塞術(shù)
隨著外科技術(shù)的發(fā)展,術(shù)后患者體內(nèi)植入物材料種類也在逐漸增多,尤其是金屬類材料會(huì)產(chǎn)生明顯的金屬偽影,給影像學(xué)檢查及診斷帶來了困難,進(jìn)而影響患者術(shù)后復(fù)查及隨訪的質(zhì)量。對于CT檢查而言,金屬偽影會(huì)直接影響植入物及其鄰近結(jié)構(gòu)的顯示與觀察,影響術(shù)后療效的判斷及其并發(fā)癥的診斷,而這也一直是臨床隨訪及療效評(píng)估的難題之一。寶石能譜CT的問世為金屬植入物術(shù)后的隨訪與療效的評(píng)估提供了可能,其在單能量成像的基礎(chǔ)上采用金屬偽影去除技術(shù),可以很好地解決金屬植入物造成的偽影問題,為金屬植入物術(shù)后的檢查開辟了全新的成像模式,因此也能有效的消除顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉及栓塞術(shù)后的金屬偽影,并在對周圍組織評(píng)估方面取得了很大的進(jìn)步。
影響顱內(nèi)動(dòng)脈瘤手術(shù)預(yù)后的主要因素有以下幾個(gè):動(dòng)脈瘤殘留(未夾閉或未完全栓塞),殘留部分可造成術(shù)后出血而致命;若載瘤動(dòng)脈或臨近的主要?jiǎng)用}被夾閉,造成患者術(shù)后肢體運(yùn)動(dòng)障礙,甚至可能出現(xiàn)大范圍腦梗死;動(dòng)脈瘤夾或彈簧圈移位或脫落,可直接導(dǎo)致患者死亡。因此顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者在手術(shù)后復(fù)查顯得尤為重要,目前動(dòng)脈瘤術(shù)后的主要復(fù)查方法有數(shù)字減影血管造影(DSA)、磁共振血管造影(MRA)及CT血管造影(CTA)。
1.1DSADSA一直被認(rèn)為是診斷血管性疾病的金標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。蛛網(wǎng)膜下腔出血患者術(shù)前行DSA檢查可明確是否有動(dòng)脈瘤及動(dòng)脈瘤的位置、大小和形態(tài),以利于不同患者治療策略的制定[3]。目前顱內(nèi)動(dòng)脈瘤最常見治療方法為動(dòng)脈瘤夾閉術(shù)及介入栓塞治療兩類,夾閉既能阻斷載瘤動(dòng)脈與動(dòng)脈瘤之間的血流,又保證了載瘤動(dòng)脈的暢通,術(shù)后復(fù)查DSA可以明確動(dòng)脈瘤頸部是否完全夾閉、明確動(dòng)脈瘤夾對載瘤動(dòng)脈和穿支的影響,栓塞術(shù)后行DSA檢查有助于檢出動(dòng)脈瘤殘余,顯示血管通暢性或發(fā)現(xiàn)血管痙攣,這些優(yōu)點(diǎn)是任何其他物理檢查無法超越的。然而,DSA也存在局限性,其操作復(fù)雜、費(fèi)用高且有一定的并發(fā)癥;另外,它不能對顱內(nèi)動(dòng)脈瘤周圍腦組織水腫、血腫(顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂時(shí)可在動(dòng)脈瘤周圍形成血腫)和腦缺血進(jìn)行觀察、評(píng)估,在這些方面CTA則明顯優(yōu)于DSA。
1.2MRAMRA是無創(chuàng)傷、無輻射、快捷且敏感性高的腦血管造影技術(shù),可以任意方向顯示動(dòng)脈瘤的大小、部位及瘤頸,而且病變顯示不受顱骨影響,有血栓形成的動(dòng)脈瘤仍可清晰顯示。但是,由于術(shù)后患者顱內(nèi)含有金屬夾或彈簧圈,這些金屬植入物等順磁性物質(zhì)會(huì)影響磁場的均勻性,使圖像中出現(xiàn)大片狀無信號(hào)偽影,不利于病灶及其周圍組織的顯示及評(píng)估。另外,僅少部分特殊材質(zhì)的金屬植入物植入體內(nèi)后可行MRA檢查,如電解可脫鉑金彈簧圈(GDC)等[4],多數(shù)體內(nèi)金屬植入物者依然不適合做MRA檢查。
