能譜CT去金屬偽影技術(shù)對髖關(guān)節(jié)置換患者置換物偽影及成像質(zhì)量效果影響研究＊

張曉慧 袁 穎

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科(北京 100050)

在人口老齡化進程加重形勢下，髖關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死等關(guān)節(jié)疾病逐年上升，據(jù)悉全球病例近2.4億人，其中我國＞50歲人群患病率為14.3%[1]。隨髖關(guān)節(jié)置換術(shù)日臻成熟，越來越多病例傾向選擇該術(shù)式用于臨床治療，據(jù)估計，2019年全國髖關(guān)節(jié)置換術(shù)手術(shù)量逾90萬臺[2]。但于臨床應(yīng)用過程中，仍有部分患者會出現(xiàn)假體松動、骨折、感染等并發(fā)癥，這可影響手術(shù)療效，進而導(dǎo)致患者預(yù)后不佳[3]。由此，及時發(fā)現(xiàn)診斷髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后并發(fā)癥并進行干預(yù)至關(guān)重要?，F(xiàn)階段術(shù)后復(fù)查主要采用常規(guī)CT檢查，但髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中使用金屬植入物在常規(guī)CT檢查中會形成星芒樣或放射狀偽影，原因主要為線束硬化及光子饑餓，可干擾周圍組織及骨質(zhì)觀察，進而導(dǎo)致漏診或誤診[4]。隨儀器革新發(fā)展，現(xiàn)今立足卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)研發(fā)的能譜CT可瞬時切換高(140KV)/低電壓(80KV)同源、同時、同向收集數(shù)據(jù)，并在在投影空間中解析獲取101個單能量成像(40KeV～140KeV)，可有效避免X線能量不純形成的反射及散射導(dǎo)致的金屬偽影，此外，減少偽影發(fā)生還可通過圖像質(zhì)量優(yōu)化及最佳單能量圖像選擇來實現(xiàn)[5]。但能譜CT仍存在一定局限，因?qū)拵茏V光使用可導(dǎo)致測量物體X線吸收系數(shù)不確定，可能會在影像中表現(xiàn)出骨骼間帶狀偽影。且需根據(jù)患者個體化靈活選擇最佳單能量圖像[6]。而作為專門用于金屬偽影去除的去金屬偽影(MAR)技術(shù)，能有效糾正由“光子饑餓”造成的低密度偽影，可在能譜CT自帶單能量圖像基礎(chǔ)上進一步減少金屬偽影[7]。鑒于金屬植入物大小、形態(tài)及材質(zhì)乃至植入部位差異影響，利用MAR去除金屬偽影效果存在一定差異。且MAR是否可用于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)置換術(shù)后金屬植入物偽影去除尚未見可靠證據(jù)，有待進一步研究證實?，F(xiàn)作報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料回顧性研究，研究時限：2022年1月至2023年10月；研究地點：首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院；研究對象：髖關(guān)節(jié)置換患者；研究例數(shù)：42例。

納入標(biāo)準(zhǔn)：滿足髖關(guān)節(jié)置換指征；均應(yīng)用CT能譜及MAR技術(shù)；患者及家屬對研究知情同意；排除標(biāo)準(zhǔn)：CT圖像質(zhì)量欠佳，原因歸咎于患者自身或操作不當(dāng)；精神認知異常；臨床資料缺失。其中，男24例，女18例；年齡45～78歲，平均(62.27±8.52)歲；手術(shù)原因：8例骨性關(guān)節(jié)炎、12例股骨頸骨折、20例股骨頭壞死及2例強直性脊柱炎。研究申請已通過北京友誼醫(yī)院倫理委員會核準(zhǔn)并授意執(zhí)行。

1.2 分組標(biāo)準(zhǔn)基于原始能譜CT掃描數(shù)據(jù)，權(quán)定能級范圍70～130keV，并以20keV能級為間隔(依次為70keV、90keV、110keV及130keV)，共計4組，所獲單能量圖像按MAR技術(shù)使用有無分為非MAR組、MAR組。

