基于模型的迭代重建、金屬偽影去除和噪聲優(yōu)化的虛擬單能成像在去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影效果的正交設(shè)計(jì)研究

成慶 夏可周 彭宙峰 程亮 郭衛(wèi)春

腰椎內(nèi)固定手術(shù)因力學(xué)強(qiáng)度高、術(shù)后效果好等優(yōu)勢(shì),已成為治療腰椎疾病的常用方法。CT是術(shù)后檢查的常用方法[1],但由于金屬偽影的干擾,嚴(yán)重影響了對(duì)椎弓根螺釘及其鄰近組織結(jié)構(gòu)的評(píng)估。基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction,MBIR)算法、金屬偽影去除(metal artifact reduction,MAR)算法和噪聲優(yōu)化的虛擬單能成像(noise-optimized virtual monoenergetic imaging,VMI+)是三種不同的CT圖像后處理算法,在去除金屬偽影方面的研究已有相關(guān)報(bào)道[2-4]。然而,關(guān)于MBIR、MAR、VMI+在對(duì)腰椎內(nèi)固定金屬偽影的去除效果差異和最佳聯(lián)合方案,國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。本研究采用正交設(shè)計(jì)的方法,分析和比較MBIR、MAR、VMI+在去除腰椎內(nèi)固定高密度和低密度金屬偽影的效果差異,并提出可能的最佳聯(lián)合方案。

對(duì)象與方法

一、對(duì)象

回顧性收集了我院2022年11月～2023年9月期間,行腰椎內(nèi)固定術(shù)后行CT檢查病人的原始數(shù)據(jù),共10例,其中男性3例,女性7例,年齡50～69歲,平均年齡59.4歲。納入標(biāo)準(zhǔn):(1)腰椎內(nèi)固定術(shù)后CT復(fù)查病人;(2)圖像無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)圖像存在運(yùn)動(dòng)偽影;(2)腰椎腫瘤。

二、方法

1.儀器及掃描參數(shù):檢查機(jī)型為第三代雙源SOMATOM Force CT。掃描參數(shù):兩個(gè)球管管電壓分別為100kV 和Sn150 kV,開啟智能管電流調(diào)制技術(shù) (caredose 4D),旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.33 秒,螺距為0.5,探測(cè)器準(zhǔn)直器寬度為128×0.6 mm,重建層厚、層間距均為1mm,矩陣為512×512。

2.正交設(shè)計(jì):本實(shí)驗(yàn)以MBIR(ADMIRE,Siemens Healthcare)、MAR(iMAR,Siemens Healthcare)、VMI+(VMI,Siemens Healthcare)為考察因素,以偽影指數(shù)(artifact index,AI)為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用L8(27)正交實(shí)驗(yàn)表設(shè)計(jì)3因素2水平的實(shí)驗(yàn)方案,共進(jìn)行10次重復(fù)實(shí)驗(yàn),同時(shí)考慮MBIR、MAR、VMI+三因素之間的交互作用,因素水平見表1,L8(27)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表見表2。

表1 因素及水平方案

表2 L8(27)正交設(shè)計(jì)方案表與結(jié)果

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié)果

1.直觀分析:本實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)AI的值越小越好。直觀分析顯示,在對(duì)AI1值的影響中,各因素和因素間交互作用的影響大小順序?yàn)镃>B>B×C>A>A×C>A×B。在對(duì)AI2值的影響中,各因素和因素間交互作用的影響大小順序?yàn)? B>C>B×C>A>A×B>A×C。A、B、C因素不同水平對(duì)AI1值和AI2值的影響,均為k2>k1,即A2>A1、B2>B1、C2>C1。見表2。

2.方差分析:本研究存在空白列,在方差分析過程中,將空白列的離差平方和與誤差的離差平方和合并,重新進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5]。如表3,方差分析結(jié)果顯示,在對(duì)AI1值的影響中,因素A、因素B、因素C及A×B、A×C、B×C的交互作用兩水平差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001);在對(duì)AI2值的影響中,因素A、因素B、因素C及A×B、B×C的交互作用兩水平差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001),A×C的交互作用兩水平差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表3 方差分析

由于存在交互作用,要確定最佳的聯(lián)合方案,需進(jìn)一步分析因素間交互作用的不同水平組合。根據(jù)二元表,在對(duì)AI1值的影響中,A2B2組合(表4)、A2C2組合(表5)和B2C2組合(表6),優(yōu)于其他水平組合,為最佳水平組合。在對(duì)AI1值的影響中,A2B2組合(表7)和B2C2組合(表8),優(yōu)于其他水平組合,為最佳水平組合。見圖1。

