宝石能谱CT在颅内动脉瘤夹闭及栓塞术后的应用进展

孙源源，贾玉琳，孙重阳，肖喜刚

(哈尔滨医科大学附属第一医院，黑龙江 哈尔滨 150001)

宝石能谱CT在颅内动脉瘤夹闭及栓塞术后的应用进展

孙源源，贾玉琳，孙重阳，肖喜刚

(哈尔滨医科大学附属第一医院，黑龙江 哈尔滨 150001)

宝石能谱CT；金属伪影；颅内动脉瘤；夹闭及栓塞术

随着外科技术的发展,术后患者体内植入物材料种类也在逐渐增多,尤其是金属类材料会产生明显的金属伪影,给影像学检查及诊断带来了困难,进而影响患者术后复查及随访的质量。对于CT检查而言,金属伪影会直接影响植入物及其邻近结构的显示与观察，影响术后疗效的判断及其并发症的诊断,而这也一直是临床随访及疗效评估的难题之一。宝石能谱CT的问世为金属植入物术后的随访与疗效的评估提供了可能，其在单能量成像的基础上采用金属伪影去除技术，可以很好地解决金属植入物造成的伪影问题，为金属植入物术后的检查开辟了全新的成像模式，因此也能有效的消除颅内动脉瘤夹闭及栓塞术后的金属伪影，并在对周围组织评估方面取得了很大的进步。

1 颅内动脉瘤术后复查方法选择

影响颅内动脉瘤手术预后的主要因素有以下几个：动脉瘤残留(未夹闭或未完全栓塞)，残留部分可造成术后出血而致命；若载瘤动脉或临近的主要动脉被夹闭，造成患者术后肢体运动障碍，甚至可能出现大范围脑梗死；动脉瘤夹或弹簧圈移位或脱落，可直接导致患者死亡。因此颅内动脉瘤患者在手术后复查显得尤为重要，目前动脉瘤术后的主要复查方法有数字减影血管造影(DSA)、磁共振血管造影(MRA)及CT血管造影(CTA)。

1.1DSADSA一直被认为是诊断血管性疾病的金标准[1-2]。蛛网膜下腔出血患者术前行DSA检查可明确是否有动脉瘤及动脉瘤的位置、大小和形态，以利于不同患者治疗策略的制定[3]。目前颅内动脉瘤最常见治疗方法为动脉瘤夹闭术及介入栓塞治疗两类，夹闭既能阻断载瘤动脉与动脉瘤之间的血流，又保证了载瘤动脉的畅通，术后复查DSA可以明确动脉瘤颈部是否完全夹闭、明确动脉瘤夹对载瘤动脉和穿支的影响，栓塞术后行DSA检查有助于检出动脉瘤残余，显示血管通畅性或发现血管痉挛，这些优点是任何其他物理检查无法超越的。然而，DSA也存在局限性，其操作复杂、费用高且有一定的并发症；另外，它不能对颅内动脉瘤周围脑组织水肿、血肿(颅内动脉瘤破裂时可在动脉瘤周围形成血肿)和脑缺血进行观察、评估，在这些方面CTA则明显优于DSA。

1.2MRAMRA是无创伤、无辐射、快捷且敏感性高的脑血管造影技术，可以任意方向显示动脉瘤的大小、部位及瘤颈，而且病变显示不受颅骨影响，有血栓形成的动脉瘤仍可清晰显示。但是，由于术后患者颅内含有金属夹或弹簧圈，这些金属植入物等顺磁性物质会影响磁场的均匀性，使图像中出现大片状无信号伪影，不利于病灶及其周围组织的显示及评估。另外，仅少部分特殊材质的金属植入物植入体内后可行MRA检查，如电解可脱铂金弹簧圈(GDC)等[4]，多数体内金属植入物者依然不适合做MRA检查。

1.3CTACTA作为一种无创、快速且空间分辨率高的影像学检查，广泛应用于头部血管及血管相关病变的临床诊断中[3]，对颅内动脉瘤、动静脉畸形、血管狭窄及动脉粥样硬化的诊断及鉴别诊断中是不可替代的。CTA不仅可以完整显示颅内供血动脉整体情况，还可以间接显示病变区域的供血血管、评估血管狭窄程度、显示斑块性质及狭窄原因，并且可以了解颅内外侧支循环情况[5]。对于颅内动脉瘤夹闭及栓塞术后的复查，CTA可显示动脉瘤夹及弹簧圈所在位置，但由于动脉瘤夹及弹簧圈产生金属伪影，使组织结构的细节显示不清，真实组织感兴趣区域成像欠佳；且体积较大的伪影甚至会产生假象，使得部分图像常无法满足临床诊疗需求[6-7]。

