能谱CT联合MAR技术在去除腰椎椎弓根内固定金属伪影中的应用价值
时间：2022-12-07 15:40:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
姬 龙，苟瀚恒，周代全（通讯作者）
（重庆医科大学附属第三医院 放射科 ，重庆 401120）
近年来，脊柱骨折的发生率越来越高，大约占全身骨折的5%～6%，其中胸腰椎骨折更常见，占一半以上［1］，且容易发生各种程度不同的脊髓损伤［2］。微创经皮椎弓根螺钉内固定术（percutaneous pedicle screw fixation，PPSF）是目前治疗胸腰椎骨折最常用的手术方式［2-3］，CT检查是术后随访的重要检查方法，但植入的椎弓根螺钉会在CT图像中产生各种金属伪影，主要包括射线束硬化金属伪影、光子饥饿伪影和散射伪影等［4-6］，这些伪影会严重影响临床医师对金属植入物的观察，而且伪影对周围组织的CT值的影响会给临床诊治及随访带来更多挑战。随着近些年影像设备的不断更新和处理软件的发展，已有多种设备及方法可以有效改善甚至完全去除金属伪影。能谱CT去金属伪影（multi-artifact reduction，MAR）技术是能谱CT单能量成像专用的去金属伪影技术，有文献指出MAR技术能够大幅减低椎弓根钉造成的伪影［7］。本文通过回顾性研究椎弓根固定术后CT复查患者影像资料，进一步探查能谱CT＋MAR技术去除腰椎内固定金属伪影效果，旨在提高椎弓根固定术后的CT图像质量并为临床提供更多的影像信息。
1.1 一般资料
收集2020年2月-2021年2月期间在我院行腰椎椎弓根内固定术后CT复查患者75例，按照扫描方式分为两组，对照组（常规CT扫描）28例，实验组（能谱CT扫描）47例。对照组中男19例，女9例，年龄 24-88岁，平均（55.1±11.9）岁；
实验组中男 20例，女 27 例，年龄 19-75 岁，平均（48.9±13.9）岁。
两组一般资料有可比性（P＞0.05）。本研究为回顾性研究，故没有进行伦理审查。
1.2 方法
1.2.1 仪器及扫描参数
实验组：GE Revolution CT，能谱模式（gemstone spectral imaging，GSI）80 kV/140 kV 快速自动切换，Recon Setting里面打开MAR，管电流405 mA，螺旋扫描，迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR） 30%，螺距（pitch）0.992∶1，窗宽（Window Width）350HU，窗位（Window Level）40HU。
对照组：GE optima CT660 CT，管电压120kV，管点流300mA，螺旋扫描，迭代重建30%，螺距0.984∶1，窗宽350HU，窗位40HU。两组扫描层厚、层间距均为5mm，重建0.625 mm Data薄层数据传至AW4.7工作站。
图像处理：对两组原始数据进行重建，包括多平面重建（multi planar reformation，MPR）及容积再现（volume rendering，VR）。选择腰椎椎弓根内固定螺钉伪影最严重层面和无伪影层面，分别在椎管内、椎体上、椎旁软组织、棘突旁及远端脂肪手动选择感兴趣区 （ROI）（图 1），ROI大小均为 10mm2，测量并记录ROI内CT值及其标准差（standard deviation，SD），如图 1 所示。
图1 无伪影层面和伪影最重层面ROI选取
1.2.2 图像评价方法
分别使用主观评价和客观评价。
1.2.2.1 主观评价