1.3CTACTA作為一種無創(chuàng)、快速且空間分辨率高的影像學(xué)檢查,廣泛應(yīng)用于頭部血管及血管相關(guān)病變的臨床診斷中[3],對顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形、血管狹窄及動(dòng)脈粥樣硬化的診斷及鑒別診斷中是不可替代的。CTA不僅可以完整顯示顱內(nèi)供血?jiǎng)用}整體情況,還可以間接顯示病變區(qū)域的供血血管、評(píng)估血管狹窄程度、顯示斑塊性質(zhì)及狹窄原因,并且可以了解顱內(nèi)外側(cè)支循環(huán)情況[5]。對于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉及栓塞術(shù)后的復(fù)查,CTA可顯示動(dòng)脈瘤夾及彈簧圈所在位置,但由于動(dòng)脈瘤夾及彈簧圈產(chǎn)生金屬偽影,使組織結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)顯示不清,真實(shí)組織感興趣區(qū)域成像欠佳;且體積較大的偽影甚至?xí)a(chǎn)生假象,使得部分圖像常無法滿足臨床診療需求[6-7]。
金屬偽影是指X射線穿過高密度的金屬物質(zhì)后急劇衰減,導(dǎo)致相對應(yīng)的投影數(shù)據(jù)失真,喪失了周圍組織對X射線的衰減信息,從而產(chǎn)生的大量黑色帶狀和明亮的放射狀偽影。金屬偽影產(chǎn)生的因素很多,比利時(shí)學(xué)者Bruno[8]指出造成金屬偽影的因素主要有噪聲、射束硬化、非線性部分容積效應(yīng)和散射等;谷建偉等[9]認(rèn)為造成金屬偽影的原因是X射線的能譜硬化,但是其根本原因仍然與金屬本身的高衰減特性相關(guān)。這些文獻(xiàn)中所指出的原因是產(chǎn)生金屬偽影比較重要的幾個(gè)間接因素,因此,可以采取相應(yīng)的措施通過抑制這些間接影響因素的發(fā)生,進(jìn)而消除金屬偽影。
近年來CT的探測技術(shù)及數(shù)據(jù)重建軟件不斷進(jìn)步,多層螺旋CT擁有了掃描層厚更薄、重建算法更高級(jí)、后處理功能更強(qiáng)大等優(yōu)勢,但是各種偽影的存在依然困擾著影像醫(yī)生及臨床醫(yī)生的診斷和治療。對于金屬偽影的校正,多位學(xué)者都曾致力于這方面的研究,早在1982年,Lange等[10]將迭代算法中期望最大法(EM)應(yīng)用到CT圖像重建中;2004年,Wei等[11]提出了分割金屬區(qū)算法,這種算法初步解決了單純通過閾值來分割金屬區(qū)域的局限性,使圖像中金屬區(qū)域獲得較為精確的分割,從而使得金屬偽影得到了更為有效的去除;2006年,Bal等[12]提出了K-均值聚類算法,能夠自適應(yīng)選擇、優(yōu)化重建圖像中的金屬區(qū)域。故傳統(tǒng)混合能量CT去除金屬偽影的方法大體上可分為基于迭代重建算法的迭代校正法、基于濾波反投影重建算法(FBP)的插值校正法[13]及混合法。
3.1 迭代校正法 迭代校正法,也稱“逐步近似法”[14],是解矩陣方程常用的方法。首先假設(shè)圖像是均勻的,然后將理論計(jì)算值與實(shí)測值比較,修正理論計(jì)算值與實(shí)測值之差,如此不斷重復(fù),直至該差值為零或在允許的誤差范圍內(nèi)為止。迭代法的優(yōu)勢在于只要投影數(shù)據(jù)充分并且迭代次數(shù)足夠的情況下就可以有效減少金屬偽影,更好地處理斷層投影、有限角度斷層投影,并對各種噪聲具有良好的抑制效果[15-16]。然而,如果采用迭代法想得到理想的重建結(jié)果,需要迭代很多次,重建時(shí)間較長,計(jì)算量較大,在一定程度上束縛了它的應(yīng)用。
