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。

1 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤術(shù)后復(fù)查方法選擇

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]。

2 金屬偽影及其形成原因

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。

3 傳統(tǒng)混合能量CT去除金屬偽影方法

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。

4 寶石能譜CT成像特點(diǎn)

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。

5 小結(jié)與展望

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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1008-8849(2015)22-2503-03

2014-12-30