能譜CT加MAR技術(shù)聯(lián)合VR降偽影技術(shù)對金屬植入物的顯示能力分析

姬龍，余娜，茍瀚恒，何長清，周代全

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院 放射科，重慶 401120

引言

金屬內(nèi)固定植入術(shù)是目前治療各種骨折的有效手段，它是用金屬螺釘、鋼板、鋼絲等金屬植入物將骨折斷端連接并固定起來的手術(shù)，以維持?jǐn)喽说膹?fù)位，進(jìn)一步促進(jìn)骨折愈合恢復(fù)。CT檢查是術(shù)后隨訪的重要手段，但植入的金屬內(nèi)固定會在CT圖像上產(chǎn)生嚴(yán)重的偽影，并對周圍組織的顯示造成極大的干擾，這些偽影會給影像醫(yī)師及臨床醫(yī)師的診斷和治療評估帶來許多困難。隨著影像設(shè)備的發(fā)展及軟件技術(shù)的進(jìn)步，已有多種設(shè)備及技術(shù)可以減輕金屬偽影甚至進(jìn)一步消除。Katsura等[1]的研究表明MAR算法能夠顯著減少顱內(nèi)動脈瘤夾造成的金屬偽影，并能改善動脈瘤夾及周圍解剖結(jié)構(gòu)和動脈的可視化效果。余娜等[2]的研究也表明能譜CT聯(lián)合MAR掃描在60～65 KeV單能量區(qū)間對去除顱內(nèi)動脈瘤彈簧圈栓塞術(shù)后金屬偽影效果較好。Neuhaus等[3]的研究表明MAR技術(shù)能更好地評估金屬植入物附近肌肉的情況，同時可最大限度減少由髖關(guān)節(jié)置換術(shù)引起的低密度和超密度偽影。李杰等[4-5]的研究表明MAR技術(shù)可以明顯減少不同KeV條件下脊柱金屬物偽影并能提高組織信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）。但既往研究只關(guān)注了MAR技術(shù)去除金屬偽影的效果，并未研究能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)所重建的數(shù)據(jù)是否真實可靠，也未研究MAR技術(shù)去除金屬偽影后是否引入了新的偽影。

本文通過回顧性研究金屬植入物術(shù)后患者的CT資料，分析能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)所重建的組織數(shù)據(jù)與正常組織CT值和SNR的差異性，以及該數(shù)據(jù)是否能夠應(yīng)用于臨床，同時分析VR降偽影技術(shù)較常規(guī)三維重建的顯示效果，以期為影像及臨床醫(yī)師提供更有價值的CT影像信息。

1 材料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集2021年7—11月在我院放射科行能譜CT金屬植入物分析的患者42例，其中男14例、女28例，年齡31～75歲，平均（51.9±10.0）歲；其中包含脊柱內(nèi)固定患者26例、四肢骨關(guān)節(jié)內(nèi)固定患者16例，均采用能譜模式掃描。本研究經(jīng)過我院倫理委員會批準(zhǔn)（2021年科倫審第25號）。

納入標(biāo)準(zhǔn)：① 行金屬植入術(shù)后需要CT復(fù)查的患者；② 患者配合度好，無明顯運動偽影；③ 掃描范圍內(nèi)無其他干擾物影響者。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 躁動且不能配合檢查者；② 外固定及植入物過長者。

1.2 方法

1.2.1 設(shè)備參數(shù)

選用美國GE Revolution超高端寬體256排螺旋CT，管電壓 80 kV/140 kV 瞬時切換，管電流 170～330 mA 自適應(yīng)，迭代重建（Adaptive Statistical Iterative Reconstruction，ASIR）30%，探測器寬度80 mm，螺距0.992，采用螺旋掃描方式，掃描層厚、層間距均為5 mm，掃描完成后主機(jī)自動重建最佳KeV單能量圖像，脊柱及四肢關(guān)節(jié)最佳KeV分別為 75、140 KeV，在 Recon Settings里分別重建 0.625 mm加MAR data數(shù)據(jù)（以下簡稱MAR）和不加MAR data數(shù)據(jù)（以下簡稱non-MAR），將兩組重建數(shù)據(jù)傳至AW4.7后處理工作站。

