IMAR对起搏器植入患者胸部CT扫描的应用价值

曾雨薇孙静坤张 黎王国树

IMAR对起搏器植入患者胸部CT扫描的应用价值

曾雨薇1孙静坤2张 黎3王国树2

目的：通过仿真胸部体模对伪影区域内肺结节及肺组织显示效果的分析，评价IMAR算法对心脏起搏器植入患者CT扫描的应用价值。方法：在胸部仿真体模内置入模拟肺结节60个，分别在心脏起搏器放置前后进行胸部CT扫描（常规剂量及低剂量扫描），图像分别采用无IMAR和有IMAR两种方式进行重建。比较肺结节的检出率，测量模拟肺结节CT值与其标称CT值的差值，并比较图像的噪声值、SNR、CNR值，并对主观图像质量评分。结果：低剂量胸部CT扫描时， 使用IMRA检出结节数目较多；使用IMAR算法磨玻璃肺结节的测量CT值与标称CT值的差值较小。使用IMAR重建时图像SNR及CNR值均较高。IMAR重建图像质量主观评分高于未使用IMAR。结论：IMAR算法能减轻心脏起搏器金属伪影，提高低剂量胸部CT对伪影区域结节的检出率，提高伪影区域磨玻璃肺结节的显示效果，提高伪影区域图像质量。

体层摄影术， X线计算机；金属伪影；重建算法；图像质量

【Abstract】Purpose： To evaluate the application values of IMAR（iterative metal artifact reduction）algorithm on CT scanning of cardiac pacemaker implanted patients. Methods： Sixty simulated pulmonary nodules were inserted into the anthropomorphic phantom. The phantom was scanned with and without the pacemaker respectively （low-dose CT and regular dose CT scan respectively）. Images were reconstructed with and without IMAR respectively. The sensitivities in detection of pulmonary nodules and their deviation of CT values were compared between the two reconstructed methods. On the regular dose CT scan images， the image noise， SNR and CNR were calculated. And the subjective image quality scores were evaluated by two radiologists. Results：All the pulmonary nodules were detected by using the low-dose CT scan with IMRA reconstruction algorithm； the simulated pulmonary nodules with diameter of 3mm and CT value of 800HU were not detected without the use of IMRA algorithm. For the pulmonary nodules with a standard CT number of -800HU and -650HU， the deviation ofCT values were significantly smaller with IMAR algorithm than that without it. The SNR and CNR were higher when using IMAR. The subjective image quality scores of the images reconstructed using IMAR were higher than that without IMAR algorithm. Conclusion： IMAR algorithm can significantly reduce mental artifact of cardiac pacemaker， and improve the sensitivities in detection of pulmonary nodules with low-dose CT scan， the display effect of the nodules with ground-glass opacity （GGO）， and image quality of the areas with artifacts.

【Key words】Tomography， X-ray computed； Metal artifact； Reconstruction algorithm； Image quality

很多心律失常患者需要使用心脏起搏器来维持正常心率，迄今为止，心脏起搏器是治疗心动过缓的唯一手段，然而安装了心脏起搏器的患者在进行常规CT检查时图像中会有伪影产生。由于患者体内含有金属等高密度物质，投影数据重建后图像中会出现金属伪影，这些伪影严重影响了图像的质量，给医生的诊断带来了很大困难［1］。目前尚无临床实用的消除金属植入物伪影的成像参数标准和影像诊断标准［2］。IMAR（iterative metal artifact reduction）算法是西门子公司新一代CT去金属伪影算法，目前在国内尚未应用于临床。本文基于胸部仿真体模，植入心脏起搏器及模拟肺结节进行实验研究，旨在分析IMAR算法减轻心脏起搏器金属伪影后肺结节及肺组织的显示效果，评价其对心脏起搏器植入患者CT扫描的应用价值。

方 法

1.实验对象

日本Kyoto Kagaku公司生产的Lungman N1型多用途男性胸部仿真体模，大小约为43cm×40 cm×48cm，胸围约94cm，重量约18kg。该体模双臂上举与胸部CT扫描时患者体位相同，其仿真软组织及骨骼的X线衰减性能与标称等效，体模内部结构可拆卸，包括肺血管、纵膈和部分腹部结构，3种密度（相应标称CT值分别为-800HU、-650HU和100HU）的球形肺部模拟结节，每种密度的模拟结节包括5种标称直径 （3mm、5mm、8mm、10mm和12mm） ， 共15枚，体模及结节图像见图1。美敦力公司生产的vitatron.C10A1型单腔心脏起搏器一个，放置位置为左侧锁骨中线第二肋下缘。

2.设备与方法

西门子公司生产的SOMATOM Perspective CT及其后处理工作站。将15枚球形模拟结节分4次分别置入胸部仿真体模内，均位于心脏起搏器金属伪影较重层面的相应区域。分别在心脏起搏器放置前后进行常规剂量胸部CT扫描及低剂量胸部CT扫描，使用常规胸部CT扫描参数（130 kV， CARE Dose 4D，参考mAs为80，FOV380mm，螺距1.0）及低剂量胸部CT扫描参数（110 kV， CARE Dose 4D，参考mAs 为20，FOV380mm，螺距1.0），分别采用SAFIRE3和SAFIRE3+IMAR两种重建方式，即无IMAR和有IMAR算法重建，重建层厚为0.6mm。

