T-SMART 断层融合成像、CT 与 X 线摄影对髋关节假体周围结构观察的对比研究

马毅民 苏永彬 邵宏翊 王晨 徐黎 李娜 周一新 程晓光

. 骨科影像学 Orthopaedic radiology .

T-SMART 断层融合成像、CT 与 X 线摄影对髋关节假体周围结构观察的对比研究

马毅民 苏永彬 邵宏翊 王晨 徐黎 李娜 周一新 程晓光

目的 比较 tomosynthesis-shimadzu metal artefact reduction technology ( T-SMART ) 断层融合成像 ( tomosynthesis，TOMOS )、计算机 X 线断层扫描 ( computed tomography，CT ) 与数字化 X 线摄影 ( digital radiography，DR ) 显示髋关节假体及其周围结构的能力。方法连续选取进行单侧或双侧髋关节置换术( total hip arthroplasty，THA )，且已行术后 DR、CT 及 TOMOS 三项影像学复查的患者 20 例，男 12 例，女8 例，年龄 36～82 岁，平均年龄 61.0 岁。调阅并分析这 20 个病例的 TOMOS、CT 及 DR 影像资料，由 3 名高年资主治医师读片，并进行主观评分，评分标准为：假体周围结构观察清晰，图像评为“优”，记 2 分；因轻微伪影或受限于图像分辨率等原因，图像清晰度受影响，但基本不影响观察，评为“中”，记 1 分；因金属伪影大等因素，图像清晰度差，严重影响观察，评为“差”，记 0 分。评分结果以广义估计方程进行统计学分析。结果应用 TOMOS 观察髋臼 ( 含髋关节间隙 ) 的图像质量频率分布为：2 分 55%，1 分 40%，0 分5%，观察股骨上段假体周围组织的图像质量频率分布为：2 分 75%，1 分 25%，0 分 5%；应用 CT 观察髋臼( 含髋关节间隙 ) 的图像质量频率分布为：2 分 5%，1 分 60%，0 分 35%，观察股骨上段假体周围组织的图像质量频率分布为：2 分 5%，1 分 55%，0 分 40%，TOMOS 的评分高于 CT，差异有统计学意义 ( P＜0.001 )，应用 DR 检查观察髋臼 ( 含髋关节间隙 ) 的图像质量频率分布为：2 分 25%，1 分 75%，0 分 0%；观察股骨上段假体周围组织的图像质量频率分布为：2 分 50%，1 分 50%，0 分 0%，DR 的评分高于 CT，差异有统计学意义( P＝0～0.0077 )。结论髋关节假体 TOMOS 成像质量比 CT 图像好，又克服了 DR 不能分层薄层观察的缺点，在髋关节假体复查中有应用价值。

关节成形术，置换，髋；X 线影像增强；体层摄影术，X 线计算机；X 线断层融合

随着医学技术的发展，关节置换术被越来越多地应用在临床治疗工作中。关节置换能够解除病变关节的疼痛，改善关节稳定性和活动度。人工髋关节置换术 ( total hip arthroplasty，THA ) 后，有很多原因会引起髋关节疼痛，如假体松动、局部骨溶解、假体周围感染、局部应力遮挡、周围软组织假瘤形成等。正确评估 THA 术后的疼痛，对临床的诊断和治疗工作至关重要。

目前常用的数字化 X 线摄影 ( digital radiography，DR ) 以及计算机 X 线断层扫描 ( computed tomography，CT ) 等辅助检查，往往不能提供良好的假体周围成像：DR 所拍摄的影像结构互相重叠、遮盖，灵敏度和特异性均较差[1-2]；常规的 CT 会受金属假体伪影的影响，导致图像质量降低、CT 值发生变动等[3]，为诊断带来困难，甚至造成误诊或漏诊；此外，CT 检查的放射剂量较高。

