新雙源雙能量CT單能譜成像技術在老年腰椎金屬內固定術后的應用

李嘉鵬 賈玉柱 曹玉林

[摘要] 目的 探討新雙源雙能量CT單能譜成像及后處理技術在老年腰椎金屬內固定術后評估的臨床應用價值。 方法 回顧性分析經浙江省立同德醫(yī)院診斷治療的48例老年腰椎壓縮性骨折內固定的患者，經新雙源雙能量CT檢測后，數據進行后處理獲得50、80、110、140、170 keV不同能譜的圖像，由2名副主任醫(yī)師以上的放射科醫(yī)師在后處理系統(tǒng)里采用雙盲法對上述5組圖像和120 kV融合圖像的圖像質量和偽影進行獨立評估，并進行評分，評分采用4分制的評分標準，按照金屬固定物外形、位置及相鄰骨組織解剖細節(jié)顯示清楚程度和有無偽影，從4分到1分逐漸遞減。對不同的重建方法產生的圖像質量和偽影大小的數據，采用kruskal-Wallis秩和檢驗對圖像進行統(tǒng)計分析。 結果 兩位醫(yī)師評價圖像質量進行一致性檢驗的結果顯示，兩位醫(yī)師的一致性非常強（Kappa=0.872）。新雙源雙能量CT成像的單能量技術在80 keV條件以上均可提供較好的圖像質量，特別110 keV時圖像質量達到最佳效果，3分達36例，4分4例和8例2分，與其他keV條件下比較，差異有統(tǒng)計學意義（χ2=87.637，P=0.003）。 結論 新雙源雙能量CT單能譜成像技術在減少金屬偽影并提高圖像質量中有明顯優(yōu)勢，能提高老年腰椎金屬內固定術后的影像質量，在110 keV時圖像效果最佳，對脊柱外科的臨床工作有很好的指導作用，值得進一步推廣。

[關鍵詞] 體層攝影術;X線計算機;雙源CT;骨折內固定

[中圖分類號] R814.42? ? ? ? ? [文獻標識碼] B? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2020）35-0116-04

[Abstract] Objective To explore the clinical value of new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT and post-processing technology in elderly patients with lumbar spinal metal internal fixation. Methods A total of 48 elderly patients with internal fixation of lumbar vertebral compression fractures diagnosed and treated in Litongde Hospital in Zhejiang Province were retrospectively analyzed. After detected by new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT ， the data were processed to obtain 50， 80， 110， 140， and 170 kev images of different energy spectrums. The quality and artifacts of the five groups of images and the 120 kV fusion image were independently evaluated and scored by two radiologists titled associate chief physician or above in the post-processing system using double-blind methods. The scoring system was based on the shape， location， clarity degree of anatomical details of the adjacent bone tissue and the presence or absence of artifacts and adopted a 4-point scale， which gradually decreased from 4 to 1 point. The kruskal-Wallis rank sum test was used to analyze the image quality. Results The consistency of the two physicians in evaluating the image quality was rather high（Kappa=0.872）. The new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT can provide better image quality under the condition of above 80 keV， and the image quality reached the best at 110 keV; there were 36 cases with 3 points， 4 cases with 4 points， and 8 cases with 2 points; compared with other keV conditions， the difference was statistically significant（χ2=87.637， P=0.003）. Conclusion The new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT has significant advantages in reducing metal artifacts and improving image quality， and can improve the image quality of elderly lumbar spine after metal internal fixation. The image quality is best at 110 keV. It has a good guiding value on the clinical work of spine surgery and deserves further promotion.

[Key words] Tomography; X-ray computer; Dual-source CT; Fracture internal fixation

由于骨傷科金屬內固定器械的迅速發(fā)展和廣泛應用，影像檢查成為術后內固定復查的常規(guī)檢查[1]。普通X線由于缺少對內固定及周圍結構的細微顯示，已經不能滿足臨床對金屬內固定物的評價[2-3]。但是由于金屬內固定影響磁場均勻性，MRI檢查時產生的偽影無法分辨內固定及其周圍結構的圖像質量[4]。因此CT成為骨傷科術后復查及評估預后的重要檢查之一[5]。特別是老年人，由于腰椎普遍骨質稀疏，骨密度降低，腰椎內固定手術，再由于腹部臟器與腰椎重疊，X線檢查不能精確顯示腰椎內固定器的位置與周圍結果的關系，腰椎術后CT檢查尤為重要。令人遺憾的是普通CT甚至多層螺旋CT的金屬偽影一直是診斷圖像評估的一個重大限制條件[6]。近年來，國內外報道指出，雙源CT能有效消除金屬內固定偽影，對圖像質量提高有一定作用[7]。本研究進一步探討新雙源雙能量CT單能譜成像在消除腰椎金屬內固定偽影的應用，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集本院2015年9月～2018年9月腰椎壓縮性骨折內固定植入術后患者48例，男32例，女16例，年齡68～76歲，平均（67.5±8.2）歲，排除腰椎原發(fā)性腫瘤及腰椎轉移瘤者，所有患者術后復查均經雙源雙能量CT腰椎掃描。