3.模拟肺结节检出率及测量结节CT值与其标称CT值的差值

模拟肺结节未显示或不确定计为未检出。由2名医师对重组图像进行观察，评价每组结节检出情况，并记录结节部位、直径、密度。在常规剂量胸部CT图像中选择5～12mm不同密度的结节，选取模拟结节显示最大横截面，在该截面结节中心勾画60% 结节面积的感兴趣区 （region of interest， ROI）测量其CT值［3］，并计算其与该结节标称CT值的差值。

4.图像质量的客观评价

在常规剂量胸部CT图像中，将ROI设置为0.5cm2，避开肺纹理测量模拟肺结节周围临近均匀肺组织的CT值及其标准差，将肺组织CT值的标准差计为噪声值，SNR为肺组织的CT值的绝对值与噪声值的比值，CNR为模拟结节的测量CT值与肺组织CT值的差值与噪声值的比值。

5.图像质量的主观评价

所有图像均由两名有5年以上经验的医师采用盲法进行独立评分，按金属伪影对图像质量的影响程度予以记3、2 、1 、0 分 （ 3 分为金属伪影不明显，周围组织清晰可见，满足临床诊断要求；2分为金属伪影较少，周围组织可见，尚可以满足临床诊断；1分为伪影较重，周围组织显示欠清，图像失真，尚能观察；0分为伪影很重，图像失真，无法观察。两名医师评分一致时应用该评分，评分不一致时通过共同复阅以达成一致评分。

6.统计学处理

结 果

1. IMAR算法对模拟肺结节检出率及测量CT值与其标称CT值差值的影响

使用常规剂量进行胸部CT扫描时，两种重建算法均能检出全部60个模拟肺结节，检出率无差异；使用低剂量进行胸部CT扫描时，应用IMRA重建算法能够检出全部60个模拟肺结节，而不使用IMRA算法时检出56个模拟肺结节，4个直径为3mm的～800HU模拟肺结节均不能被检出，图2A、2B分别为使用和不使用IMAR算法时胸部低剂量CT显示直径为3mm的～800HU模拟肺结节。使用IMAR重建时，-800HU及-650HU的磨玻璃肺结节测量CT值与其标称CT值的差值较小，差异具有统计学意义（P＜0.05），而对100HU的钙化结节，两种重建算法的测量CT值与标称CT值的差值差异无统计学意义（P=0.08＞0.05），结果见表1。

表1　有无IMAR算法对模拟肺结节测量CT值与其标称CT值差值的比较（HU）（±s ）

表1　有无IMAR算法对模拟肺结节测量CT值与其标称CT值差值的比较（HU）（±s ）

标称CT值无IMAR有IMARtP -80073.64±28.4333.61±19.8810.420.00 -65070.62±33.6234.96±25.016.980.00 10033.29±26.1645.81±22.48-1.910.08

表2　有无IMAR算法图像质量客观指标的比较（±s ）

表2　有无IMAR算法图像质量客观指标的比较（±s ）

客观指标无IMAR有IMARtP噪声值23.64±6.7521.94±4.811.500.16 SNR36.33±8.9345.06±16.30-2.420.03 CNR14.54±7.7518.61±8.48-2.750.04

表3　无IMAR重建和有IMAR重建建图像进行主观图像质量评价得分（±s）

表3　无IMAR重建和有IMAR重建建图像进行主观图像质量评价得分（±s）

图像质量主观评分有IMAR重建 2.10±0.32无IMAR重建1.40±0.52 Z值-2.89 P值0.00

图1　体模及结节图像。A.Lungman N1 仿真体模躯干。B. 肺血管及纵隔。 C. 球形模拟结节。

图2　低剂量CT显示直径为3mm的-800HU模拟肺结节图像。A. 使用IMAR算法。B. 不使用IMAR算法。

图3　常规剂量下两种重建算法得到的部分CT图像。A.未使用IMAR算法的肺窗图像。B.使用IMAR算法后的肺窗图像。C.未使用IMAR算法的纵隔窗图像。D.使用IMAR算法后的纵隔窗图像。

2.IMAR算法对图像质量的影响的客观评价

在心脏起搏器金属伪影较重区域，两种重建算法对图像的噪声值比较差异无统计学意义（P=0.16＞0.05），使用IMAR重建时图像SNR及CNR值均高于无IMAR重建图像，差异具有统计学意义（P＜0.05），结果见表2。

3.IMAR算法对图像质量影响的主观评价

两名医师对心脏起搏器金属伪影较重区域，两种重建图像进行主观图像质量评价，结果使用IMAR重建图像质量主观评分高于未使用IMAR算法得到的图像，得分的平均值分别为（2.10±0.32）、（1.40±0.52），差异有统计学意义（P＜0.05=，结果见表3。图3为两种重建算法得到的部分CT图像，其中图3A为未使用IMAR算法的肺窗图像，图3B为使用IMAR算法后的肺窗图像，图3C为未使用IMAR算法的纵隔窗图像，图3D为使用IMAR算法后的纵隔窗图像。