随着数字化 X 线探测器技术的发展，X 线断层融合 ( tomosynthesis，TOMOS ) 受到越来越多的关注。常规 TOMOS 采用移位-添加 ( Shift-and-Add，SA ) 或滤过反向投影 ( filtered back projection，FBP )两种方法来进行图像重建，可获得分辨率较高的图像，并减少金属伪影。本研究在 TOMOS 图像重建中，应用到 tomosynthesis-shimadzu metal artefact reduction technology ( T-SMART ) 技术，这项技术能够把金属结构的影像从原始图像里分离出来，通过多次迭代重建计算，最终合成完整的图像。本研究比较了 DR、CT 及应用 T-SMART 技术的 TOMOS 对假体金属伪影的去除效果，以及图像中假体、假体周围结构显示的清晰程度，现报告如下。

资料与方法

一、一般资料

连续选取进行单侧或双侧 THA，且已行术后DR、CT 及 TOMOS 三项影像学复查的患者 20 例，平均年龄 61.0 ( 36～82 ) 岁。其中，女 8 例，平均年龄 59.0 ( 36～82 ) 岁；男 12 例，平均年龄 62.3 ( 41～76 ) 岁。所有病例髋关节假体均为钛合金材质。

二、TOMOS 设备及拍摄条件

图像数据采集方面，本研究使用一台数字化线性断层融合系统 ( sonial vision safire，shimadzu Co.，Kyoto，Japan )。这套设备包含一支 X 线球管( 0.4 mm 焦点 )，以及一个 432 mm×432 mm 数字化平板探测器 ( 像素分辨率 1024×1024，非晶体硒材质 )。X 线准直器的运动与射线管同步，摄像条件设定为：峰电压 80 kVp，电流 160 mA，单次曝光时间200 ms，断层角度 40°。

摄像时，患者取仰卧位。设置源像距 ( SID ) 为1100 mm，选用“TOMOS”图像采集模式。透视下定位，调整床高，使感兴趣区置于视野中央，并设定摄像起点、终点位置。嘱患者制动，进行连续拍摄。

在工作站上选取采集到的原始图像，使用“断层融合图像合成”模式，应用迭代重建算法。T-SMART 提供了多种不同的金属滤过器，来达到分离金属结构影像的效果，这些滤过器包括：“标准”，即图像中不含有金属成分；“金属针、线”，应用于图像内仅含金属线或较小的内固定钉的情况，依照金属物质大小分为“S”和“L”2 个等级；而当图像内含有金属固定板、髓内钉、假体( 如人工关节 ) 等较大的金属材质时，则应使用“金属”滤过器，根据金属材质体积的不同，滤过器分为“ SS，S，M，L，LL ”5 个等级；另外还有“外固定器 ( S，L )”滤过器，这是为了去除金属外固定架伪影而设计的。根据患者实际情况，我们选取“IR_THA”重建协议，并以“Metal L”模式分离金属假体影像。对迭代重建后的图像进行窗宽、窗位调整，适当锐化，使图像更加清晰。

三、CT 图像采集

患者取仰卧位，采用东芝 Aquilion 64 排 CT 机行髋关节扫描，扫描条件为：球管电压 120 kV，管电流 250 mA。扫描野上界至少达到双侧髋臼上缘上方 2 cm 平面，下界至少达到股骨小转子下方 5 cm平面。扫描后数据采用体算法重建，层厚及重建间隔均为 1.0 mm。

四、数字化 X 线摄影

应用 Kodak DirectView DR 7500 数字化 X 线机。采用单侧或双侧髋关节正位摄片标准进行拍摄，要求患者取站立位，双侧髋关节位于同一水平面，双足内倾，足尖相接触。选取双侧髂前上棘-耻骨联合上缘连线的中点下 2.5 cm 处为投照中心，令中心线对准股骨头。嘱患者制动，进行拍摄。