2 金属伪影及其形成原因

金属伪影是指X射线穿过高密度的金属物质后急剧衰减，导致相对应的投影数据失真，丧失了周围组织对X射线的衰减信息，从而产生的大量黑色带状和明亮的放射状伪影。金属伪影产生的因素很多，比利时学者Bruno[8]指出造成金属伪影的因素主要有噪声、射束硬化、非线性部分容积效应和散射等；谷建伟等[9]认为造成金属伪影的原因是X射线的能谱硬化，但是其根本原因仍然与金属本身的高衰减特性相关。这些文献中所指出的原因是产生金属伪影比较重要的几个间接因素，因此，可以采取相应的措施通过抑制这些间接影响因素的发生，进而消除金属伪影。

3 传统混合能量CT去除金属伪影方法

近年来CT的探测技术及数据重建软件不断进步，多层螺旋CT拥有了扫描层厚更薄、重建算法更高级、后处理功能更强大等优势，但是各种伪影的存在依然困扰着影像医生及临床医生的诊断和治疗。对于金属伪影的校正，多位学者都曾致力于这方面的研究，早在1982年，Lange等[10]将迭代算法中期望最大法(EM)应用到CT图像重建中；2004年，Wei等[11]提出了分割金属区算法，这种算法初步解决了单纯通过阈值来分割金属区域的局限性，使图像中金属区域获得较为精确的分割，从而使得金属伪影得到了更为有效的去除；2006年，Bal等[12]提出了K-均值聚类算法，能够自适应选择、优化重建图像中的金属区域。故传统混合能量CT去除金属伪影的方法大体上可分为基于迭代重建算法的迭代校正法、基于滤波反投影重建算法(FBP)的插值校正法[13]及混合法。

3.1 迭代校正法 迭代校正法，也称“逐步近似法”[14]，是解矩阵方程常用的方法。首先假设图像是均匀的，然后将理论计算值与实测值比较，修正理论计算值与实测值之差，如此不断重复，直至该差值为零或在允许的误差范围内为止。迭代法的优势在于只要投影数据充分并且迭代次数足够的情况下就可以有效减少金属伪影，更好地处理断层投影、有限角度断层投影，并对各种噪声具有良好的抑制效果[15-16]。然而，如果采用迭代法想得到理想的重建结果，需要迭代很多次，重建时间较长，计算量较大，在一定程度上束缚了它的应用。

3.2 插值校正法 插值校正法具有理论简单、计算速度快等优点，因而具有较高的应用价值。首先利用FBP算法对原始投影数据重建，从重建图像中分割出金属区，再对分割出的金属区从各角度下投影以确定投影图像金属区域的范围；然后用周围非金属区域对金属区域插值，对插值后的投影图像再用FBP重建；最后将得到的重建图像叠加到金属区，即为最终的重建图像。但是插值校正法也具有自身的局限性，它对金属等具有较高衰减性能的物质较为敏感，对金属区的精确区分要求较高，仅对形状较为规则的金属有一定作用，对结构较为复杂的金属成分难以取得理想效果[17-19]，即当遇到数据突变时，图像就会出现较明显的伪影。

3.3 混合法 上述迭代校正法及插值校正法都具有各自的优缺点，因此，混合法应运而生。CT成像包括数据采集及图像重建两个步骤。由于金属的吸收系数远大于非金属部分，因此，每个投影角度下总有一段投影数据没有检测到任何射线，导致这部分投影数据过大，通过FBP重建图像时，就会出现金属伪影，这是投影数据不连续的表现。混合法主要分2步：首先确定投影数据中的金属投影数据，然后分别重建两部分数据，非金属区域直接采用FBP重建，金属区域通过迭代矫正法重建，这样不但规避了两者的缺点，还将其优点有机地结合起来，得出更加清晰的图像。

4 宝石能谱CT成像特点

宝石能谱CT采用全新的扫描技术，采用新型的红石榴石探测器取代了传统CT的稀土陶瓷探测器，其突出特性是：探测器材料对X线响应初始速度加快100倍，清空速度加快4倍；宝石材料硬度高，化学性质更稳定；宝石纯度高，通透性强，光电转换效率高[20]。能谱CT扫描时通过X线管高/低电压(140 kVp/80 kVp)的瞬时切换(切换时间仅为0.5 ms)，产生2种不同能量谱的X射线，穿过人体后被宝石探测器获取，从而实现了2组不同数据的同源、同向、同时采集。快速切换球管工作电压时，产生了介于40～140 keV的单能图像[17-18]。此外，宝石CT特有能谱成像技术(gemstone spectral imaging，GSI)和金属伪影消除系统(metal artifact reduction system，MARS)对去除各类金属伪具有良好效果，在金属植入术后的随访和评估中获得很好的应用,在颅内动脉瘤夹闭及栓塞术后不仅可以消除金属夹及弹簧圈所产生的伪影，还可以观察金属植入物相关的近期及远期术后并发症，包括植入物松动或脱落、夹闭不全、植入物周围组织水肿及吸收情况、脑组织感染等，且可以任意分离瘤夹、血管、骨骼3种物质，能够及早发现有无动脉瘤复发、瘤夹脱落及栓塞不全等问题，因此，可常规用于脑血管病治疗后的效果评估及跟踪随访[21]。

