噪聲優(yōu)化的虛擬單能成像技術(shù)在口腔金屬植入物患者CT圖像中的應(yīng)用價值

盧國雄，姜雨松，顏卓恒，張芳，石廣滋，胡輝軍

計算機斷層掃描（computed tomography，CT）已廣泛運用于頜面部腫瘤性病變的檢測和定性［1，2］。但隨著口腔金屬植入物的廣泛使用，其所產(chǎn)生的金屬偽影嚴重影響著頜面部病灶的顯示［3，4］。目前，常規(guī)螺旋CT 常通過提高管電流（mAs）和管電壓（kV）等方式來減少偽影，但此類方法會增加輻射劑量，且管電壓的增加會降低組織對比度［5］。隨著雙能CT（dual-energy computed tomography，DECT）的不斷發(fā)展，其具備的較高keV 和較低keV 的虛擬單能量圖像（virtual monoenergetic imaging，VMI）能有效減少金屬偽影，但其對比噪聲比低［6-7］，一定程度上限制了其運用。近年來，噪聲優(yōu)化的虛擬單能成像（noise-optimized virtual monoenergetic imaging，VMI+）已初步應(yīng)用于臨床，在減少金屬偽影的同時，可以顯著提高圖像質(zhì)量［8-10］，目前，VMI+技術(shù)已在脊柱內(nèi)固定術(shù)后評估中已初步運用［11］。然而應(yīng)用VMI+技術(shù)減少口腔金屬偽影并改善口腔癌患者腫瘤顯示的研究報道得非常少。本研究擬通過比較DECT 的VMI+技術(shù)與VMI 技術(shù)在有口腔金屬植入物的口腔癌患者中的應(yīng)用，探索VMI+技術(shù)在減少口腔金屬偽影并改善圖像質(zhì)量中的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集中山大學(xué)孫逸仙紀念醫(yī)院2019年8月至2020年4月行頜面部CT 掃描且有口腔金屬植入物口腔癌患者的CT 影像資料。納入標準：①年齡≥18 歲；②存在人工金屬植入物；③病理確診為口腔惡性腫瘤；④雙能模式CT 掃描。排除標準：①存在不屬于人工金屬植入物的偽影；②嚴重心、肝、腎功能不全；③碘對比劑過敏。共54 名患者被納入研究，男女比例16∶11，年齡59.3±12.9歲；其中鱗狀細胞癌52 人，疣狀癌1 人，淋巴上皮瘤樣癌1 人；容積CT 劑量指數(shù)（CT dose index volume，CTDIvol）：19.76±3.00 mGy，劑量長度乘積（dose length product，DLP）：449.52±97.09 mGy*cm。

1.2 CT 檢查與圖像重建方法

CT 掃描在第三代雙源CT（SOMATOM Force，德國西門子公司）上采用雙能模式完成。掃描參數(shù)為：A 球管：70 kVp，70 mAs；B 管：Sn150 kVp，240 mAs；準直192×0.6 mm；轉(zhuǎn)速0.25 s；螺距0.7，開啟管電流調(diào)制。以4 mL/s 的流速靜脈注射1 mL/kg的碘造影劑（碘克沙醇，270 mg I/mL，上海通用電氣藥業(yè)公司），再用30 mL 生理鹽水沖洗，于注射造影劑25 s、50 s 后行動脈期、靜脈期掃描。掃描完成后采用卷積核Qr40 和自適應(yīng)迭代重建算法（advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE）分別重建VMI（40～190 keV，10 個keV 為間隔）和VMI+（40～190 keV，10 個keV 為間隔）圖像，層厚均為1 mm，層間距均為1 mm。然后將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦ぷ髡荆⊿yngo.via version VB 20A；德國西門子公司）進行圖像分析。

1.3 圖像定量分析

由一名6年CT 診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師對圖像進行客觀分析。選擇金屬偽影影響最嚴重的層面，分別在低密度金屬偽影區(qū)（40 mm2）、高密度金屬偽影區(qū)（100 mm2）、軟腭（40 mm2）、口底（40 mm2）、舌（40 mm2）、頰部軟組織（40 mm2）、腫瘤（40 mm2）、頸內(nèi)動脈（20 mm2）及頸內(nèi)靜脈（20 mm2）九個受金屬植入物影響的區(qū)域畫感興趣區(qū)（region of interest，ROI），另外在不受偽影干擾的頸部皮下脂肪區(qū)域畫一個ROI（40 mm2）。所有圖像中，10 個ROI 以相同的大小分別放置在相同的位置，測量CT 值和噪聲（standard deviation，SD）。分別測量兩次并對結(jié)果取平均值。采用偽影指數(shù)（artifact index，AI）來量化金屬偽影的嚴重程度，定義為AI=，其中SDa是鄰近金屬植入物ROI的SD值，SDb是相同層面皮下脂肪ROI 的SD 值。如果SDa＜SDb，則AI 為0；AI 值越小，表明金屬偽影的影響越小。

