胸部CT扫描中迭代去金属伪影算法减少金属伪影的有效性

郁 斌，吕富荣*，张 黎，孙静坤，彭 刚，王 杰，郁仁强

(1.重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆 400016；2.西门子(中国)医疗事业部，上海 210318)

影像技术学

胸部CT扫描中迭代去金属伪影算法减少金属伪影的有效性

郁 斌1，吕富荣1*，张 黎2，孙静坤1，彭 刚1，王 杰1，郁仁强1

(1.重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆 400016；2.西门子(中国)医疗事业部，上海 210318)

目的 评价胸部CT扫描中迭代去金属伪影算法(IMAR)减少金属伪影的有效性。方法 采用仿真胸部体模(仿真体模组)，在T5椎体两侧各植入1枚椎弓根螺钉。以130 kV管电压和自动毫安秒(care dose 4D)技术，在植入螺钉前后行胸部CT扫描。对无金属图像进行滤波反投影(FBP)算法重建，对有金属螺钉的图像分别采用FBP算法和IMAR重建，选取螺钉邻近层面的主动脉、肺、椎旁软组织为ROI，测量噪声值和CT值，并计算CT值相对于无金属植入物图像CT值的偏移程度(ΔHU)。另回顾性分析我院26例接受胸部CT检查、且扫描范围内有椎弓根螺钉植入物的患者(病例组)，扫描条件、图像重建方式参数同体模扫描，测量金属伪影邻近脊椎骨组织及背部软组织CT值，并由2名放射科医师分别对两种重建图像进行主观图像质量评价。结果 植入螺钉后，仿真体模组主动脉、肺、椎旁软组织IMAR重建图像的噪声值低于FBP重建图像(P均<0.05)，IMAR重建的ΔHU明显小于FBP重建图像(P均<0.01)。病例组FBP重建和IMAR重建方式的脊椎骨组织CT值和背部软组织CT值差异均有统计学意义(P均<0.05)。对FBP重建和IMAR重建图像的主观评分差异有统计学意义(P<0.05)。结论 IMAR算法可明显减少条状伪影，并可校正受影响的组织CT值，使之更接近于无金属情况下的真实值。

胸部；体层摄影术，X线计算机；图像处理，计算机辅助；伪影

CT是常用的医学影像学检查技术，但CT成像时体内金属植入物形成的伪影可严重影响对邻近重要结构的观察[1-2]。迭代去金属伪影算法(iterative metal artifact reduction, IMAR)是一种新的减少CT金属植入物伪影的重建算法，但目前鲜见IMAR对去金属伪影效果评价的报道。本研究对仿真体模植入椎弓根螺钉，模拟有金属异物的胸部CT扫描条件，同时结合临床病例，评价IMAR减少金属伪影的有效性。

1 材料与方法

1.1 一般资料 仿真体模组：采用“Lungman N1”型多用途男性仿真胸部体模(Kyoto Kagaku公司)，大小约43 cm×40 cm×48 cm，胸围约94 cm，质量约 18 kg。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线衰减性能与真人等效。取40.0 mm×3.5 mm钛合金椎弓根螺钉2根，分别置于体模T5两侧。

病例组：回顾性分析我院接受胸部CT检查且扫描范围内有椎弓根螺钉植入物的患者26例，其中男18例，女8例，年龄14～71岁，平均(43.4±14.0)岁。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Perspective CT机，将未植入椎弓根螺钉和植入椎弓根螺钉的体模分别进行扫描。扫描参数：预设管电压130 kV，采用自动毫安秒(care dose 4D)技术，参考管电流80 mAs，准直128×0.6 mm，螺距1，层厚5 mm，FOV 380 mm。将未植入椎弓根螺钉的原始数据采用滤波反投影(filtered back projection, FBP)算法进行重建(肺窗：窗宽1200 HU，窗位-600 HU；纵隔窗：窗宽400 HU，窗位40 HU)；将植入椎弓根螺钉的原始数据采用FBP及IMAR(肺窗：窗宽1200 HU，窗位-600 HU；纵隔窗：窗宽400 HU，窗位40 HU)分别进行重建。层厚均为1 mm。病例组扫描条件、图像重建方式参数同体模扫描。