1.2.2 圖像處理方法

對MAR組及non-MAR組圖像分別進(jìn)行容積再現(xiàn)（Volume Rendering，VR）、多平面重建（Multi Planar Reformation，MPR）和VR降偽影技術(shù)（CT Hardware enhanced）重建。選擇MAR組及non-MAR組圖像金屬偽影最嚴(yán)重同一層面，記錄如下數(shù)據(jù)：① 測量并記錄金屬偽影長軸及短軸長度；② 選擇骨感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）和近端肌 ROI（圖 1），ROI置于金屬偽影前后方（光子饑餓效應(yīng)影響處）及側(cè)方（射線硬化效應(yīng)影響處），ROI大小均為20 mm2，記錄ROI內(nèi)CT值及其標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）；③ 選擇遠(yuǎn)端肌肉 ROI，ROI置于距金屬植入物最遠(yuǎn)端肌肉組織（受金屬偽影影響最小處），ROI大小為20 mm2，記錄ROI內(nèi)CT值及SD值。選擇MAR組及non-MAR組圖像無金屬偽影層面，分別選擇與金屬偽影層面相對應(yīng)骨和肌ROI，記錄ROI內(nèi)的CT值及SD值。計算每個ROI內(nèi)的SNR，SNR＝CTROI/SDROI[6]，CTROI和SDROI分別為ROI內(nèi)的CT值和SD值。

圖1 ROI勾畫示意圖

1.2.3 圖像評價方法

分別采用主觀評價和客觀評價法對圖像進(jìn)行評價。

（1）主觀評價 ：由兩名工作經(jīng)驗豐富的放射醫(yī)師對MAR組及non-MAR組圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，圖像評價標(biāo)準(zhǔn)參考Likert 5分制[7]，分別對骨結(jié)構(gòu)清晰度、周圍軟組織顯影進(jìn)行評價。①5 分，偽影極少或無偽影，可以完全診斷；②4分，出現(xiàn)輕度偽影，但不影響診斷；③3分，出現(xiàn)中度偽影，但尚能做出診斷；④2分，出現(xiàn)嚴(yán)重偽影，難以做出診斷；⑤1分，出現(xiàn)嚴(yán)重偽影且無法診斷。評分≥3分認(rèn)為可以滿足臨床及影像診斷需求，比較兩組評分差異。對MAR組及non-MAR組重建圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，比較VR降偽影技術(shù)重建聯(lián)合常規(guī)三維重建較單純使用常規(guī)三維重建在顯示金屬內(nèi)固定時是否有優(yōu)勢。

（2）客觀評價：在兩組圖像無金屬偽影層面，分別比較骨、近端肌及遠(yuǎn)端肌ROI內(nèi)的CT值和SNR；在兩組圖像金屬偽影最嚴(yán)重層面，分別比較骨、近端肌ROI在金屬偽影前后方及側(cè)方的CT值和SNR；兩兩比較金屬偽影最嚴(yán)重層面MAR組圖像、non-MAR組圖像和無偽影層面相對應(yīng)的骨、近端肌及遠(yuǎn)端肌ROI內(nèi)的CT值和SNR。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用 IBM SPSS Statistics 26.0 統(tǒng)計軟件，使用正態(tài)性檢驗及直方圖判斷計量資料類型，服從正態(tài)分布的用±s表示，不服從正態(tài)分布的用M（P25，P75）表示，兩組間比較用兩樣本t檢驗或Wilcoxon秩和檢驗，多組間比較用Kruskal wallis檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。用加權(quán)Kappa檢驗比較兩名醫(yī)生主觀評分的一致性，Kappa值≥0.75為一致性較好。

