迭代重建在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后X線數(shù)字化斷層融合檢查中的應(yīng)用價值

張雪琴， 李真林， 孫加冠， 楊吉學(xué)

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·骨骼肌肉影像學(xué)·

迭代重建在膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后X線數(shù)字化斷層融合檢查中的應(yīng)用價值

張雪琴， 李真林， 孫加冠， 楊吉學(xué)

目的：探討X線數(shù)字化斷層融合(DTS)運用迭代重建技術(shù)(IR)，降低膝關(guān)節(jié)圖像金屬植入物偽影的可行性和臨床應(yīng)用價值。方法：79例人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者行DTS掃描，分別采用濾波反投影重建(FBP)技術(shù)和迭代重建(IR)技術(shù)對原始圖像進行重建。從圖像清晰度、假體金屬植入物與周圍骨相連結(jié)構(gòu)的顯示度、金屬偽影的多少等方面對兩組圖像進行分析并評價。根據(jù)骨科臨床對人工膝關(guān)節(jié)的分區(qū)，在后處理工作站上測量A1～A7區(qū)域內(nèi)假體與骨之間硬化束金屬偽影的長度。結(jié)果：對兩種重建技術(shù)所得到的圖像進行主觀評價，IR組優(yōu)片率為88.6%，F(xiàn)BP組優(yōu)片率為62%，IR組優(yōu)片率高于FBP組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。IR組重建圖像在A1、A3～A7區(qū)域無金屬偽影，僅3例圖像A2區(qū)域見少許金屬偽影，A7區(qū)域關(guān)節(jié)間隙內(nèi)聚氨酸脂軟墊顯示清晰；FBP組人工假體在A1～A7區(qū)域均見金屬偽影，偽影長度為0.5～2.6 mm。FBP組圖像偽影明顯多于IR組。結(jié)論：有金屬植入物的人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者行DTS檢查，運用IR技術(shù)可明顯減少金屬植入物偽影，圖像質(zhì)量明顯改善，在術(shù)后隨訪中具有較高的臨床應(yīng)用價值。

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)； 人工膝關(guān)節(jié)； 數(shù)字化斷層融合； 迭代重建； 放射攝影術(shù)

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty，TKA)能較好地緩解患者的膝關(guān)節(jié)疼痛，矯正關(guān)節(jié)畸形，改善患病關(guān)節(jié)活動度，重建一個功能接近正常的關(guān)節(jié)，提高生活質(zhì)量。TKA已經(jīng)成為治療晚期膝關(guān)節(jié)疾病有效和常用的外科治療方法，因此重度膝關(guān)節(jié)炎進行全膝關(guān)節(jié)置換的患者越來越多[1，2]。TKA復(fù)查的主要手段為影像學(xué)檢查，常用的檢查方法有數(shù)字化X線攝影(digital radiography，DR)和CT。DR 顯示重疊圖像，假體以及相融合的解剖結(jié)構(gòu)不能清晰顯示；由于金屬植入物產(chǎn)生的偽影可使CT圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，對臨床骨科醫(yī)生的診療帶來影響[3]。如何減輕金屬偽影、改善圖像質(zhì)量是放射科和骨科醫(yī)生需解決的難題。數(shù)字化斷層融合技術(shù)(digital tomosynthesis，DTS) 是近年來快速發(fā)展的一項X線體層成像新技術(shù)，具有輻射低、空間分辨力高、金屬偽影少等優(yōu)點，本研究旨在探討DTS迭代重建(iterative reconstruction，IR)技術(shù)去除TKA金屬植入物偽影的可行性和臨床應(yīng)用價值。

材料與方法

1.病例資料

搜集2014年3月-7月膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后行膝關(guān)節(jié)DTS掃描的患者79例，其中男33例，女46例，年齡45～78歲，平均年齡(60±3)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：患者進行人工全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，植入假體均為鈦合金植入物。

2.檢查方法

DTS檢查均采用島津公司Sonialvision safire Ⅱ全數(shù)字化大平板透視-攝影系統(tǒng)及島津圖像后處理工作站。所有患者均取仰臥位，將被檢查部位置于檢查床中心，焦片距為1100 mm，首先拍攝定位像，從股骨下段到脛腓骨上端，包含整個人工膝關(guān)節(jié)，選用膝關(guān)節(jié)TOMOS (Tomosythesis斷層融合)掃描序列，均行正位和側(cè)位掃描。曝光條件：65 kV，2.5 mAs，斷層夾角40°，成像時間為7.5 s，得到原始圖像74幅。