1.2 方法

采用德國西門子第二代炫速雙源CT機（SOMATOM Definition FLash），所有評估的患者均在這一設備下評估。掃描前注意要去除患者衣物上防止偽影產生的金屬物件，患者仰臥于檢查床上，雙手上舉或放置胸口，防止上臂的骨性干擾。按照掃描步驟首先進行常規(guī)定位像的掃描，然后啟動雙能量掃描模式，方向采用頭足側掃描，范圍的選取按照常規(guī)掃描范圍，但注意要包括整個金屬內固定物，而且必須要超出內固定物上下3 cm以上才能結束。

雙源雙能量CT的椎體雙能量掃描參數如下：A球管電壓為140 kV，參考管電流為58 mAs;B球管電壓為100 kV，管電流為185 mAs，掃描前開啟實時動態(tài)曝光劑量調節(jié)器CARE Dose 4D，掃描準直器0.6 mm×128 mm，掃描管球的旋轉速度為0.5 s/圈，螺距采用0.6，兩個管球的FOV如下：A管50 cm×50 cm，B管33 cm×33 cm，兩個X球管夾角保持94°不變。掃描后計算機自動重建得到3組圖像數據，分別為140、100和120 kV線性融合圖像的圖像數據，層厚1.0 mm、間距1.0 mm。

雙能量140和100 kV圖像數據調入Siemens圖像工作站Dual-Energy軟件中，利用單能譜成像（Monoenergenic）技術，提取50、80、110、140、170 keV圖像進行去偽影處理，層厚重建成0.6 cm，然后在inspace后處理軟件中進行多平面重建技術（MPR）、最大密度投影（MIP）和容積顯示（VR）。

1.3 圖像評價

圖像由2名副主任醫(yī)師以上專門從事骨關節(jié)研究的放射科醫(yī)師在后處理系統(tǒng)里獨立進行圖像分析，采用雙盲法對圖像質量和偽影進行評估。評分按照金屬固定物外形、位置及相鄰骨組織解剖細節(jié)顯示清楚程度和有無偽影狀從4分到1分。4分：金屬內固定物位置及骨折處解剖細節(jié)顯示清楚，無偽影存在;3分：金屬內固定物位置及骨折處解剖細節(jié)顯示一般，不影響診斷;2分：金屬內固定物位置及骨折處解剖細節(jié)顯示不清，影響診斷;1分：金屬偽影明顯，骨折處解剖結構不能觀察[8]。

1.4 統(tǒng)計學方法

采用SPSS19.0統(tǒng)計學軟件對數據進行處理，不同的重建方法產生的圖像質量和偽影大小的數據，采用kruskal-Wallis秩和檢驗。利用Kappa檢驗評估2名醫(yī)師對圖像質量評價的一致性，0.75≤k<1.00時，表示一致性較好;0.40≤k<0.75時，表明一致性一般;k<0.40時，表明一致性差。

2 結果

表1列舉了不同keV條件下及用于常規(guī)診斷的融合圖像120 kV的圖像質量的比較以及應用秩和檢驗后對應的秩次值。對兩位醫(yī)師評價圖像質量進行一致性檢驗的結果顯示，兩位醫(yī)師間的一致性非常強（Kappa值=0.872）。從表1可以看出新雙源雙能量CT成像的單能量技術在80 keV條件以上均可提供較好的圖像質量（圖1～3），特別110 keV時圖像質量達到最佳效果，3分達36例，4分4例和2分8例，與其他keV條件下比較，差異有統(tǒng)計學意義（χ2=87.637，P=0.003）。

3 討論

腰椎由于其特殊部位金屬內固定術后，普通X線難以分辨內固定器狀態(tài)、骨折愈合情況及并發(fā)癥發(fā)生狀況，常需要通過CT來明確診斷[9]。且高密度的金屬物質在X投射后的大量衰減，導致內固定放射狀偽影，以至于周圍結構無法分辨。特別是老年人，由于骨質密度普遍降低，骨小梁稀疏，往往內固定術的金屬偽影嚴重影響腰椎的術后觀察。然而雙源雙能量CT產生以前都是以混合能量的CT設計，難以降低金屬周圍結構顯示的清晰度。今年雙源雙能量技術的CT應用為金屬內固定放射偽影帶來了福音，并成為研究的熱點[10]。