由2名五年以上阅片经验影像医师采用盲法对MAR组图像和非MAR组图像及重建图像进行两次评价，取两次评价值的均值。图像质量评价参考Likert 5分制［8］，分别对椎体结构、椎管及椎间盘显影、椎旁肌肉组织进行评价：5分，伪影极少或无伪影，可以完全诊断；
4分，出现轻度伪影，但不影响诊断；
3分，出现中度伪影，但尚能做出诊断；
2分，出现严重伪影，难以做出诊断；
1分，出现严重伪影且无法诊断。
1.2.2.2 客观评价
通过ROI内CT值及SD值，计算ROI内的伪影指数（ artifact index，AI）［8］。
AI＝（ SDROI2-SDfot2）2⅟，SDROI是 ROI内的 SD 值，SDfot是脂肪组织的SD值。
1.3 统计学分析
采用SPSS 26.0统计软件，首先进行正态性检验，计数资料服从正态分布的以均数±标准差（±s）表示，不服从正态分布的以中位数 M（P25，P75）表示。P＜0.05为差异有统计学意义。
2.1 主观评价结果
在伪影最重层面MAR组图像和非MAR组图像原始图像主观评分（见表 1）分别为 2.5（1.0，3.0）1.0（1.0，2.0），两组之间比较差异有统计学意义（P＜0.05），说明能谱CT＋MAR技术获得图像较常规CT平扫获得图像质量明显提升。经过VR及MPR重建后 （图2），MAR组和非MAR组重建图像主观评分（见表 1）分别为 3.0（1.5，3.0）、1.0（1.0，2.0），两组之间比较差异有统计学意义（P＜0.05），说明获得两组图像后进行重建，能谱CT＋MAR技术组效果优于常规CT平扫组。
表1 伪影最重层面MAR组和非MAR组原始图像及重建图像主观评分
图2 A图为能谱＋MAR重建后VR图像，伪影较轻，椎弓根显示好；
B图为常规CT重建后VR图像，伪影重，椎弓根显示差
2.2 客观评价结果
在伪影最重层面不同组织中MAR组图像CT值、SD值、AI较非MAR组图像均较低（见表2），且除棘突旁AI、脂肪CT值对比外，其他组对比均有统计学意义（P＜0.05）。由结果可见，能谱CT＋MAR技术对减低图像金属内固定伪影指数、减轻金属内固定伪影比常规CT扫描效果更好，由于金属内固定伪影影响，导致非MAR组图像所观察组织CT值增高，且大大偏离正常组织CT值范围，而MAR组图像所观察CT值则在正常组织范围内或者接近正常组织CT值，这表明能谱CT＋MAR技术所获得图像更加真实可靠，且能提供更多信息。
表2 伪影最重层面MAR组和非MAR组不同组织的CT值、SD值、AI
近年来随着脊柱内固定技术的快速发展，后路椎弓根内固定术已越来越多应用于胸腰椎骨折的治疗，此术式能进一步恢复患者伤椎高度，并且在重建胸腰段正常解剖序列中效果显著，叶辉和陈其昕（2017）［9］、孙国荣等（2019）［10］研究显示，后路椎弓根内固定术在治疗胸腰椎骨折方面优势显著，患者创伤少、恢复快、无需微创减压、较常规开放手术疼痛缓解快，但远期（1年以上）容易出现椎体高度降低及内固定器松动断裂等一系列并发症，再次对患者造成伤害。CT检查是术后随访的重要检查方法，不仅能了解腰椎内固定位置状态、形态改变，同时对显示椎管内结构、椎旁软组织效果也较好，但是内固定螺钉产生的金属伪影影响图像质量等问题也接踵而来。CT金属伪影的产生原因多且复杂，主要有射线硬化效应、电子饥饿效应、部分容积效应等。在含有金属植入物的CT图像层面中，电子饥饿效应和散射效应会产生高密度伪影；
而衰减结构后方的射线硬化效应则会产生星条状低密度伪影，故金属植入物的伪影表现常为放射状高密度影和低密度暗区同时存在并相互影响［4］。
Sana 等（2015）［6］研究指出，金属伪影不仅出现在骨-金属界面、肌肉-金属界面，还会出现在远离内固定的软组织中。能谱CT突破了传统CT在球管方面的限制，传统CT利用单一能量成像，在采集过程中，利用高管电压（kVp）和高管点流（mA）成像，在一定程度上减少了金属伪影，但无疑会增加患者的辐射剂量，因此局限性较大；