3.圖像重建

掃描后原始數(shù)據(jù)分別采用濾波反投影重建技術(shù)(filter back projection，F(xiàn)BP)和IR技術(shù)重建兩組圖像(FBP和IR組)，數(shù)據(jù)處理除重建算法不同外，其他參數(shù)均保持一致。采用與興趣區(qū)相適應(yīng)的范圍：重建中心層高80 mm，范圍120 mm，層厚2.0 mm，選擇與金屬植入物大小相匹配的Metal M重建。由于重建方法不同，所需的時間有所不同。

4.圖像評價與數(shù)據(jù)分析

在隱藏患者信息和重建方式的情況下，由放射科和骨科各2位醫(yī)生分別對2組圖像質(zhì)量進行評分，意見不一致時協(xié)商達(dá)成一致。具體評價標(biāo)準(zhǔn)為：優(yōu)，解剖結(jié)構(gòu)、骨小梁及骨皮質(zhì)顯示清晰，關(guān)節(jié)間隙顯示清晰，金屬植入物與周圍骨的相連結(jié)構(gòu)情況顯示清楚，無金屬偽影；良，解剖結(jié)構(gòu)顯示清晰，骨小梁及骨皮質(zhì)顯示尚可，關(guān)節(jié)間隙清晰，金屬植入物與周圍骨的相連結(jié)構(gòu)顯示尚可，少量金屬偽影；差，解剖結(jié)構(gòu)的對比度與清晰度均較差，金屬植入物與周圍骨的相連結(jié)構(gòu)顯示不清楚，金屬偽影明顯，關(guān)節(jié)間隙不清，不利于診斷。

根據(jù)骨科臨床應(yīng)用對人工膝關(guān)節(jié)進行分區(qū)，以正位為例，分為假體上部(A1區(qū))、中部外側(cè)(A2區(qū))、中部內(nèi)側(cè)(A3區(qū))、外下部(A4區(qū))、內(nèi)下部(A5區(qū))、假體遠(yuǎn)端(A6區(qū))、膝關(guān)節(jié)間隙(A7區(qū))，觀察此七區(qū)金屬植入物與周邊骨水泥相連部位的融合度。在后處理工作站上測量假體或骨水泥與骨之間的金屬偽影長度，以人工假體邊緣為起點，測量假體周圍的硬化束低密度影,測量3次，結(jié)果取其平均值。

5.統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，四位醫(yī)師對兩組圖像的閱片結(jié)果采用配對設(shè)計的χ2檢驗進行比較，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié)　果

1.IR組與FBP組圖像質(zhì)量的主觀評價比較

4位醫(yī)師從圖像清晰度、假體金屬植入物與周圍骨相連結(jié)構(gòu)的顯示清晰度、金屬偽影的多少等方面對兩種重建技術(shù)得到的圖像進行評價

在FBP組中，優(yōu)秀片比例為62%(49/79)，良好或差片比例為38%(30/79)。在IR組中，優(yōu)秀片比例為88.6%(70/79)，良好或差片比例為11.4%(9/79)，兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

2.IR組與FBP組圖像質(zhì)量的客觀評價比較

FBP組與IR組兩組圖像均能顯示人工膝關(guān)節(jié)的形態(tài)以及相鄰的解剖結(jié)構(gòu)，IR組重建圖像在A1、A3、A4、A5、A6、A7區(qū)域無金屬偽影，僅3例A2區(qū)域可見少許金屬偽影， A7區(qū)域關(guān)節(jié)間隙內(nèi)聚氨酸脂軟墊顯示清晰；FBP組人工假體在A1～A7區(qū)域均可見金屬偽影，偽影長度為0.5～2.2 mm(表1)。FBP組重建圖像A1～A7區(qū)域均可見金屬偽影，其中以A7區(qū)域最多。由于無金屬偽影，IR組圖像顯示金屬植入物邊緣清晰度、假體與周邊骨水泥的融合度、人工關(guān)節(jié)間隙的顯示清晰度均較FBP圖像明顯改善(圖1～3)。