五、假体及其周围结构清晰度的评价

本研究采用主观评估和半定量方式对伪影强弱程度进行评价。主观评价标准为：在阅片工作站上分别浏览同一患者的 DR、CT 与 TOMOS 图像，抽取出 TOMOS 图像及 CT 冠状位重建图像 ( 容积数据 ) 中通过假体长轴线的层面，由 3 名高年资主治医师分别对所选取 TOMOS、CT 及 DR 图像中的髋臼及髋关节间隙、金属假体边界、假体股骨端周围骨质的清晰度进行观察和评分，标准如下：假体周围结构清晰，图像评为“优”，记 2 分 ( 图 1 )；因轻微伪影或受限于图像分辨率等原因，图像清晰度受影响，但基本不影响观察，评为“中”，记 1 分 ( 图 2 )；因金属伪影大等因素，图像清晰度差，严重影响观察，评为“差”，记 0 分 ( 图 3 )。结果不一致时，3 人协商决定。

六、统计学分析

采用广义估计方程比较不同检查方法的效果。采用 SAS 9.2 软件进行统计学分析，所有分析均采用双侧检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

图1 患者，男，58 岁，TOMOS 图像示髋臼、髋臼与假体间隙观察清晰，假体轮廓、边界清晰，股骨上段皮质、髓腔与假体关系显示明确。根据评分标准，该图像的髋臼、假体及股骨上段显示清晰程度均评为“优”等级，记 2 分图 2 患者，男，58 岁，CT 图像示髋臼、髋臼与假体间隙轻度金属伪影，假体轮廓模糊，股骨上段皮质、髓腔与假体关系显示欠清晰。根据评分标准，该图像的髋臼、假体及股骨上段显示清晰程度均评为“中”等级，记 1 分图 3 患者，男，76 岁，双髋关节 CT 平扫图像示左侧髋臼及股骨上段的观察明显受到伪影影响，金属假体两端轮廓不清晰。根据评分标准，该图像的髋臼、假体及股骨上段清晰度均评为“差”等级，记 0 分Fig.1 The TOMOS image of a 58-year-old male patient showed the acetabulum and the gap between the acetabulum and the prosthesis were clear and the prosthesis boundary was sharp, with a defnite relationship of the cortex of the upper femur, medullary space and prosthesis. According to the scoring standard, the clear image of the acetabulum, prosthesis and upper femur should be rated as “excellent”, with the score of 2 pointsFig.2 The CT image of a 58-year-old male patient showed mild metal artifacts in the acetabulum and the gap between the acetabulum and the prosthesis. The prosthesis boundary was obscure, and the relationship of the cortex of the upper femur, medullary space and prosthesis was not defnite. According to the scoring standard, the image of the acetabulum, prosthesis and upper femur should be rated as “mid”, with the score of 1 pointFig.3 The CT image of bilateral hips of a 76-year-old male patient showed its sharpness was severely affected by artifacts in the left acetabulum and upper femur, with unclear bounday of both ends of the metal prosthesis. According to the scoring standard, the image of the acetabulum, prosthesis and upper femur should be rated as “poor”, with the score of 0 point

结 果

不同影像学检查方法对不同部位观察清晰度评级的频率分布见表 1～3。各部位不同影像学检查评分分布的两两比较见表 4。由数据可见，应用TOMOS 观察髋臼 ( 含髋关节间隙 ) 及股骨上段假体周围组织的清晰度明显高于 CT，差异有统计学意义；应用 DR 检查观察髋臼 ( 含髋关节间隙 )、假体及股骨上段假体周围组织的清晰度明显高于 CT，差异有统计学意义。

表1 三种不同检查方法的髋臼及髋关节间隙的图像质量频率分布 ( % )Tab.1 The score frequency distribution of different imaging methods for the acetabulum and hip joint space ( % )

表2 三种不同检查方法的人工髋关节假体形态的图像质量频率分布 ( % )Tab.2 The score frequency distribution of different imaging methods for hip prostheses ( % )

表3 三种不同检查方法的股骨上段假体周围组织的图像质量频率分布 ( % )Tab.3 The score frequency distribution of different imaging methods for the proximal femoral peri-prothesis region ( % )

表4 三种影像学检查评分分布两两比较 ( P 值 )Tab.4 Comparison of each 2 different imaging methods in the score distribution ( P value )