4.1 单能量成像技术 传统混合能量下，由于颅内动脉瘤外科治疗后金属植入物产生的放射状伪影的干扰，金属夹或弹簧圈等植入物会影响周围脑组织及血管结构的术后评估。GSI技术可将一组混合能量按照能量级图像解析出40～140 keV能量范围内的衰减系数，从而重建出101种能量水平的单能量图像，实现一次扫描、采集多幅图像的目的，随后通过比较不同能量级的图像，选择图像质量较好的单能量图像，使得部分能量级的单能量图像对减少金属植入物伪影方面具有良好的效果。有研究发现，能量级较低的40～65 keV单能量图像，由于X线能量较低，穿透能力弱，硬化伪影大，图像质量差，所以不能满足诊断要求；稍高能量级70～100 keV单能量图像伪影较低能量图像有所改善，但伪影干扰仍较混合能量严重；高能量级110～140 keV图像伪影情况明显改善，对植入物周围组织显示较清楚，可对手术效果做出较准确评估[19]。在近期的研究中，105 keV被认为是显示金属植入物最清晰的单能量[22-23]。虽然110～120 keV单能图像在伪影方面优于传统混合能量，但是随着能量级的升高，金属伪影情况明显改善，但对应图像的对比噪声比(contrast-to-noise ratio,CNR)也随之减小，因此，图像质量最佳时的单能量能级不是一个固定的点，而是诸多影响因素综合决定的。

4.2 MARS MARS理论上是一系列去除金属伪影算法的集合[24]，内置于能谱CT后，使其具有校正金属伪影的能力，通过MARS，使基于一个CT值阈值金属植入物被分段，然后用周围正常投射区的数据进行插值校正，用校正后的数据覆盖原始数据，从而纠正因X线扫描金属后产生光子饥饿现象而导致的低信号，对金属移植物及周边组织提供准确的投射数据，进而有效抑制临床上常见的金属伪影及其他射线硬化伪影[25-28]。但张秋航等[29]认为单能量成像加MARS虽然可以消除粗大高密度伪影，但是同时会消除部分金属植入物影像，造成图像失真，并产生较多的低密度线束状伪影。因此，此技术还有进一步提升的空间。

5 小结与展望

常规CT扫描对射线束硬化伪影以及金属植入物伪影无法有效去除，伪影会影响对邻近重要结构的观察，导致图像不能为临床提供准确的诊断信息，这对患者的病情诊断、病情评估和预后造成很大影响。宝石CT利用特有的能谱成像技术和金属伪影消除系统，可以根据人体组织和病变成分对不同X线能量谱的吸收差异进行有效表达，获取从40～140 keV范围内共101组不同X线能量的单能图像，从而根据临床诊断的不同需要选取最理想的单能量图像，有效避免了传统CT混合能量图像中因能量不同的干扰可能导致的伪影。这种方法应用于临床可以弥补传统CT检查的不足，给临床带来了诸多前所未有的突破，为临床应用和科研提供了无限广阔的前景。同时期待着CT的进一步发展，在提高图像质量的同时，可以进一步减少扫描产生的辐射剂量，使CT成为真正绿色、安全的检查方法。

[1] Feng H,Tan H,Kiya K,et al. Three-di mensional CT angiography and surgical correlation in the evaluation of intracranial aneurysm[J]. Chin Med J ( Engl),2002,115:146

[2] Pechlivanis I,Schmieder K,Scholz M,et al. 3-D imensional computed tomographic angiography foruse of surgery planning in patients with intracranial aneurysms[J]. Acta Neurochir(Wien)，2005,147:1045

[3] 党军,王海涛,刘文亚，等. 减影CTA与常规CTA技术在脑动脉瘤夹闭术后的对照[J]. 临床放射学杂志,2008,27(12):1629-1631

[4] 周明利,冯骏,屈天荣，等. 磁共振血管造影与数字减影血管造影在颅内动脉瘤术后检查中的价值比较[J]. 西安交通大学学报：医学版,2013,34(1):101-105

[5] 顾海峰,周长圣,李林，等. 炫速双源CT与普通双源CT头部血管双能量成像辐射剂量与图像质量的对比研究[J]. 医学研究生学报,2014,27(5):502-506