表1　FBP組與IR組重建后各區(qū)域金屬偽影長度

3.IR組與FBP組重建時間比較

由于金屬的閾值與身體組織不同，IR重建技術(shù)在采集的原始圖像中，先將含金屬結(jié)構(gòu)的影像從原始圖像里分離出來，金屬影像和假體周圍的骨影像分別單獨重建，再通過四次迭代重建計算，最終融合成完整的圖像，減少了FBP重建中金屬物周圍的偽影，并使其成像更為清晰，但由于數(shù)據(jù)量較大，重建所需時間較FBP長，本研究FBP組重建時間為15～23 s， IR組重建時間為132～146 s，IR組平均重建時間約為FBP組的4倍。

討　論

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的術(shù)后觀察、療效隨訪和愈后評價主要依賴影像學(xué)檢查，目前，國內(nèi)外主要采用DR檢查和CT掃描，MRI由于金屬植入物所產(chǎn)生的強磁敏感偽影會影響成像質(zhì)量和診斷效能而不予采納[4]；常規(guī)采取普通X線DR檢查，可了解其術(shù)后恢復(fù)情況，普通DR是分布于二維空間的平面圖像，所包括的影像結(jié)構(gòu)相互重疊、遮蓋，植入物的連接部往往不容易顯示，局部細(xì)節(jié)觀察受限[5]；膝關(guān)節(jié)MSCT掃描可進行多平面重建、多角度顯示，已經(jīng)成為骨科檢查的一個重要手段，而術(shù)后有假體金屬植入物的病例在行CT掃描時，金屬植入物易產(chǎn)生線束硬化偽影，表現(xiàn)為明暗相間的條狀、放射狀偽影， 影響對假體與周圍骨組織連接部的觀察，使圖像質(zhì)量明顯降低，甚至無法診斷[6，7]，而數(shù)字化斷層融合可以彌補此類檢查的不足。

DTS主要有兩種重建模式，即FBP和IR，F(xiàn)BP適用于各部位的圖像重建，可用于觀察肺、支氣管、四肢關(guān)節(jié)、泌尿系、脊柱、消化系統(tǒng)等，但有金屬植入物的患者掃描后進行后處理得到的圖像，骨紋理顯示雖清晰，但假體周圍金屬偽影較重，不利于臨床診療。IR適用于所有體內(nèi)含有金屬植入物的受檢者，重建得到的圖像能顯著降低金屬偽影，IR可回顧性重建任意深度的層面圖像，能清晰地逐層顯示植入物與周圍結(jié)構(gòu)，其顯示的骨骼解剖結(jié)構(gòu)空間位置直觀，能得到更多細(xì)節(jié)，可有效彌補CT或MRI產(chǎn)生金屬偽影的不足。盡管斷層融合圖像的密度分辨力不及CT，但輻射劑量明顯低于CT，由于膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后需進行多次不定期的X線攝影復(fù)查，使得患者所接受的輻射劑量問題得到重視，為了降低輻射劑量，減少金屬偽影，應(yīng)選擇低劑量、低輻射檢查方案，據(jù)文獻報道，TOMOS的輻射劑量略高于常規(guī)DR，但遠(yuǎn)低于MSCT，輻射劑量僅相當(dāng)于MSCT的1/8～1/5[8，9]。因此在臨床X線檢查應(yīng)用中，DTS攝影有著獨特的應(yīng)用價值。

本研究采用兩種重建技術(shù)進行對比，IR重建后圖像顯著消除了金屬偽影，優(yōu)片率為88.6%，提高了人工膝關(guān)節(jié)周圍與骨組織相溶的顯示能力，可清晰展現(xiàn)金屬植入物與周圍骨質(zhì)的解剖結(jié)構(gòu)。FBP重建后的圖像人工關(guān)節(jié)周圍產(chǎn)生的金屬偽影明顯，假體與周圍的骨融合細(xì)節(jié)顯示較差，優(yōu)片率為62%，IR組優(yōu)片率高于FBP組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。FBP組與IR組人工膝關(guān)節(jié)各區(qū)的金屬偽影參數(shù)比較，IR組重建圖像在A1、A3～A7區(qū)域無金屬偽影，僅3例A2區(qū)域可見少許金屬偽影，A7區(qū)域關(guān)節(jié)間隙內(nèi)聚氨酸脂軟墊顯示清晰；FBP組人工膝關(guān)節(jié)假體在A1～A7區(qū)域均可見金屬偽影，偽影長度為0.5～2.2 mm，F(xiàn)BP組重建圖像A1～A7區(qū)域均可見金屬偽影，其中A7區(qū)域最多。IR組顯示金屬植入物邊緣清晰，假體與周邊骨水泥的融合度、人工關(guān)節(jié)間隙的顯示度都較FBP圖像明顯改善，能顯示植入物的外形、植入物與周圍的吻合精密性、修復(fù)后的膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)間隙情況，圖像質(zhì)量不受金屬植入物的影響，能提高圖像的空間分辨力，彌補了常規(guī)DR應(yīng)用于人工膝關(guān)節(jié)檢查時的諸多不足，克服組織間的重疊，提供圖像的偽影較MSCT少，能解決患者有多種金屬植入物而產(chǎn)生較多偽影的問題。