1.4 圖像定性分析

由三名放射科醫(yī)生（分別有12年、6年和4年的頭頸部放射診斷經(jīng)驗）在雙盲狀態(tài)下采用5分法對所有圖像進行圖像質(zhì)量評估：①低密度和高密度金屬偽影的程度：5分為幾乎沒有金屬偽影；4分為輕微金屬偽影；3分為中度金屬偽影；2分為明顯金屬偽影；1分為大量金屬偽影；②評估軟腭、口底、舌頭、頰部軟組織、皮下脂肪、腫瘤、頸內(nèi)動脈（internal carotid artery，ICA）和頸內(nèi)靜脈（internal jugular vein，IJV）和整體圖像質(zhì)量：5分為可完全診斷；4分為可診斷，存在不影響診斷的輕微金屬偽影；3分為可診斷，存在輕微影響診斷的金屬偽影；2分為診斷受限；1分為無法診斷［6］。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

使用統(tǒng)計軟件SPSS 26.0 進行數(shù)據(jù)分析，計量資料以平均值±標準差（±s）表示。用Kolmogorov-Smirnov 檢驗驗證數(shù)據(jù)的正態(tài)分布。符合正態(tài)分布用方差分析（analysis of variance，ANOVA）檢驗，組間比較采用LSD分析。不符合正態(tài)分布采用Friedman 檢驗，兩兩比較采用配對Wilcoxon 檢驗。觀察者間圖像質(zhì)量評分的一致性用內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）表示：ICC＜0.40，一致性差；ICC 為0.41～0.60，一致性中等；ICC 為0.60～0.80，一致性強；ICC 為0.81～1.0，一致性極強。P＜0.05 認為有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 偽影指數(shù)

低密度偽影、高密度偽影、軟腭、口底、舌、頰部軟組織、腫瘤、ICA 和IJV 的最小AI 值分別為130 keV VMI+、190 keV VMI+、190 keV VMI+、120 keV VMI+、120 keV VMI+、160 keV VMI+、130 keV VMI+、150 keV VMI+和120 keV VMI+。除低密度偽影最低AI 值與80～120 keV VMI（0.431≥P≥0.079），頰部軟組織的AI 值與80～140 keV VMI（0.272≥P≥0.050）和腫瘤的AI值與90～100 keV 的VMI（0.110≥P≥0.087）無明顯的統(tǒng)計學(xué)差異外，其余所有的VMI+系列與相同水平的VMI 系列相比明顯較低（0.000≤P≤0.047）。（表1）

表1 40～190 keV 重建圖像感興趣組織AI 值

2.2 圖像噪聲

VMI 系列的圖像噪聲從40 keV 到80 keV 或90 keV 明顯下降，并在最低水平后逐漸增加。在140 keV（低密度偽影）、160 keV（口底）、130 keV（舌和腫瘤）和180 keV（ICA）之后，VMI+系列的圖像噪聲與VMI 系列有相同的趨勢。但是高密度偽影、軟腭、頰部軟組織和IJV 的圖像噪聲隨著能量水平的增加持續(xù)下降。除60、70 keV 的VMI/VMI+系列外，VMI+的圖像噪聲均明顯低于相同能量水平的VMI 圖像（P＜0.05）。

2.3 圖像質(zhì)量主觀評價

觀察者主觀評分的一致性檢驗顯示絕大多數(shù)為一致性強或極強（ICC＞0.60）。低密度偽影、口底、舌、腫瘤、ICA 和IJV 在130keV VMI+中圖像評分最高，且明顯高于VMI 圖像系列（P≤0.026）。頰部軟組織、軟腭和高密度偽影在160 keV VMI+、180 keV VMI+和190 keV VMI+評分最高，且都明顯高于其他VMI 圖像系列（P＜0.019）。整體圖像評分在130 keV VMI+得分最高，且都明顯高于其他VMI 圖像系列（P＜0.05），但與130 keV VMI 相比沒有顯著差異（P=0.692）。（表2）