2 結(jié)果

2.1 主觀評價結(jié)果

兩名醫(yī)師對兩組圖像進(jìn)行評價的一致性較好（Kappa=0.766、0.787），結(jié)果顯示MAR組圖像較non-MAR組圖像評分質(zhì)量高（表1），且MAR組所有圖像主觀評分均≥3分，non-MAR組圖像只有7例≥3分；兩名醫(yī)師一致認(rèn)為VR降偽影技術(shù)聯(lián)合常規(guī)重建方法較單純常規(guī)重建方法在顯示金屬內(nèi)固定及與周圍組織相對位置關(guān)系方面的效果好，且受金屬偽影影響更小（圖2）。

圖2 兩組圖像分別進(jìn)行常規(guī)重建和VR降偽影技術(shù)重建圖

表1 兩名醫(yī)師主觀評價結(jié)果的一致性分析[M（P25，P75）]

2.2 客觀評價結(jié)果

兩組圖像在金屬偽影層面的偽影長短差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），見表2，表明MAR組圖像在減輕光子饑餓效應(yīng)方面較non-MAR組圖像效果好。兩組圖像在無金屬偽影層面骨、近端肌及遠(yuǎn)端肌ROI的CT值和SNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表3，表明MAR技術(shù)在顯示骨骼和肌肉方面較常規(guī)掃描的效能無明顯差別。MAR組圖像、non-MAR組圖像在金屬偽影層面及對應(yīng)無金屬偽影層面的骨及近端肌ROI的CT值和SNR，3組圖像在顯示骨CT值和SNR方面差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），在顯示近端肌SNR方面差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），而近端肌CT值差異則沒有統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表4，但non-MAR組圖像CT值更加極端化，偏離正常組織CT值更多（圖3）；進(jìn)一步兩兩比較（表5），發(fā)現(xiàn)在顯示骨方面，MAR組對比無偽影組的CT值、SNR差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；non-MAR組對比無偽影組、non-MAR組對比MAR組差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）；更進(jìn)一步比較MAR組和non-MAR組在金屬偽影層面骨、近端肌及遠(yuǎn)端肌CT值和SNR（表6），比較金屬偽影前后方骨與近端肌CT值的差異，MAR組均較non-MAR組高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），比較金屬偽影側(cè)方骨與近端肌CT值，MAR組均較non-MAR組低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）；在金屬偽影層面（前后方及側(cè)方）比較骨與近端肌SNR，MAR組圖像均較non-MAR組圖像高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）；比較兩組圖像遠(yuǎn)端肌CT值無明顯差異，但MAR組圖像SNR較non-MAR組高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）。

圖3 MAR組、non-MAR組在金屬偽影層面近端肌CT值、SNR與對應(yīng)無偽影層面比較的箱圖

表2 MAR組和non-MAR組在金屬偽影層面?zhèn)斡伴L短比較[M（P25，P75）]

表3 MAR組和non-MAR組在對應(yīng)無金屬偽影層面骨、肌CT值、SNR比較（±s）

表3 MAR組和non-MAR組在對應(yīng)無金屬偽影層面骨、肌CT值、SNR比較（±s）

組別 骨 近端肌 遠(yuǎn)端肌CT值/HU SNR CT值/HU SNR CT值/HU SNR MAR 66.64±9.07 2.77±0.38 53.21±13.36 3.52±1.53 50.85±9.75 3.37±1.39 non-MAR 68.15±9.27 2.97±0.40 53.19±14.24 3.41±1.40 52.04±11.07 3.68±2.21 t值 0.854 0.202 0.037 1.161 -1.104 -1.190 95%CI -2.69～6.69 -0.19～0.24 -1.36～1.41 -0.08～0.32 -3.44～1.04 -0.86～0.23 P值 0.397 0.841 0.971 0.251 0.280 0.245