讨 论

随着医学技术的发展，人工关节被越来越多地应用于临床医疗工作中，以缓解诸多患者关节痛的症状[4]。关节置换不仅可解除病变关节的疼痛，还可改善关节的稳定性和活动度，对于严重骨折、多种关节炎、某些骨肿瘤及部分关节畸形、挛缩的患者而言，关节置换术可以提高他们的生活质量。关节置换术后并发症是个不容忽视的问题。假体的移位、无菌性松动、假体周围骨质溶解或吸收、感染甚至假体周围骨折等，不仅会造成术区疼痛，严重者须进行翻修手术[5-7]。因此，高质量的影像学检查对于诊断术后并发症至关重要。

对于关节置换术后复查，影像学检查应用较普遍，然而金属伪影的存在，使传统影像学检查显现出不同程度的局限性。这也是本研究中影响假体周围结构观察清晰度的主要原因之一。由统计学结果可知，在 TOMOS、CT 及 DR 三种检查中，CT 平扫受金属伪影影响最大。由于金属结构致密，X 线通过金属时，衰减系数比通过人体其它组织时要高很多。X 线的急剧衰减，会造成被拍摄物的投影数据失真[8]；再者，CT 扫描的射线是多色性 X 线[9]，在通过被扫描物体，尤其是致密金属时，低频 X 线会被滤过，穿出的 X 线整体频率会升高，即“射线束硬化效应”[10]。综上多种因素，图像上会产生金属伪影，其表现各异，可为杯状、条状伪影或暗带区( 图 4 )。伪影会影响假体及其假体周围组织的清晰度，易造成漏诊、误诊。

表 4 显示，TOMOS 检查在观察髋臼 ( 含髋关节间隙 ) 及股骨上段的假体周围结构时，图像清晰度显著优于 CT；而与 CT 相比，DR 也显示出其在观察髋臼 ( 含髋关节间隙 )、假体及股骨上段假体周围结构的优势 ( 图 4～6 )。DR 作为人工关节置换术后复查的常规影像学手段，具有辐射剂量低、图像伪影轻、检查方便及价格低廉等优点，然而据文献报道，DR 的灵敏度、特异性均较差[1-2]，能提供的信息量相对较局限。

同 CT 及 DR 相比，整合了 T-SMART 的 TOMOS使用迭代重建算法处理图像，取代了以往的 SA 或FBP 算法。T-SMART 在重建图像时，可使用“分离金属”功能，依据金属植入物的大小将金属结构影像从原始图像里分离出来。金属分离的滤过器参数包括：“标准”、“金属针、线 ( S、L )”、“金属 ( SS、S、M、L、LL )”及“外固定器 ( S，L )”。根据被检查者体内金属植入物的大小、形态，选择不同滤过器参数，可有效去除金属伪影，提高假体周围结构的清晰程度。另外，TOMOS 作为一种以 X 射线为媒介的影像学检查手段，与传统检查手段有别：TOMOS 检查会拍摄一系列不同角度的、独立的 X 线投影，工作站会依据这些投影，重建出被拍摄物体不同平面的图像；而 CT 要求 X 线管和X 线接收器围绕被拍摄物体，进行基于焦点平面的方向相反的同步运动，每次扫描只能产生一幅平面图像[11]。如果要完整重建出被拍摄物体的结构，需要多次断层摄影扫描，收集到大量图像数据。因此与 CT 相比，TOMOS 虽然密度分辨率不及 CT[12]，但它减少了曝光剂量。文献报道，TOMOS 检查的射线量仅为 CT 的 1 / 5 左右[13]；而相比于 DR，TOMOS图像有着更高的分辨率，并能通过不同角度来观察被拍摄的物体。