表2 40～190 keV 重建圖像感興趣組織和整體圖像主觀評分比較

圖1 右側(cè)舌鱗狀細胞癌患者，口腔內(nèi)見明顯金屬植入物，在130 keV VMI+上得到了低金屬偽影及最佳圖像質(zhì)量

3 討 論

CT 在口腔癌的診斷、鑒別診斷及療效評估中發(fā)揮著重要的作用。然而，隨著口腔金屬植入物的廣泛使用，其所產(chǎn)生的金屬偽影嚴重影響著口腔癌病灶的顯示，一定程度上限制了其臨床運用。目前，部分研究通過增加CT 掃描中的管電壓和管電流，使用窄的準直器和增加圖像的重建層厚及后處理算法等方法減少金屬偽影，然而，這些方法減低金屬偽影的能力非常有限，同時管電壓和管電流的提高會大大增加患者的輻射劑量［12］，限制了其臨床上的廣泛運用。近年來，隨著DECT的廣泛應(yīng)用，其在減少金屬偽影方面展示了一定的運用前景。DECT在不同的管電壓下使用兩個正交定位的球管-探測器，同時采集兩套不同的CT 圖像數(shù)據(jù)，通過處理分析可以重建出不同keV 能級下的虛擬單能量圖像［8］。研究表明VMI 圖像中的高keV 能量圖像由于穿透力高，更少受射線硬化偽影的影響，能夠明顯減少圖像的金屬偽影。目前，DECT已初步運用于脊柱及骨關(guān)節(jié)內(nèi)固定術(shù)后、血管支架術(shù)后金屬偽影的減少及消除［11，13，14］，但采用DECT 的VMI 技術(shù)應(yīng)用于口腔癌的相關(guān)研究仍非常少。本研究結(jié)果也提示，DECT 中的高KeV 能級圖像較低KeV 能級具備更低的AI 值，提示其能夠減少口腔金屬植入物的偽影；同時，與VMI 相比，VMI+具備更低的AI 值，更能夠提高病灶的顯示，這些結(jié)果提示能譜成像技術(shù)對于減少口腔癌患者金屬植入物偽影方面具備常規(guī)CT 所無法比擬的優(yōu)勢。另一方面，高KeV 能級圖像在減少金屬偽影的同時，其圖像的對比度減弱，軟組織的層次對比欠佳，一定程度上影響了圖像質(zhì)量，不利于病灶的顯示。VMI+技術(shù)能夠在一定程度上克服上述的不足，VMI+技術(shù)在減少金屬偽影的同時，能夠較VMI 技術(shù)更顯著提高圖像的對比噪聲比和信噪比［15-18］，明顯改善圖像質(zhì)量。本研究中，VMI+的圖像噪聲均低于VMI 圖像，絕大部分VMI+的圖像噪聲均明顯低于相同能量水平的VMI 圖像，提示VMI+不僅能減少圖像的金屬偽影，而且能夠明顯增加圖像的質(zhì)量。

不同能級的VMI+在減少金屬偽影和增加圖像對比方面有著不同的優(yōu)劣。低能級圖像金屬偽影大，圖像對比好，而高能級的圖像剛好相反。因此，尋求最佳能級平衡圖像質(zhì)量與圖像顯示的對比度是提高病灶顯示的關(guān)鍵及難點。本研究結(jié)果表明，在具有金屬植入物的口腔癌患者中推薦采用130 keV 能級，能夠在最大程度地減少患者的金屬偽影的同時，獲得病灶顯示的最佳圖像質(zhì)量。既往關(guān)于金屬植入物的最佳能級的推薦方面依據(jù)金屬內(nèi)固定物的種類及部位有所不同，Laukamp等［19］認為200 keV 是觀察全髖置換術(shù)后的最佳能級、Stehli 等［20］認為140 keV 是測量冠脈非鈣化內(nèi)腔直徑的最佳能級、鄧凱等［21］認為130 keV 是觀察腰椎金屬內(nèi)固定的最佳能級，我們的研究均等于或低于上述研究所推薦的能量水平，分析原因可能與不同的機器及掃描參數(shù)、內(nèi)固定器金屬的材料及部位等有關(guān)。此外，本研究重點為觀察口腔腫瘤的輪廓和與周圍組織的關(guān)系，而上述研究均主要為觀察內(nèi)固定周圍的骨質(zhì)情況，也導(dǎo)致了本研究的最佳keV 低于上述的最佳能級。

本研究存在局限性，雖然納入了各種口腔金屬植入物的患者，但是無法明確大部分金屬植入物的材料，無法研究不同材料金屬下應(yīng)用VMI+技術(shù)的好處。確定偽影較少的金屬植入物類別將會是我們未來的研究方向。此外，我們的樣本量較少。但是我們進行了詳細的主客觀分析，并且主觀分析證實了客觀分析的結(jié)果。隨著口腔金屬植入物越來越普遍，未來需要更好地減少偽影方法。在其他方法中，減少偽影專用的重建算法似乎很有前景，特別是將這些算法與VMI/VMI+技術(shù)相結(jié)合［22］。

綜上所述，能譜CT 的VMI+技術(shù)能夠有效地減少口腔癌患者金屬植入物所產(chǎn)生的金屬偽影，提高病灶的顯示。在具有金屬植入物的口腔癌患者中推薦采用130 keV 作為最佳能級，能保持最佳的偽影去除效果及整體圖像質(zhì)量，為口腔頜面外科提供更好的術(shù)前評估。