雙源CT（DSCT）配備了兩套X線球管和與之相匹配的探測器。兩個球管分別采用與之相匹配的管電壓和管電流獨立運行，兩個探測器可通過衰減的X線采集到不組織器官兩套數據[11]。即使100 kV和140 kV的X線對同一組織進行掃描時X線衰減也會得出不同的數據。雙源CT單能譜技術根據X線的此種特性，利用2個不同能量的X線管及探測器所產生的數據通過傅里葉變換后得到不同keV下的單能圖像[12]。雙源CT雙能量單能譜成像技術是雙能量CT成像最新發(fā)展中的一項技術[13]。CT球管工作是無法制作出單一能量光子的X線，經常發(fā)射不同能級的X線光子，而X線光子通過物質時往往會產生兩種衰減—康普頓散射和光電效應[14]。原子序數較低的元素對X線的衰減主要是康普頓散射，如氫原子、氧原子、碳原子等;原子序數較高的，如鈣離子、碘離子等產生的主要是光電效應[15]。X線光子通過衰減值高的物質會較多的吸收低能量的X線光子，高能量的X線光子會穿透過去。這樣X線穿透不同物質時會產生射線硬化偽影和金屬偽影。單能譜成像技術可以在雙能量掃描后經過計算機處理，計算機可以虛擬運算出物質在各個單能級水平的CT值，從而生成虛擬的單能譜圖像和能譜曲線[16]。雙源CT雙能量成像就是利用雙能量CT掃描的基物質分離原理計算出任意X線能級下的單能譜圖像，從而實現單能譜成像。其可以實現多個參數算法和定量的物質分析。雙能量CT掃描單能譜成像依據不同的物質在X線通過情況下的兩種衰減，產生不同的衰減吸收系數，從而產生了不同X線能量水平的單能譜圖像，通過選取不同的能量值，可以得到圖像的最佳對比度[17]。對于機體的生理和病理特征，得到組織器官的單能量衰減曲線。通過單能譜重建技術，可選擇范圍為40～190 keV，可以進行任意整數的選擇，同時觀察處理效果[18]。通過對keV的調整選擇合適的keV達到圖像偽影和噪聲最小，以滿足臨床的診斷需求[19]。二代雙源CT由于X線球管輸出能量提高、掃描視野擴大以及使用了能譜純化技術等使得圖像質量得到了提高，其噪聲較一代雙源CT有所下降[20]。能譜純化技術的設計不但采用超高敏感度的探測器，同時配合CARE Dose4D軟件，使得球管的管電流根據患者的體重、體表面積、身高等因素自動調節(jié)，達到圖像質優(yōu)而又減少患者的輻射劑量，并且二代雙源CT還可以自動調節(jié)，減少X線中的無效低能成分[21]。本研究發(fā)現，最佳的腰椎keV在110 keV，此keV下圖像噪聲與金屬偽影達到比較滿意的效果，與文獻報道基本一致[22]。

本研究的局限性在于樣本數量較少，樣本組成過于單一，對統(tǒng)計結果可能會有一定影響。評分系統(tǒng)的評分標準，人為因素占主導作用，可能對結果產生影響。另外對雙源CT雙能量掃描的劑量沒有統(tǒng)計，以后在減少輻射劑量方面需進行進一步的研究。

綜上所述，第二代新雙源雙能量CT單能譜成像掃描技術能夠減低腰椎內固定的金屬偽影，更好的顯示腰椎金屬固定物的細微結構，可消除線束硬化偽影對圖像質量的影響，對脊柱外科的臨床工作有很好的指導作用，值得進一步推廣。

[參考文獻]

[1] Murphy ME，Maloney PR，McCutcheon BA，et al. Predictors of discharge to a nonhome facility in patients undergoing lumbar decompression without fusion for degenerative spine disease[J]. Neurosurgery，2018，32（6）：726-731.

[2] Strand V，Singh JA. Evaluation and management of the patient with suspected inflammatory spine disease[J]. In Mayo Clinic Proceedings，2019，17（3）：368-371.

[3] Chokshi F，Sadigh G，Carpenter W，et al. Diagnostic quality of 3D T2-SPACE compared with T2-FSE in the evaluation of cervical spine MRI anatomy[J]. American Journal of Neuroradiology，2017，38（4）：846-850.