常规 DR 检查须严格按照各种拍照体位的要求进行摄片，且在拍摄过程中，相机像头一般不给予倾斜角度。DR 图像中的影像结构互相重叠，又缺乏多角度成像的弥补，不利于观察某些组织结构，如THA 术后患者的髋关节间隙。相比于 DR，TOMOS的摄像过程有一定差别：TOMOS 成像设备的球管在数据采集过程中是保持运动的，它不仅要沿机床长轴做直线运动，同时还要进行旋转，其旋转角度被称为断层角。在拍摄过程中，球管弧线样的运动轨迹使得它能够从多角度获取被拍摄物体的信息，从而在观察 THA 术后患者的髋关节间隙、髋臼与假体形态方面较 DR 更有优势。TOMOS 检查的原始图像须经后处理，才能达到减轻金属伪影的效果。在为图像选取金属分离滤过器时，如果金属植入物体积大于滤过器的参数范围，那么金属植入物边界会模糊不清；若金属植入物体积小于滤过器的参数范围，则植入物周围的骨质会被一并去除，降低图像质量，这是 TOMOS 最主要的不足之处，在实际临床工作中，TOMOS 图像重建对操作者的经验要求较高。总之，相比于 CT，TOMOS 及 DR 可有效减轻假体产生的伪影，增加图像清晰度。TOMOS 的多角度、高分辨率成像在观察假体周围结构方面较 DR有临床优势。

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( 本文编辑：王萌 李贵存 )

A comparative study of tomosynthesis, computed tomography and X-ray in imaging the structures around hip prostheses

MA Yi-min, SU Yong-bin, SHAO Hong-yi, WANG Chen, XU Li, LI Na, ZHOU Yi-xin, CHENG Xiao-guang. Department of Radiology, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing, 100035, PRC

ObjectiveTo compare the capacity of tomosynthesis ( TOMOS ), computed tomography ( CT ) and digital radiography ( DR ) in imaging hip prostheses and their surrounding structures.MethodsA total of 20 consecutive patients receiving either unilateral or bilateral total hip arthroplasty ( THA ) were enrolled, including 12 males and 8 females. Their mean age was 61.0 years old ( range: 36-82 years ). All the patients underwent TOMOS, CT and DR after THA. The TOMOS, CT and DR images of the 20 patients were reviewed and subjectively scored by 3 senior attending radiologists. The evaluation standard was stated as following. The clear image of the structures around the prostheses was rated as “excellent”, with the score of 2 points. The sharpness of the image was affected by minor artifacts or lower resolution, but the basic observation wasn’t affected. Such images were rated as “mid”, with the score of 1 point. If the image defnition was seriously affected by metal artifacts or other factors, it was rated as “poor”, with the score of 0 point. The scores calculated would be statistically analysed via Generalized Estimating Equations.ResultsThe score frequency distribution of TOMOS imaging for the acetabulum ( including the hip joint space ) was 55% ( 2 points ), 40% ( 1 point ), and 5% ( 0 point ). The score frequency distribution of TOMOS imaging for the proximal femoral peri-prothesis region was 75% ( 2 points ), 25% ( 1 point ), and 0% ( 0 point ). The score frequency distribution of CT imaging for the acetabulum ( including the hip joint space ) is 5% ( 2 points ), 60% ( 1 point ), and 35% ( 0 point ). The score frequency distribution of CT imaging for the proximal femoral peri-prothesisregion was 5% ( 2 points ), 55% ( 1 point ), and 40% ( 0 point ). TOMOS was superior to CT in image quality, and the differences in the scores were statistically signigicant ( P＜0.001 ). The score frequency distribution of DR imaging for the acetabulum ( including the hip joint space ) was 25% ( 2 points ), 75% ( 1 point ), and 0% ( 0 point ). The score frequency distribution of DR imaging for the proximal femoral peri-prothesis region was 50% ( 2 points ), 50% ( 1 point ), and 0% ( 0 point ). The image defnition of DR was better than that of CT, and the differences in the scores were statistically signigicant ( P=0-0.0077 ).ConclusionsThe TOMOS imaging quality of hip prostheses is better than that of CT, with the advantage of layering and thin-slice observation over DR. Thus, TOMOS is a promising imaging modality in the follow-up after THA .

Arthroplasty, replacement, hip; Radiographic image enhancement; Tomography, X-ray computed; Tomosynthesis

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.005

R687.4, R445

100035 北京积水潭医院放射科 ( 马毅民、苏永彬、王晨、徐黎、李娜、程晓光 )，矫形骨科 ( 邵宏翊、周一新 )

程晓光，Email: xiao65@263.net

2014-08-05 )