1.3 图像评价

1.3.1 仿真体模组 对图像质量进行客观评价。于仿真胸部体模T5水平选取1幅CT轴位图像(图1)，于所选图像的肺组织、脊柱旁软组织、主动脉密度均匀区域分别勾画ROI(面积100 mm2)，获得CT值及其标准差(即噪声值)，并计算植入椎弓根螺钉后FBP和IMAR算法CT值相对于无金属植入物图像CT值的偏差程度(ΔHU)：ΔHU=HU金属—HU无金属，每个区域测量3次求平均值。

1.3.2 病例组 测量金属伪影邻近脊椎骨组织及背部软组织CT值，测量ROI直径为0.1～0.2 cm。对图像质量进行主观评价，由2名3年以上诊断工作经验的放射科医师采用4分法分别对两种重建图像进行主观评价，评分不一致时经协商确定。

主观评分标准：0分，金属伪影严重，邻近组织显示不清，不能诊断；1分，金属伪影较多，邻近组织大体结构尚能显示，影响诊断；2分，金属伪影较少，可以诊断；3分，金属伪影基本消除，诊断明确。见图2。

1.4 统计学分析 采用SPSS 17.0统计分析软件，采用SampleK-S检验对数据进行正态性分析，正态分布的资料以±s表示。对仿真体模组植入螺钉前后相同组织结构、不同重建方式的噪声值和CT值的比较采用单因素方差分析，两两比较采用Tukey法；ΔHU和病例组两种重建方法的CT值比较采用配对样本t检验；病例组主观评分比较采用Mann-WhitneyU检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 仿真体模组 植入螺钉后胸部体模主动脉、肺、椎旁软组织，IMAR重建图像的噪声值均低于FBP重建图像(P均<0.05)；植入螺钉后IMAR重建的各组织CT值更接近植入螺钉前对应组织的CT值，差异均有统计学意义(P均<0.01)；IMAR重建后ΔHU明显小于FBP重建后图像，差异均有统计学意义(P均<0.01)，见表1。

表1 植入螺钉前FBP重建与植入螺钉后FBP、IMAR重建图像各组织的噪声值、CT值、ΔHU比较(HU,±s)

表1 植入螺钉前FBP重建与植入螺钉后FBP、IMAR重建图像各组织的噪声值、CT值、ΔHU比较(HU,±s)

重建方式主动脉噪声CT值ΔHU肺噪声CT值ΔHU椎旁软组织噪声CT值ΔHU植入螺钉前FBP重建6.43±1.2726.10±0.46—10.77±1.30-991.97±1.46—6.07±1.7917.60±12.47—植入螺钉后FBP重建11.84±1.19-80.5±7.29106.60±7.4738.41±10.50-681.74±39.27310.22±39.1016.07±1.29212.54±9.94194.94±28.81植入螺钉后IMAR重建10.24±0.87-15.38±3.9241.48±10.5018.80±4.3-851.7±22.56140.27±22.5713.70±5.29120.74±3.70103.14±20.00F/t值39.8252.9623.7428.5242.7717.1334.9720.019.52P值<0.05<0.01<0.01<0.05<0.01<0.01<0.05<0.01<0.01

图1 仿真体模组胸部CT扫描薄层重建图像

2.2 病例组 FBP重建和IMAR重建的脊椎骨组织CT值分别为(446.40±121.81)HU、(198.50±83.28)HU，背部软组织CT值分别为(200.54±68.54)HU、(70.18±28.94)HU。两种重建方式的脊椎骨组织及背部软组织CT值比较差异均有统计学意义(t=12.28、11.21，P均<0.05)。

FBP重建图像质量主观评分均为1分，IMAR重建图像质量主观评分为(2.83±0.51)分，IMAR重建的评分高于FBP重建，差异有统计学意义(Z=2.81，P<0.05)。

3 讨论

伪影是影像上出现的各种非真实的阴影，即CT扫描或数据处理过程中产生的不属于机体正常信息的图像阴影[3]。伪影可影响对病变的诊断，甚至可导致病变的漏诊、误诊。由金属植入物引起的伪影被统称为金属伪影。

目前，多数单源单能MSCT多采用插值法校正金属伪影。林宙辰等[4]采用多项式消除CT检查中的金属伪影。Zhao等[5]采用小波系数线性插值法行金属伪影矫正。此外，还有迭代滤波反投影法[7]等去除金属伪影的方法[6-11]。以上方法在一定程度上矫正了金属伪影[12-13]，但减少金属伪影的效果并不明显。