而能谱CT采用高低能量瞬时切换（80KVp 和 140KVp），切换时间＜0.5ms，在快速切换过程中，采用数据插值方式进一步保证高低能量投影间的数据一致性，有效分解投影空间的物质，产生时空上基本完全匹配的双能数据，从而进一步获取高分辨率、低伪影影响的目标投影，辐射剂量较传统CT也明显减低。一般来说，X线的能量分布具有连续性，穿过X线的各种组织可以得到其衰减吸收曲线，且这种曲线是特定的，每种组织的特定吸收系数可通过两种对X线衰减不同的物质（基物质对）来决定。能谱CT就是利用组织在不同X线能量下的不同吸收曲线，从而得到比常规CT更真实、更具说服力的影像信息。与单纯通过软件算法减轻金属伪影所不同的是，能谱CT是在进行图像采集过程中，利用高低能量瞬时切换技术去照射，进而采集双能量投影数据，达到提升图像质量的目的，然后利用MAR算法减轻金属伪影，使图像质量进一步提升。MAR算法是GE公司推荐的新型去伪影算法，该算法一次采集可得到高低能量 （80KVp和140KVp）数据，同时可以重建出40-140keV内的单能量数据，故可以明显减轻伪影，同时又缩短了检查时间，提升了患者检查的舒适度。MAR算法先确定与金属植入物相对应的“损毁”的原始数据，然后把组织分解后正向投影，得到校正后无瑕疵数据，用校正后数据代替损毁数据，再叠加原始投影数据，得到最终投影数据。从理论上来说，最终数据中金属伪影全部被消除，因此可显示被伪影遮挡的解剖细节［11］。常规CT的基础算法为传统的滤波反投影（filter backup projection，FBP），其缺点是 CT 图像中金属植入物的光子饥饿伪影和射线硬化效应等会使图像噪声增加、伪影加重；
而MAR算法是一种基于迭代重建的去金属伪影算法，无需改变扫描条件，也不会增加辐射剂量，利用改进的图像重建算法，反复对图像中的投影数据进行迭代运算，剔除有金属伪影的原始数据，叠加校正后的数据，最终得到的图像不再受大量金属伪影的干扰，同时也不影响非金属区域图像［12-13］。因此，从理论上讲，能谱 CT＋MAR技术能够完全避免因射线硬化产生的金属伪影。
本研究中，能谱CT＋MAR技术组获取的图像较常规CT扫描所获取的图像金属伪影明显减少，且经过后处理过程，能谱CT＋MAR技术组获取的图像更加真实，几乎不受金属伪影干扰。同时，比较CT值、SD值、AI值后可以发现，除棘突旁AI及远端脂肪CT值没有统计学意义外，能谱CT＋MAR技术组获取的图像CT值更接近正常组织CT值，且SD值、AI值均小于常规CT扫描所获取的图像。由此可见，能谱CT＋MAR技术在去除金属伪影方面较常规CT扫描效果极大提升，也会为临床提供更多更真实的影像信息。本研究中，棘突旁AI及远端脂肪CT值没有统计学意义，可能原因是金属伪影易出现于金属内固定后方及侧方，同时棘突距离金属内固定位置又较远，故受金属伪影影响比较小；
远端脂肪则是距离金属内固定远，基本不受金属伪影影响。
本研究尚存在一些不足：①实验样本量较小，如果进一步增大样本量会使数据更加可靠，增加说服力；
②不同患者金属内固定材质可能不同，是否会对数据产生影响，需要进一步研究；
③本文得到结论，能谱CT联合MAR技术较常规CT平扫在显示椎弓根内固定方面效果更好，但并未研究能谱CT在具体某一能级能量下效果达到最好，后续将会进一步探索。
总之，能谱CT联合MAR技术较常规CT能更好地减轻金属内固定伪影，降低图像伪影指数，并且获得的图像更加真实，能为临床提供更多更准确的影像信息。
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