表4 MAR、non-MAR與對應(yīng)無金屬偽影層面的骨及近端肌CT值、SNR的多重比較[M（P25，P75）]

表5 MAR、non-MAR與對應(yīng)無金屬偽影層面的骨及近端肌的CT值、SNR兩兩比較

表6 MAR組和non-MAR組在金屬偽影層面骨、肌的CT值、SNR比較[M（P25，P75）]

3 討論

3.1 能譜CT應(yīng)用在金屬內(nèi)固定術(shù)后隨訪中的優(yōu)勢

GE能譜CT成像是通過高壓發(fā)生器瞬時kVp切換技術(shù)聯(lián)合超快速的寶石探測器而進(jìn)行的一種成像技術(shù)[8]，通過球管中高低能量（一般為80 kVp和140 kVp）的瞬時切換實現(xiàn)，能夠達(dá)到小于0.5 ms的能量時間分辨率，從而產(chǎn)生時空上幾乎完全匹配的雙能數(shù)據(jù)（相鄰高低能量之間的投影角度差＜0.18°），觀察者可以在幾乎相同的方向觀察高低雙能解剖圖像。金屬內(nèi)固定術(shù)后隨訪CT掃描過程中，每種物質(zhì)都有其獨特的能量衰減曲線，而常規(guī)CT掃描時球管發(fā)出的X射線是多種能量混合的射線，因此物質(zhì)的衰減是重疊的。能譜CT成像基于高壓發(fā)生器瞬時切換[9]，經(jīng)過超快速的探測器獲得雙能量圖像，能夠重建出40～140 KeV內(nèi)任意能級的單能量圖像，從而進(jìn)一步選擇顯示某種組織的最佳KeV單能量圖像。Dunet等[10]的研究顯示，能譜CT成像單能量KeV值越高，去除金屬偽影效果越好，120 KeV為單能量成像最佳點。鄧小林等[11]的研究表明，在優(yōu)化血管顯示方面，單能量KeV值越低，顯示血管能力越佳，并且最佳KeV為57～63 KeV。孫才淵等[12]的研究報道了能譜CT在高電壓區(qū)可以明顯減少金屬植入物偽影，且最佳KeV為100～120 KeV。本研究獲取圖像后均進(jìn)行最佳KeV單能量重建，脊柱采用100 KeV單能量進(jìn)行重建，四肢關(guān)節(jié)采用120 KeV進(jìn)行重建，然后進(jìn)行比較，結(jié)果可信度較高。

3.2 MAR技術(shù)應(yīng)用在金屬內(nèi)固定術(shù)后隨訪中的優(yōu)勢

MAR技術(shù)是基于原始數(shù)據(jù)多次迭代重建的去金屬偽影后處理技術(shù)[13]，它首先確定與金屬植入物相對應(yīng)的損毀的原始數(shù)據(jù)，然后將原始數(shù)據(jù)分類后正向投影，得到校正數(shù)據(jù)，再用校正數(shù)據(jù)替代金屬損毀數(shù)據(jù)，與原始投影數(shù)據(jù)結(jié)合疊加，進(jìn)而生成最終的投影數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)理論上可以達(dá)到無瑕疵，即完全去除偽影，進(jìn)一步顯示隱藏在金屬偽影下的解剖細(xì)節(jié)。