通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，IR技術(shù)可減少金屬植入物的偽影，改善圖像質(zhì)量，由于本次研究樣本量較小，而植入金屬產(chǎn)生的偽影與金屬的形狀、大小、形態(tài)、種類及重建使用的參數(shù)都有關(guān)[10,11]，因此，接下來的研究應(yīng)納入更多的患者，使此類研究結(jié)果更具說服力。

在實際工作中筆者發(fā)現(xiàn)IR技術(shù)對于帶有金屬植入物的掃描有明顯降低金屬偽影的作用，但重建數(shù)據(jù)量大，因此耗時較FBP長，應(yīng)該在未來的設(shè)計中有所改善。因此現(xiàn)在最好的重建方式為先采用FBP技術(shù)，找出興趣層數(shù)值后，再用IR技術(shù)針對興趣層進行重建，方可提高工作效率。

綜上所述,人工膝關(guān)節(jié)行DTS檢查時，運用IR可回顧性重建任意深度的層面圖像，輻射劑量低，可有效消除金屬所產(chǎn)生的偽影，能清晰顯示人工膝關(guān)節(jié)的假體與周圍組織的連接部細(xì)節(jié)，可為臨床有金屬植入物的受檢者的術(shù)后觀察、療效隨訪和愈后評價提供一種新的方法，是一種值得推廣的新型檢查方法。

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Application of the Iterative reconstruction technique in digital tomosynthesis examination after knee joint replacement

ZHANG Xue-qin，LI Zhen-lin，SUN Jia-guan,et al.

Department of Radiology，Western-China Hosptial,Sichuan University,Chengdu 610041,China

Objective:To study the feasibility and clinical application of using iterative reconstruction technique (IR) in the digital radiographic tomosynthesis (DTS) to reduce the artifact by metallic implant in the knee-joint images.Methods:79 patients received knee joint replacement were recruited and underwent DTS scan.The original data were reconstructed by filtered back-projection and iterative reconstruction (IR) technique respectively.These two groups of images were analyzed and scored according to the distinctness of image,the visibility of the connection structure between metallic implants and the surrounding bones and metallic artifacts.The length of beam hardening artifacts between the metallic prosthesis and bones was measured in the fields of A1～A7 at the post processing workstation according to the zoning of the artificial knee joint by orthopedics clinical application.Results:The images obtained by the two reconstruction techniques were subjectively evaluated.The satisfactory rate of IR group images was 88.6 %,which was higher than that of FBP group (62%),with significant statistic difference (P<0.05).There was no metallic artifacts in the image of IR group in the field of A1,A3～A7,only few metallic artifacts in the field of A2 were showed in 3 cases.In the field of A7,images of polyurethane resin soft pad could be revealed clearly in the joint space.The metallic artifacts of artificial prosthesis of FBP group were found in the field of A1～A7,the length of the artifacts were 0.5～2.6mm.The metallic artifacts in the images of FBP group were obviously more than that of IR group.Conclusion:The artifacts of metallic implant could be reduced by IR technique in patients with artificial knee joint replacement examined by DTS.The image quality was obviously improved,which was of great clinical value in the follow up after knee joint replacement.

Total knee arthroplasty; Knee prosthesis; Digital tomosynthesis; Iterative reconstruction; Radiography

610041成都，四川大學(xué)華西附一醫(yī)院放射科

張雪琴(1976- )，女，四川人，技師，主要從事影像技術(shù)工作。

李真林，E-mail:lzlcdol@126.com

R684.3; R814.3

A

1000-0313(2016)05-0420-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.05.008

2015-08-14

2015-12-03)