[6] Tomandl BF,Hammen T,Klotz E,et al. Bone-subtraction CT angiography for the evaluation of intracranial aneurysms[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2006,27(1):55-59

[7] Zhang Y,Zhang L,Zhu XR，et al. Reducing metal artifacts in con-beam CT images by preprocessing projection data[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys,2007,67(3):924-932

[8] Bruno. Iterative reconstruction for reduction of metal artifacts in computed tomography[M]. Publication：Katholieke University Leuven,2001

[9] 谷建伟,张丽,陈志强,等. CT 图像中金属伪影的快速校正[J]. 中国体视觉与图像分析,2005,10(2):108-111

[10] Lange K,Carson R. EM reconstruction algorithms for emission and transmission tomography[J]. Computer Assisted Tomography,1984,8(2):306-316

[11] Wei J,Chen L,Sandison GA,et al. X-ray CT high-density artifact suppression in the presence of bones[J]. Physics in Medicine Biology,2004,49(24):5407-5418

[12] Bal M,Spies L. Metal artifact reduction in CT using tissue-class modeling and adaptive prefiltering[J]. Medical Physics,2006,33:2852-2859

[13] Wang Y,Qian B,Li B，et al. Metal artifacts reduction using monochromatic images from spectral CT:evaluationof pedicle screws in patients with scoliosis[J]. Eur J Radiol,2013,82(8):e360-e366

[14] 余晓锷,卢广文. CT 设备原理、结构与质量保证[M]. 北京:科学出版社,2005：86

[15] Li M,Zheng X,Li J，et al. Dual-energy computed tomography imaging of thyroid nodule specimens: comparison with pathologic findings, 2012,47(1):58-64

[16] Prell D,Kyriakou Y,Kachelrie M，et al. Reducing metal artifacts in computed tomography caused by hip endoprostheses using a physics-based approach[J]. Invest Radiol,2010,45(11):747-754

[17] Wei J,Chen L,Sandison GA，et al. X-ray CT high-density artifact suppression in the presence of bones[J]. Physics in Medical Biology,2004,49(24):5407-5418

[18] Bal M,Spies L. Metal artifact reduction in CT using tissue-class modeling and adaptive prefiltering[J]. Medical Physice,2006,33(8):2852-2859

[19] Zhang X,Wang J,Xing L. Metal artifact reduction in X-ray computed tomography (CT) by constrained optimization[J]. Med Phys,2011,38(2):701-711

[20] 宣伟玲,赵凯宇,刘淼，等. 宝石能谱CT在去除常见CT图像伪影中的应用[J]. 中国医疗设备,2013,28(1):157-158

[21] Lin XZ,Miao F,Li JY，et al. High-definition CT Gemstone spectral imaging of the brain:initial results of selecting optimal monochromatic image for beam-hardening artifacts and image noise reduction[J]. J Comput Assist Tomogr,2011,35 (2):294-297

[22] Zhou C,Zhao YE,Luo S，et al. Monoenergetic imaging of dual-energy CT reduces artifacts from implanted metal orthopedic devices in patients with factures[J]. Acad Radiol,2011,18(10):1252-1257

[23] 任庆国,滑炎卿,李剑颖. CT能谱成像的基本原理及临床应用[J]. 国际医学放射学杂志,2011,34(6):559-563

[24] Matsumoto K,Jinzaki M,Tanami Y，et al. Virtual monochromatic spectral imaging with fast kilovoltage switching:improved image quality as compared with that obtained with conventional 120-kVp CT[J]. Radiology,2011,259(1):257-262

[25] 沈海敏,李铭,刘奕，等. 应用能谱CT MARS技术评价胫骨平台骨折内固定术后疗效[J]. 上海医学影像,2012,21(3):179-181

[26] Lee YH,Park KK,Song HT，et al. Metal artefact reduction in gemstone spectral imaging dual-energy CT with and without metal artefact reduction software[J]. Eur Radio,2012,22(6):1331-1340

[27] Meinel FG,Bischoff B,Zhang Q，et al. Metal artifact reduction by dual-energy computed tomography using energetic extrapolation:a systematically optimized protocol[J]. Investigative Radiology,2012,47(7):406-414

[28] Bamberg F,Dierks A,Nikolaou K，et al. Metal artifact reduction by dual energy computed tomography using monoenergetic extrapolation[J]. Eur Radiol,2011,21(7):1424-1429

[29] 张秋航,高艳,李坤成，等. 能谱CT GSI与MARS在减除脊柱金属植入物椎管内伪影效果的研究比较[J]. 临床放射学杂志,2012,31(9):1338-1342

肖喜刚，E-mail:xxqct_417@126.com

10.3969/j.issn.1008-8849.2015.22.042

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A

1008-8849(2015)22-2503-03

2014-12-30