圖A～H為該病例原始數(shù)據(jù)依次按L8(27)正交實(shí)驗(yàn)方案表處理的8組后處理圖像,如圖所示,不同聯(lián)合方案在去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影的效果上存在差異,其中以圖H為8號(hào)實(shí)驗(yàn)方案的后處理圖像,金屬偽影去除效果最顯著,即MBIR 4級(jí)、有MAR、130 KeV VMI+聯(lián)合方案為本實(shí)驗(yàn)最佳去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影的方案

表4 AI1 A×B的水平搭配表

表5 AI1 A×C的水平搭配表

表6 AI1 B×C的水平搭配表

表7 AI2 A×B的水平搭配表

表8 AI2 B×C的水平搭配表

討論

近年來(lái),脊柱外科技術(shù)迅速發(fā)展,腰椎內(nèi)固定術(shù)已廣泛應(yīng)用于治療腰椎骨折、椎體滑脫、腰椎椎間盤突出和椎管狹窄等多種腰椎疾病[6]。然而,術(shù)后可能存在內(nèi)固定松動(dòng)及斷裂的遠(yuǎn)期風(fēng)險(xiǎn),且錯(cuò)誤的椎弓根置釘可能導(dǎo)致鄰近組織損傷等并發(fā)癥。因此,準(zhǔn)確評(píng)估腰椎內(nèi)固定置入位置,對(duì)評(píng)估并發(fā)癥及預(yù)后具有重要的意義。CT成像檢查是腰椎內(nèi)固定術(shù)后隨訪的常用檢查方法。然而,金屬偽影的存在影響對(duì)腰椎內(nèi)固定及其鄰近組織結(jié)構(gòu)的觀察。CT金屬偽影產(chǎn)生原因主要有X線束硬化效應(yīng)、光子饑餓效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)、部分容積效應(yīng)[7]。由于形成金屬偽影的原因不同,金屬偽影在CT圖像上的表現(xiàn)形式也不同。在腰椎內(nèi)固定術(shù)后病人的CT圖像中,表現(xiàn)為內(nèi)固定周圍的高密度偽影、沿椎弓根螺釘長(zhǎng)軸的低密度偽影,以及高密度與低密度的混合偽影。

既往的研究表明,MBIR、MAR、VMI+在去除金屬偽影方面效果顯著,這在Ishikawa等[8]和Zeng等[9]的研究中亦得到證實(shí)。本研究顯示,MBIR、MAR、VMI+是去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影的顯著因素,對(duì)高密度和低密度金屬偽影均具有顯著的去除效果,與前述研究一致。此外,盧國(guó)雄等[4]的研究顯示,高keV VMI+能有效減少金屬偽影的同時(shí)兼顧良好的組織對(duì)比。Wellenberg等[10]的研究顯示,MBIR在較高強(qiáng)度等級(jí)的迭代水平上,具有更好的金屬偽影去除效果。本研究結(jié)果顯示,相對(duì)較低強(qiáng)度等級(jí)的MBIR、低能級(jí)的VMI+、無(wú)MAR,高強(qiáng)度等級(jí)的MBIR、高能級(jí)的VMI+,MAR表現(xiàn)出更好的腰椎內(nèi)固定金屬偽影去除效果,與前述研究結(jié)果一致。

由于不同算法的原理不同,在去除金屬偽影效果上也存在一定差異。 Anhaus等[11]的研究表明,對(duì)高原子序數(shù)或大型金屬偽影,MAR相較于VMI表現(xiàn)更佳;然而,對(duì)于脊柱內(nèi)固定金屬偽影,VMI則優(yōu)于MAR。Ishikawa等[8]的研究顯示,MAR是減少CT低密度金屬偽影最有效方法,而MBIR和VMI則是減少高密度金屬偽影最有效的方法。與傳統(tǒng)的VMI不同, VMI+采用分頻方法從低能量圖像中提取高對(duì)比度圖像信息,從最優(yōu)能級(jí)重建的圖像中提取低噪聲信息,將二者結(jié)合以獲得質(zhì)量更高的圖像[12]。相比傳統(tǒng)的迭代重建(IR),MBIR是新一代迭代重建算法,通過對(duì)CT圖像系統(tǒng)建模,考慮了系統(tǒng)噪聲、X線束硬化、X線散射、探測(cè)器特性等因素的影響,能夠更有效去除X線束硬化和康普頓散射造成的金屬偽影[13]。迄今為止,國(guó)內(nèi)外尚少見比較MBIR、MAR、VMI+在去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影方面的報(bào)道。本研究表明,MBIR、VMI+、MAR在腰椎內(nèi)固定金屬偽影去除方面存在顯著差異。在去除高密度金屬偽影方面,VMI+>MAR>MBIR;而在去除低密度金屬偽影方面,MAR>VMI+>MBIR。這些差異可能與MAR、VMI+、MBIR的原理有關(guān)。腰椎內(nèi)固定的高密度金屬偽影主要位于螺釘兩側(cè),主要由X線束硬化和康普頓效應(yīng)引起,而VMI+在去除X線束硬化引起來(lái)的高密度金屬偽影的效果更好。同時(shí),MBIR在去除X線束硬化和康普頓效應(yīng)形成的金屬偽影具有一定的優(yōu)勢(shì)。腰椎內(nèi)固定的低密度金屬偽影主要位于螺釘長(zhǎng)軸方向,主要由光子饑餓效應(yīng)引起,MAR在去除光子饑餓效應(yīng)引起的金屬偽影方面的表現(xiàn)更為優(yōu)越。這也說(shuō)明了針對(duì)不同類型的金屬偽影,形成的原因不同,應(yīng)該采取差異化的處理方法。