[4] Kearney H，Miller DH，Ciccarelli O. Spinal cord MRI in multiple sclerosis[mdash] diagnostic，prognostic and clinical value[J]. Nature Reviews Neurology，2015，11（6）：327-338.

[5] Rodriguez A，Neal MT，Liu A，et al. Novel placement of cortical bone trajectory screws in previously instrumented pedicles for adjacent-segment lumbar disease using CT image-guided navigation[J]. Neurosurgical Focus，2014， 36（3）：E9-E12.

[6] Diamond EL，Dagna L，Hyman DM，et al. Consensus guidelines for the diagnosis and clinical management of Erdheim-Chester disease[J]. Blood，2014，124（4）：483-492.

[7] Bongartz T，Glazebrook KN，Kavros SJ，et al. Dual-energy CT for the diagnosis of gout：An accuracy and diagnostic yield study[J]. Annals of the Rheumatic Diseases，2014，23（3）65-69.

[8] Coupal TM，Mallinson PI，Gershony SL，et al. Getting the most from your dual-energy scanner：Recognizing，reducing，and eliminating artifacts[J]. American Journal of Roentgenology，2016，206（1）：119-128.

[9] van Elmpt W，Landry G，Das M，et al. Dual energy CT in radiotherapy：Current applications and future outlook[J]. Radiotherapy and Oncology，2016，119（1）：137-144.

[10] Weiβ J，Schabel C，Bongers M，et al. Impact of iterative metal artifact reduction on diagnostic image quality in patients with dental hardware[J]. Acta Radiologica，2017， 58（3）：279-285.

[11] Beeres M，Trommer J，Frellesen C，et al. Evaluation of different keV-settings in dual-energy CT angiography of the aorta using advanced image-based virtual monoenergetic imaging[J]. The International Journal of Cardiovascular Imaging，2016，32（1）：137-144.

[12] De Cecco CN，Muscogiuri G，Schoepf UJ，et al. Virtual unenhanced imaging of the liver with third-generation dual-source dual-energy CT and advanced modeled iterative reconstruction[J]. European Journal of Radiology，2016，85（7）：1257-1264.

[13] 崔明雨，張永高，劉杰. 第三代雙源CT個體化“雙低”技術在冠狀動脈成像中的應用[J]. 中國介入影像與治療學，2019，（1）：57-61.

[14] 陳泉樺，黎軍強. 雙源CT雙能量成像識別尿路結石成分的臨床應用研究[J]. 中國CT和MRI雜志，2018，（7）：59-64.

[15] 郭小皖，孫吉林，蘭艷芹，等. 雙源CT冠脈成像安全輻射劑量與圖像質量研究[J]. 川北醫(yī)學院學報，2018，33（2）：97-100.

[16] 賀新，劉寧. 眼眶CT掃描應用第二代雙源CT低管電壓配合SAFIRE重建技術的價值分析[J]. 中國CT和MRI雜志，2019，（7）：89-93.

[17] 梁曉雪，梁麗丹，張樂樂，等. 雙源CT肺動脈血管成像雙能量模式聯合高級模擬迭代重建的圖像質量對比價值分析[J]. 中華醫(yī)學雜志，2018，98（13）：1024-1027.

[18] 楊家虎，馮越，張建軍. Force CT大螺距Turbo Flash掃描模式在不同心率患者中的應用效果研究[J]. 中國全科醫(yī)學，2018，21（14）：1723-1726.

[19] 王茸，徐香玖，黃剛，等. 雙能CT能譜曲線特征對體內上尿路鈣結石亞型的初步研究[J]. 實用放射學雜志，2018，34（1）：521-525.

[20] Almeida IP，Schyns LE，llers MC，et al. Dual-energy CT quantitative imaging：A comparison study between twin-beam and dual-source CT scanners[J]. Medical Physics，2017，44（1）：171-179.

[21] Wichmann JL，Gillott MR，De Cecco CN，et al. Dual-energy computed tomography angiography of the lower extremity runoff：Impact of noise-optimized virtual monochromatic imaging on image quality and diagnostic accuracy[J].Investigative Radiology，2016，51（2）：139-146.

[22] Liang T，McLaughlin P，Arepalli CD，et al. Dual-source CT in blunt trauma patients：Elimination of diaphragmatic motion using high-pitch spiral technique[J]. Emergency Radiology，2016，23（2）：127-132.

（收稿日期：2020-07-30）