1.3 方法

1.3.1 掃描方法 指導(dǎo)患者仰臥，頭先進。采用256排Revolution型CT(美國GE公司)自髖關(guān)節(jié)置換術(shù)上下端(通常均＞5cm)行CT掃描，設(shè)置掃描參數(shù)，管電壓80/140kV快速切換，管電流采用Smart mA模式，電流變化范圍180～320mA，準(zhǔn)直器寬度0.625mm，旋轉(zhuǎn)時間0.28s，螺距0.984，層厚0.6mm。重建間隔5mm，矩陣512×512。掃描后所獲80/140kV融合CT圖像數(shù)據(jù)傳至GE公司AW4.7工作站，啟用能譜分析軟件GS1 viewer，基于原始能譜CT掃描數(shù)據(jù)，權(quán)定能級范圍70～130keV，并以20keV能級為間隔，依次為70keV、90keV、110keV及130keV，共計4組，所獲單能量圖像按MAR技術(shù)使用有無分為非MAR組、MAR組。

1.3.2 圖像分析 信噪比(SNR)及偽影指數(shù)(AI)計算(客觀評價)：在相同層面，測量置換物周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱及皮下脂肪4個感興趣區(qū)(ROI)(每個ROI大小約為30～64mm2)的CT值及標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，每個位置分別放3次ROI，重復(fù)測量3次取平均值，以CT皮下脂肪及SD皮下脂肪為基準(zhǔn)(即在皮下脂肪放ROI)，測算置換物周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱在相同能級下的信噪比(SNR)及偽影指數(shù)(AI)。計算公式如下[8]：SNR=CTx值/SDx值，其中，x指代置換物周圍肌肉、周圍骨組織及膀胱；AI=(SDx值2-SD脂肪值2)0.5。 置換物周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官情況主觀評分：由2名高年資(工作年限12年、14年)放射醫(yī)師在盲法下獨立評估置換物周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官情況等結(jié)構(gòu)金屬偽影及周圍組織情況，參考文獻[9]，采用Likert 5級評分法(1～5分)，以嚴(yán)重偽影產(chǎn)生，無法實施診斷計作1分，以嚴(yán)重偽影產(chǎn)生，難以實施診斷計作2分，以中度偽影產(chǎn)生，尚可實施診斷計作3分，以輕微偽影產(chǎn)生，不形成診斷干擾計作5分，以偽影極少或未形成，可明確診斷計作5分。若意見出現(xiàn)分歧，則經(jīng)協(xié)商后統(tǒng)一口徑。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理應(yīng)用SPSS 22.0軟件作統(tǒng)計處理，符合正態(tài)分布計量資料以“±s”形式表示，重復(fù)測量數(shù)據(jù)行獨立樣本t檢驗，若P<0.05，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 兩組置換物周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱在相同能級下的SNR及AI比較隨能級升高，兩組置換物周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱SNR均有升高，AI均有降低，且在70～110KeV能級條件下，MAR組置換物周圍肌肉、周圍骨組織SNR均高于非MAR組，AI均低于非MAR組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，在70～130KeV能級條件下，MAR組膀胱SNR均高于非MAR組，AI均低于非MAR組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，詳見表1-3。

表1 兩組置換物周圍肌肉在相同能級下的SNR及AI比較

表2 兩組置換物周圍骨組織在相同能級下的SNR及AI比較

表3 兩組膀胱在相同能級下的SNR及AI比較

2.2 兩組置換物周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官情況主觀評分比較隨能級升高，非MAR組周圍肌肉、盆腔器官主觀評分先升后降，于110KeV抵達最高值，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)主觀評分逐步升高，MAR周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官情況主觀評分均逐步升高，于70keV、90keV、110keV及130keV相同能級下，相較于非MAR組，MAR周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官情況主觀評分均更高(P<0.05)，詳見表4。

表4 兩組置換物周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)情況及盆腔器官情況主觀評分比較

3 討 論

在CT檢查過程中，經(jīng)髖關(guān)節(jié)置換術(shù)植入金屬物通?？沙霈F(xiàn)線束硬化及金屬投影，前者是指機體經(jīng)混合能量X射線束穿過后，組織首先吸收低能量X射線，使得高能量X射線穿透機體組織，X射線束平均能量獲有整體提升，由此導(dǎo)致X射線束硬化形成杯狀或條狀偽影[10]；后者是因X射線束穿透金屬時強度驟然衰減引發(fā)CT投影數(shù)據(jù)失真形成的高密度條狀偽影[11]。雖然借助窗位降低、窗寬擴大以及骨算法重建可一定程度減少傳統(tǒng)CT檢查形成的金屬植入物偽影，但造影過大可影響圖像質(zhì)量，且周圍軟組織難以有效顯示、評估，此外，還無法解決X線束形成的硬化偽影[12]。隨CT儀器革新發(fā)展，能譜CT自身具有的單能量成像以及結(jié)合MAR技術(shù)在偽影去除作用日益明確，現(xiàn)已在義齒種植[13]、顱內(nèi)動脈瘤彈簧圈栓塞術(shù)[14]、脊柱后固定術(shù)[15]患者偽影去除上獲有確切效果。但在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)上，能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)偽影去除效果尚缺乏深入研究。