讨 论

对于金属伪影产生的原因， Bruno［4］认为与噪声、射束硬化、非线性部分容积效应和散射有关；而谷建伟等［5］认为是X射线的能谱硬化造成的。对于金属伪影的校正方法主要有两类：基于迭代重建算法的迭代校正法（以下简称迭代法）和基于滤波反投影重建算法的插值校正法（以下简称插值法）。各家公司推出的降低金属伪影的产品主要有：能谱成像去金属伪影、Metal Artifact Reduction Software（MARs）、Orthopedic MAR（OMAR）和IMAR（iterative metal artifact reduction）等去金属伪影软件［6-10］。能谱成像和MARs软件去除金属伪影技术需要较高要求的硬件设备支持才能够实现，而OMAR软件去除金属伪影技术出现新伪影的概率较高［10］。IMAR利用射线束硬化校正、线性内插的标准化正弦图修复和分频去金属伪影技术，是新一代的去除金属伪影技术（算法）［11］，不需要特殊的硬件设备支持，在常规扫描后，即可行IMAR重建，操作较简单，重建速度较快。

临床上，凡是体内植入金属材料的患者（如心内科心脏起搏器植入术、骨科脊柱椎弓根螺钉植入术等），如病情需要行CT检查时，其植入金属材料邻近的部位均会产生金属伪影，降低CT图像质量，影响疾病的诊断。本文基于仿真体模实验研究，评价IMAR算法减轻心脏起搏器金属伪影后对肺结节及肺组织显示效果的影响。

肺结节的诊断及鉴别是肺部疾病诊断难点之一，能够有效地对肺结节进行显示是诊断的前提［12］。健康体检多采用胸部低剂量CT进行筛查，低剂量CT的正确应用可以有效地保护病人并能够保证一定的图像质量［13］，提高低剂量CT小结节的检出率至关重要。实验证明，使用低剂量进行胸部CT扫描时，应用IMRA重建算法能够检出伪影区域内全部60个模拟肺结节，而不使用IMRA算法时4个直径为3mm的-800HU模拟肺结节均不能被检出。说明IMRA算法能够提高安装有心脏起搏器患者的体检肺结节检出率，尤其对直径≤3mm的小结节的显示存在优势，具有重要的临床应用价值。肺癌最初多表现为肺结节，尤其是磨玻璃结节，其检出及CT值对于病变定性具有重要意义。评价结节随着时间推移密度的增加值，对诊断有很大帮助，故准确测量CT值非常重要。实验表明使用IMAR算法重建图像时，伪影区域内-800HU及-650HU的磨玻璃肺结节测量CT值与其标称CT值的差值较小。说明IMAR算法能够更加准确地测量伪影区域内磨玻璃结节的CT值，这对安装有心脏起搏器患者肺结节病变的CT诊断及筛查具有一定的临床价值。

实验表明，使用IMAR算法较未使用IMAR算法重建图像时金属伪影区域图像的噪声改善不明显，但信噪比和对比噪声比有显著性提高，且图像主观质量评分更高。IMAR算法并不能完全去除金属伪影，且其去除金属伪影时，有少量图像中会有新的伪影出现，这可能与IMAR算法修正过度有关。

本研究存在一定的局限性：利用仿真体模进行实验研究能较好的控制实验变量，且避免了实验涉及的医学伦理问题，但其对临床病例具体情况的反映尚有欠缺。本实验仅使用单腔起搏器进行研究，而双腔和三腔起搏器产生的伪影情况可能会有所不同，尚需进一步研究。

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Application Values of IMAR Algorithm on CT Scanning of Cardiac Pacemaker Implanted Patients Based on Chest Phantom Study

ZENG Yu-wei1， SUN Jing-kun2， ZHANG Li3， WANG Guo-shu4

National Clinical Key Subject Construction Project （Grant No. ［2013］544） . Medicine Scientific Research Project of Chongqing Municipal Health Bureau （Grant No. 2013-1-003）

R814.42

A

1006-5741（2016）-04-0368-06

2016.04.02 ；修回时间：2016.06.02）

中国医学计算机成像杂志，2016，22：368-373

1重庆医科大学附属第一医院心血管内科

2重庆医科大学附属第一医院放射科

3西门子医疗

通信地址：重庆市渝中区袁家岗友谊路1号， 重庆 400016

孙静坤 （电子邮箱：sunjingkun@foxmail.com）

国家临床重点专科建设项目基金（国卫办［2013］544号）；重庆市卫生局科研基金重点项目（2013-1-003）

Chin Comput Med Imag，2016，22：368-373

1 Department of Internal Medicine-Cardiovascular， the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University

2 Department of Radiology， the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University

3 Siemens Ltd. China， Healthcare

Address: No. 1 Youyi Road， Chongqing 400016， P.R. C.

Address Correspondence to SUN Jing-kun （E-mail: sunjingkun@foxmail. com）