MAR技術(shù)無須改變掃描條件，也不必額外增加輻射劑量，它是一種內(nèi)置圖像重建算法[7,13]，利用二維投影函數(shù)算法對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行多次迭代重建，可減輕甚至剔除被金屬偽影影響的原始數(shù)據(jù)，獲得校正數(shù)據(jù)并替代金屬損毀數(shù)據(jù)，最終得到不受金屬偽影影響的投影數(shù)據(jù)，而非金屬區(qū)域圖像則不會受到影響。Jagoda等[14]的研究表明MAR技術(shù)仍存在不確定性，選用不同廠商開發(fā)的MAR技術(shù)及不同材質(zhì)的金屬植入物可能會得到不同的結(jié)果。本研究通過對比無偽影層面與MAR技術(shù)重建后的金屬偽影層面，發(fā)現(xiàn)兩者并無明顯差異，這表明本研究所選用的MAR技術(shù)在進(jìn)行迭代重建后能很好地去除金屬偽影，同時不產(chǎn)生新的偽影。金屬偽影的產(chǎn)生是由一系列復(fù)雜的過程[15]造成的，CT成像時X射線能量是混合能量，X射線光子由不同能量的光子組成，在經(jīng)過高密度物體衰減后，低能量光子被吸收衰減得更多，高密度物體前后方因光子饑餓效應(yīng)而產(chǎn)生低信號甚至無信號，而側(cè)方因射線硬化效應(yīng)信號往往會增強(qiáng)。金屬偽影的存在往往會干擾影像醫(yī)師和臨床醫(yī)師的診斷，為臨床診治及術(shù)后隨訪帶來困難[16]。本研究在無金屬偽影層面，MAR組和non-MAR組顯示效能無差別；在金屬偽影層面，MAR組圖像金屬偽影明顯較non-MAR組減輕，經(jīng)迭代重建后的CT值更加準(zhǔn)確真實，SNR也更高；non-MAR組圖像由于光子饑餓效應(yīng)、射線硬化效應(yīng)等的影響，CT值范圍更加極端化，偏離正常組織CT值過多，SNR過低，甚至不能達(dá)到診斷要求。MAR技術(shù)能明顯減輕金屬偽影，但并不能完全去除，本研究在金屬偽影層面，MAR組較non-MAR組偽影長度明顯縮短，但部分層面仍存在金屬偽影，故本研究在常規(guī)重建基礎(chǔ)上增加了VR降偽影技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充重建，發(fā)現(xiàn)其能很好地評估金屬植入物的狀態(tài)、金屬植入物與周圍組織的關(guān)系，為術(shù)后隨訪及影像診斷提供更多的影像信息。

3.3 能譜CT及MAR技術(shù)的局限性

應(yīng)用能譜CT掃描聯(lián)合MAR技術(shù)重建，金屬偽影仍未完全去除[17]，原因是多方面的。①CT掃描后獲得的最佳KeV單能量成像是通過數(shù)學(xué)模型迭代重建模擬出來的，并不是真正的單能量圖像，該能級的單能量成像也是相對其他能級而言的，一般情況下，低能級顯示軟組織的效果較好，高能級顯示骨骼的效果較好。本研究中最佳KeV只能兼顧兩者，并不能使某一種組織的顯示效果達(dá)到最佳；②MAR技術(shù)通過內(nèi)置算法對圖像進(jìn)行修正，多次計算會不可避免地造成新的偽影；③ 由于MAR技術(shù)算法量大，重組速度慢，這也給該技術(shù)在實踐中的應(yīng)用帶來一定的挑戰(zhàn)。

3.4 本研究存在的不足

本研究所獲取的樣本量不夠大，增加樣本量會使實驗數(shù)據(jù)更加可靠；金屬內(nèi)固定的材質(zhì)、數(shù)量、位置等可能會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)一步分類細(xì)化研究；本研究只針對骨骼及肌肉的顯示效果，并未對椎管、韌帶等組織的顯示效果進(jìn)行探討，下一步會對此做進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)論

能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)所獲圖像在金屬內(nèi)固定術(shù)后隨訪評估方面具有重大意義，經(jīng)MAR技術(shù)重建的組織CT值更接近真實值，SNR也較常規(guī)掃描有所提升，同時也不會產(chǎn)生新的偽影。聯(lián)合使用VR降偽影技術(shù)在顯示金屬內(nèi)固定方面效果較好，可以在常規(guī)三維重建基礎(chǔ)上為診斷及臨床治療提供更多影像信息。