通常來說，不同能級水平圖像特征不一，處于40～65KeV水平的X線能量較低，穿透力不高，較易吸收，導(dǎo)致圖像對比度增強，但與此同時噪音增強，圖像質(zhì)量普遍較差。而70KeV水平圖像質(zhì)量與120KV常規(guī)混合能量質(zhì)量接近。而能譜CT能級范圍為40～140KeV，考慮到輻射劑量不宜過高，茲本文以間隔20KeV進行劃分，權(quán)定能級范圍為70～130KeV。由本文結(jié)果顯示：隨能級上升，兩組置換物周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱SNR均有升高，AI均有降低。且與非MAR組相比，MAR組在70～110KeV能級條件下，置換物周圍肌肉、周圍骨組織SNR更高，AI更低，在70～130KeV能級條件下，膀胱SNR更高，AI更低。提示能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)可減少髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者偽影及噪音。究其原因在于[16-17]：MAR是在CNN基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，經(jīng)過特征提取、非線性濾波及圖像重建步驟可區(qū)分組織結(jié)構(gòu)和射束硬化偽影區(qū)，且可預(yù)測部分偽影信息。而后對射線通過金屬植入物后產(chǎn)生的光子饑餓現(xiàn)象形成的低信號進行數(shù)據(jù)處理，以便獲取準(zhǔn)確金屬植入物及其周圍組織投影數(shù)據(jù)，并考慮到金屬植入物存在這一前提條件下，對圖像數(shù)據(jù)進行重新計算，可有效降低金屬偽影作用。但在130KeV能級條件下，能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)較單一能譜CT在置換物周圍肌肉、周圍骨組織的偽影減少效果上并未體現(xiàn)明顯益處。原因在于MAR在偽影校正時可能因過分矯正導(dǎo)致形成新的偽影(主要是將具有較大密度差別的機構(gòu)誤當(dāng)做偽影)，且能級過大時，還可影響軟組織及肌肉的診斷分析。這與Βongers等[18]研究證實相較于單一能譜CT，能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)金屬偽影去除效果更好結(jié)論相符，但該研究認為130KeV為最佳能級，與本文結(jié)論有所不符，究其原因可能與金屬植入物大小、結(jié)構(gòu)及形態(tài)差異有關(guān)。而在獲有良好偽影去除效果的同時，還需充分顯示金屬植入物周圍肌肉及組織乃至膀胱的關(guān)系，以便獲得高質(zhì)量圖像進行準(zhǔn)確臨床診斷。但能級上升在減少AI值的同時，隨之而來的問題是對比度下降，可影響金屬植入物軟組織層次比對[19]。由此，筆者還與放射科醫(yī)師一同協(xié)作，進一步探討了能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)對髖關(guān)節(jié)置換患者置換物成像質(zhì)量效果。根據(jù)本文結(jié)果發(fā)現(xiàn)單一能譜CT在110KeV可同時兼顧到偽影去除及金屬植入物周圍組織及結(jié)構(gòu)顯示2個方面，且能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)亦有助于髖關(guān)節(jié)置換患者置換物成像質(zhì)量提高。這與李杰等[20]研究表明≥110KeV水平可使脊柱患者獲有較佳成像質(zhì)量，便于臨床診斷進行相符。

綜上所述：髖關(guān)節(jié)置換患者應(yīng)用能譜CT聯(lián)合MAR技術(shù)，置換物偽影得以減少，成像質(zhì)量效果獲有提高，推薦在110KeV能級水平上采用MAR技術(shù)，可最大限度消除金屬偽影，并充分顯示臨近組織，更有助于臨床診斷。但本文存在以下局限：(1)納入樣本數(shù)目較少，僅42例，尚待擴大樣本量以使研究更具代表性；(2)未控制光子饑餓效應(yīng)的影響，即未對金屬植入物具體信息，諸如大小、形態(tài)及金屬含量進行細化分類，由此可能導(dǎo)致研究結(jié)論出現(xiàn)一定偏倚；(3)本文權(quán)定能級范圍為70～130KeV，以間隔20KeV進行劃分，要明確最佳能級水平還有待研究從90～130KeV按間隔10KeV作進一步細分。