3.2 插值校正法 插值校正法具有理論簡單、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),因而具有較高的應(yīng)用價(jià)值。首先利用FBP算法對原始投影數(shù)據(jù)重建,從重建圖像中分割出金屬區(qū),再對分割出的金屬區(qū)從各角度下投影以確定投影圖像金屬區(qū)域的范圍;然后用周圍非金屬區(qū)域?qū)饘賲^(qū)域插值,對插值后的投影圖像再用FBP重建;最后將得到的重建圖像疊加到金屬區(qū),即為最終的重建圖像。但是插值校正法也具有自身的局限性,它對金屬等具有較高衰減性能的物質(zhì)較為敏感,對金屬區(qū)的精確區(qū)分要求較高,僅對形狀較為規(guī)則的金屬有一定作用,對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的金屬成分難以取得理想效果[17-19],即當(dāng)遇到數(shù)據(jù)突變時(shí),圖像就會(huì)出現(xiàn)較明顯的偽影。
3.3 混合法 上述迭代校正法及插值校正法都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此,混合法應(yīng)運(yùn)而生。CT成像包括數(shù)據(jù)采集及圖像重建兩個(gè)步驟。由于金屬的吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于非金屬部分,因此,每個(gè)投影角度下總有一段投影數(shù)據(jù)沒有檢測到任何射線,導(dǎo)致這部分投影數(shù)據(jù)過大,通過FBP重建圖像時(shí),就會(huì)出現(xiàn)金屬偽影,這是投影數(shù)據(jù)不連續(xù)的表現(xiàn)?;旌戏ㄖ饕?步:首先確定投影數(shù)據(jù)中的金屬投影數(shù)據(jù),然后分別重建兩部分?jǐn)?shù)據(jù),非金屬區(qū)域直接采用FBP重建,金屬區(qū)域通過迭代矯正法重建,這樣不但規(guī)避了兩者的缺點(diǎn),還將其優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來,得出更加清晰的圖像。
寶石能譜CT采用全新的掃描技術(shù),采用新型的紅石榴石探測器取代了傳統(tǒng)CT的稀土陶瓷探測器,其突出特性是:探測器材料對X線響應(yīng)初始速度加快100倍,清空速度加快4倍;寶石材料硬度高,化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定;寶石純度高,通透性強(qiáng),光電轉(zhuǎn)換效率高[20]。能譜CT掃描時(shí)通過X線管高/低電壓(140 kVp/80 kVp)的瞬時(shí)切換(切換時(shí)間僅為0.5 ms),產(chǎn)生2種不同能量譜的X射線,穿過人體后被寶石探測器獲取,從而實(shí)現(xiàn)了2組不同數(shù)據(jù)的同源、同向、同時(shí)采集??焖偾袚Q球管工作電壓時(shí),產(chǎn)生了介于40~140 keV的單能圖像[17-18]。此外,寶石CT特有能譜成像技術(shù)(gemstone spectral imaging,GSI)和金屬偽影消除系統(tǒng)(metal artifact reduction system,MARS)對去除各類金屬偽具有良好效果,在金屬植入術(shù)后的隨訪和評(píng)估中獲得很好的應(yīng)用,在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉及栓塞術(shù)后不僅可以消除金屬夾及彈簧圈所產(chǎn)生的偽影,還可以觀察金屬植入物相關(guān)的近期及遠(yuǎn)期術(shù)后并發(fā)癥,包括植入物松動(dòng)或脫落、夾閉不全、植入物周圍組織水腫及吸收情況、腦組織感染等,且可以任意分離瘤夾、血管、骨骼3種物質(zhì),能夠及早發(fā)現(xiàn)有無動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)、瘤夾脫落及栓塞不全等問題,因此,可常規(guī)用于腦血管病治療后的效果評(píng)估及跟蹤隨訪[21]。