以往的研究多數(shù)采用單因素分析法,鮮有運(yùn)用多因素分析法,導(dǎo)致研究結(jié)果相對(duì)孤立,未能揭示各因素之間的關(guān)聯(lián)。本研究運(yùn)用正交設(shè)計(jì),克服了以往單因素分析的局限,可以深入分析因素之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響。有報(bào)道顯示,不同算法聯(lián)合應(yīng)用可能對(duì)算法性能產(chǎn)生影響。李杰等[14]的研究結(jié)果表明,相比單獨(dú)使用VMI,MAR與VMI的聯(lián)合應(yīng)用,在較低能級(jí)水平即可達(dá)到在高能級(jí)條件下同等的金屬偽影去除效果,提示了算法間的性能存在相互影響的可能。本研究結(jié)果表明,在MBIR、MAR、VMI+聯(lián)合應(yīng)用以去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影的條件下,存在明顯的交互作用,其中以MAR與VMI+的交互作用最顯著,表明MAR與VMI+聯(lián)合使用能夠增強(qiáng)算法的性能,得以更有效地去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影。這也提示了多算法聯(lián)合有望增強(qiáng)算法性能,具有更強(qiáng)的金屬偽影去除效果。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn),MBIR 4級(jí)、130KeV VMI+及MAR的聯(lián)合方案為本研究的最佳的方案,提示了較高強(qiáng)度等級(jí)的MBIR、較高能量水平的VMI+以及MAR的聯(lián)合方案可以更有效的去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影。

在低劑量條件下,Fukushima等[15]的研究顯示,與MAR相比,MBIR可以更有效去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影。然而,本研究發(fā)現(xiàn),在對(duì)低密度和高密度金屬偽影去除效果方面,MAR明顯優(yōu)于MBIR。這一差異可能歸因于MAR算法的性能受到劑量水平的影響,這在Grandmougin等[3]的研究中得到證實(shí)。MAR算法在原始數(shù)據(jù)處理過程中,涉及一個(gè)對(duì)金屬偽影區(qū)域數(shù)據(jù)分割的步驟,在低劑量條件下,原始數(shù)據(jù)的噪聲增加導(dǎo)致對(duì)金屬偽影區(qū)域數(shù)據(jù)的分割不準(zhǔn)確,因而導(dǎo)致低劑量條件下MAR的金屬偽影去除效果不理想。

綜上所述,MBIR、MAR、VMI+是去除腰椎金屬內(nèi)固定金屬偽影的顯著因素。在對(duì)高密度偽影的去除效果上, VMI+>MAR>MBIR;在對(duì)低密度金屬偽影的去除效果上, MAR> VMI+> MBIR。MBIR、MAR、VMI+在聯(lián)合應(yīng)用于去除腰椎內(nèi)固定金屬偽影中,存在交互作用,其中以MAR和VMI+的交互作用最為顯著。MBIR 4級(jí)、130KeV VMI+、MAR為本研究的最佳的聯(lián)合方案。同時(shí),本研究也存在一定的局限性。第一,本研究定量評(píng)價(jià)了金屬偽影,但未進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。第二,本研究的腰椎內(nèi)固定都是鈦合金,未對(duì)其他材質(zhì)金屬進(jìn)行探討。第三,只在單一的CT制造商進(jìn)行研究,不同CT平臺(tái)的后處理算法可能存在差異。第四,未對(duì)MBIR和VMI+各個(gè)水平分別進(jìn)行研究。第五、樣本量較小。