IMAR是一种新的减少金属植入物伪影的重建技术，该方法联合了3种去金属伪影技术(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)。在线性内插的去金属伪影方法中，应用标准加权的滤波反投影方法，然后应用阈值分割的方法建立一种只有金属的图像，之后通过只有金属的图像投影确定因穿过金属而“损坏”的投影。舍弃沿金属轨迹的投影，用未穿过金属的相邻投影的内插数据替换，可达到减少金属伪影的效果。IMAR不需特殊的硬件设备支持，于CT常规扫描后，即可行重建，操作简单，重建速度较快。

本研究首先以植入椎弓根螺钉胸部仿真体模为研究对象，进行图像质量的客观指标评价，结果表明，对于含有金属伪影的CT图像，IMAR重建图像的噪声值明显低于FBP重建图像(P均<0.05)，且螺钉邻近组织在IMAR重建后ΔHU明显小于FBP重建图像，差异均有统计学意义(P均<0.01)，使CT值更接近于无金属植入物时的真实值。回顾性分析我院26例接受胸部CT检查且扫描范围内有椎弓根螺钉植入物的患者，通过测量金属伪影邻近脊柱骨组织、背部软组织的CT值和主观评价法，发现IMAR明显减少金属伪影对胸部CT图像质量的影响，有较好的真实图像还原能力。

本研究的局限性：IMAR作为一种新的减少金属伪影的重建方法，尚无足够的临床病例验证，还有待进一步研究。

总之，IMAR可明显减少金属伪影的严重程度，并可校正受影响的组织CT值，明显减少金属伪影对胸部图像质量的影响，使之更接近于无金属情况下的真实值。

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Effectiveness of iterative metal artifact reduction for reduction of metal artifact in chest CT scanning

YUBin1,LYUFurong1*,ZHANGLi2,SUNJingkun1,PENGGang1,WANGJie1,YURenqiang1

(1.DepartmentofRadiology,theFirstAffiliatedHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China; 2.SiemensHealthineers,Shanghai210318,China)

Objective To assess the effectiveness of iterative metal artifact reduction (IMAR) on metal artifacts reduction in thorax scan. Methods Thoracic phantom with two pedicle screws implanted in both sides of the T5 vertebrae was used, with the scan parameters of 130 kV and CARE Dose 4D, the phantom was scanned with and without the screws respectively. Images without screws were reconstructed with FBP. Images with screws were reconstructed with FBP and IMAR respectively. Three ROIs were selected on tissues including aorta, pulmonary and paravertebral soft tissue on image slice adjacent to the screws. The CT value and standard deviations (noise) of ROIs were measured, and the deviation of CT value (ΔHU) was calculated as the difference between CT values in images with and without screws. Twenty-six cases who received chest CT examination and with pedicle screw implant in scanning range were collected. The scanning parameters and image reconstruction methods were the same as phantom scan. The CT value (HU) of metal artifacts adjacent to vertebrae and dorsal soft tissue was measured, and the image quality of reconstructed image by two skilled radiologists independently was evaluated. Results In the phantom after implanted screws, the noise were significantly reduced by IMAR compared to FBP in all the three ROIs of aorta, pulmonary and paravertebral soft tissue (P<0.05), and the ΔHU was significantly smaller in IMAR compared to that with FBP (P<0.01). In 26 patients, there were significant differences in CT value of vertebral bone tissue and dorsal soft tissue between FBP and IMAR (P<0.05), and the subjective evaluation scores of the two image reconstruction methods showed a statistically significant difference (P<0.05). Conclusion IMAR can significantly reduce streak artifacts of metal implant and adjuste the CT values of artifact affected tissues to make it more close to the true value without metal implant.

Thorax; Tomography, X-ray computed; Image processing, computer-assisted; Artifacts

国家临床重点专科建设项目([2013]544)。

郁斌(1981—)，男，重庆人，在读硕士，技师。研究方向：图像后处理及低剂量技术。E-mail: c.benjamin@163.com

吕富荣，重庆医科大学附属第一医院放射科，400016。E-mail: lfr918@sina.com

2016-07-04

2016-12-23

10.13929/j.1003-3289.201607021

R814.42

A

1003-3289(2017)04-0590-04