4.1 單能量成像技術(shù) 傳統(tǒng)混合能量下,由于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤外科治療后金屬植入物產(chǎn)生的放射狀偽影的干擾,金屬夾或彈簧圈等植入物會(huì)影響周圍腦組織及血管結(jié)構(gòu)的術(shù)后評(píng)估。GSI技術(shù)可將一組混合能量按照能量級(jí)圖像解析出40~140 keV能量范圍內(nèi)的衰減系數(shù),從而重建出101種能量水平的單能量圖像,實(shí)現(xiàn)一次掃描、采集多幅圖像的目的,隨后通過比較不同能量級(jí)的圖像,選擇圖像質(zhì)量較好的單能量圖像,使得部分能量級(jí)的單能量圖像對減少金屬植入物偽影方面具有良好的效果。有研究發(fā)現(xiàn),能量級(jí)較低的40~65 keV單能量圖像,由于X線能量較低,穿透能力弱,硬化偽影大,圖像質(zhì)量差,所以不能滿足診斷要求;稍高能量級(jí)70~100 keV單能量圖像偽影較低能量圖像有所改善,但偽影干擾仍較混合能量嚴(yán)重;高能量級(jí)110~140 keV圖像偽影情況明顯改善,對植入物周圍組織顯示較清楚,可對手術(shù)效果做出較準(zhǔn)確評(píng)估[19]。在近期的研究中,105 keV被認(rèn)為是顯示金屬植入物最清晰的單能量[22-23]。雖然110~120 keV單能圖像在偽影方面優(yōu)于傳統(tǒng)混合能量,但是隨著能量級(jí)的升高,金屬偽影情況明顯改善,但對應(yīng)圖像的對比噪聲比(contrast-to-noise ratio,CNR)也隨之減小,因此,圖像質(zhì)量最佳時(shí)的單能量能級(jí)不是一個(gè)固定的點(diǎn),而是諸多影響因素綜合決定的。
4.2 MARS MARS理論上是一系列去除金屬偽影算法的集合[24],內(nèi)置于能譜CT后,使其具有校正金屬偽影的能力,通過MARS,使基于一個(gè)CT值閾值金屬植入物被分段,然后用周圍正常投射區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值校正,用校正后的數(shù)據(jù)覆蓋原始數(shù)據(jù),從而糾正因X線掃描金屬后產(chǎn)生光子饑餓現(xiàn)象而導(dǎo)致的低信號(hào),對金屬移植物及周邊組織提供準(zhǔn)確的投射數(shù)據(jù),進(jìn)而有效抑制臨床上常見的金屬偽影及其他射線硬化偽影[25-28]。但張秋航等[29]認(rèn)為單能量成像加MARS雖然可以消除粗大高密度偽影,但是同時(shí)會(huì)消除部分金屬植入物影像,造成圖像失真,并產(chǎn)生較多的低密度線束狀偽影。因此,此技術(shù)還有進(jìn)一步提升的空間。
常規(guī)CT掃描對射線束硬化偽影以及金屬植入物偽影無法有效去除,偽影會(huì)影響對鄰近重要結(jié)構(gòu)的觀察,導(dǎo)致圖像不能為臨床提供準(zhǔn)確的診斷信息,這對患者的病情診斷、病情評(píng)估和預(yù)后造成很大影響。寶石CT利用特有的能譜成像技術(shù)和金屬偽影消除系統(tǒng),可以根據(jù)人體組織和病變成分對不同X線能量譜的吸收差異進(jìn)行有效表達(dá),獲取從40~140 keV范圍內(nèi)共101組不同X線能量的單能圖像,從而根據(jù)臨床診斷的不同需要選取最理想的單能量圖像,有效避免了傳統(tǒng)CT混合能量圖像中因能量不同的干擾可能導(dǎo)致的偽影。這種方法應(yīng)用于臨床可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)CT檢查的不足,給臨床帶來了諸多前所未有的突破,為臨床應(yīng)用和科研提供了無限廣闊的前景。同時(shí)期待著CT的進(jìn)一步發(fā)展,在提高圖像質(zhì)量的同時(shí),可以進(jìn)一步減少掃描產(chǎn)生的輻射劑量,使CT成為真正綠色、安全的檢查方法。
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肖喜剛,E-mail:xxqct_417@126.com
10.3969/j.issn.1008-8849.2015.22.042
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A
1008-8849(2015)22-2503-03
2014-12-30