能谱CTMARs与单能量成像技术去除骨关节金属置入物伪影的效果

廖建勇，杜静波，勾振恒，郭小会，苏晓华，曹琬钰，陈天金

对金属置入物患者的影像评价，多层螺旋CT较普通X线平片具有软组织分辨率高及多方位重建等优势，但金属置入物引起的金属伪影严重影响对周围软组织及骨质的观察[1]，甚至造成误诊或漏诊[2, 3]。GE公司能谱成像(gemstone spectral imaging，GSI)技术很好地解决了这一问题[4]，但关于最佳图像质量的单能量成像点尚无明确诊断标准及定论[5]。本研究通过对常规混合能量(quality check, QC)图像与单能量(monoenergetic, Mono)叠加金属伪影消除技术(metal artifact reduction software, MARs)图像进行比较研究，探讨GSI在去金属置入物伪影方面的作用，并寻找最佳图像质量的单能量成像点。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集大兴教学医院2019-01至2019-12 骨关节内固定术后行能谱成像CT扫描的患者30例，其中男18例，女12例，年龄31～68岁，平均(42.7±18.2)岁。其中脊柱螺钉内固定16例,人工髋关节置换4例，股骨钢板内固定3例,胫骨钢板内固定7例。入组标准：(1)骨关节内固定术后复查者；(2)CT扫描除金属伪影外无其他伪影。排除标准：(1)临床资料与影像图像不完整者；(2)合并其他伪影者。本研究通过本单位伦理委员会批准，所有患者检查前均签署知情同意书。

1.2 设备与检查方法 采用美国GE公司Revolution CT进行GSI扫描，所有患者均行平扫，扫描条件:管电压在0.5 ms内完成80 kVp和140 kVp能量切换，管电流600 mA，层厚5.0 mm,间隔5.0 mm，螺距0.984，X线管旋转速度0.8 s/r。扫描完成后重建成层厚为1.25 mm的140 kVp常规QC图像传至AW4.6工作站,启动能谱分析软件GSI viewer,每隔10 keV分别获得40～140 keV共11组Mono叠加MARs图像。

1.3 图像评价

1.3.1 主观评价 所获得的全部图像均由2名高年资放射科医师独立评分, 评分内容包括金属置入物金属伪影的大小、周围骨质细微结构的显示及周围软组织显示。评分标准采用4分法[6, 7]：0分为图像质量差，伪影很重，图像无法观察；1分为图像质量较差，伪影较重，近处软组织无法观察，远处软组织部分模糊，近处骨质显示不清；2分为图像质量较好,有部分伪影，肌肉边界部分模糊，部分骨皮质模糊，骨骼形态清晰；3分为图像质量好,基本无伪影，肌肉显示清晰，骨皮质及骨小梁清晰，置入物边缘清晰。骨窗的窗宽/窗位设定为2000 HU/350 HU，软组织窗的窗宽/窗位设定为400 HU/40 HU[8]。

1.3.2 客观评价 分别选取QC及Mono+MARs图像伪影最重层面(A)及邻近无伪影层面(B)的同一组织(肌肉)，测量相应的CT值和噪声(standard deviations, SD)值，分别记录为CTA、CTB和SDA、SDB。同一患者所选层面的测量位置、大小保持一致，感兴趣区(regions of interest, ROI)大小约1 cm2。比较QC组与不同keV的Mono+MARs组图像金属伪影指数(artifacts index, AI)和对比噪声比(contrast-to-noise ratio, CNR)，计算公式见文献[9]。

2 结 果

2.1 两组图像主观评价结果 2位医师对观察结果一致性显示Kappa值为 0.835，具有较好的一致性。

2.2 两组图像客观评价结果 QC图像(图A～C,F)与不同keV的Mono+MARs图像AI及CNR比较见表1。除了单能量70keV时，其余keV值均有统计学差异(P<0.05),而且随着keV值的上升，AI值逐步下降；单能量在110 keV(图D,E)时，AI值最小(26.56±9.47)，说明单能量110 keV时，伪影去除最佳。在两组的CNR比较中发现，除了单能量80 keV时，其余keV值的CNR差异均有统计学意义(P<0.05),而且随着keV值的上升，CNR值逐步下降，单能量在90 keV时，CNR值达到最小(1.92±1.42)，然后不断增大，于120 keV时达到最大值(4.98±3.87)，说明单能量120 keV时，图像质量最优。

表1 骨关节金属置入物QC图像与不同KeV的Mono叠加MARs图像AI及CNR比较

图1 腰椎骨折金属内固定术后能谱成像CT扫描

3 讨 论

伪影是指在CT图像上出现各种非真实的干扰或阴影[10]。金属伪影产生是由于X线通过更多原子数和更高密度的金属置入物时引起急剧衰减，导致周围骨质及软组织对X线衰减的数据缺失，引起数据失真出现金属伪影[11]。线束硬化伪影是因为混合能量的X线穿过人体时，低能量的射线迅速衰减，导致穿过人体的光子平均能量升高，反应到图像上为高密度亮带[12]。影响图像质量的因素众多，如管电压、层厚、伪影及噪声等，伪影及噪声是最重要的因素[13]。

传统CT可以通过骨算法重建、降低窗位和扩大窗宽的方法减少金属置入物伪影[14]，但缺点在于噪声太大导致图像质量差，周围软组织根本无法评价，而且X线束产生的硬化伪影仍无法消除[6]。能谱CT的出现打破了传统CT检查的禁区[4]，其球管及探测器可以同源、同时、同向瞬间采集高低两组能量数据，在投影空间的解析中得到Mono重建图像，有效地减少X线因能量不纯而产生的散射、反射，从而有效地消除金属伪影和硬化伪影[15]。而且MARs技术通过软件对因伪影产生信号缺失进行数据处理，有针对性对金属置入物及周围骨质、软组织进行准确的数据投射，更加有效地减少各种伪影[16]。

本研究显示，Mono在40～60 keV时，AI值较大，图像伪影较重，考虑与管电压较低及X射线穿透力较弱有关。随着管电压的上升，图像质量得到显著改善。在70～80 keV时，AI值迅速下降，而在90～140 keV，AI值趋于平缓。在110 keV时，AI值最小，说明此为去除金属置入物伪影的最佳成像点，与文献[6, 17, 18]报道一致。除伪影外，噪声是影响图像质量的一个重要因素。在CNR的比较中发现，在单能量较低时，噪声随着keV的上升而下降，但是伪影依然较大，从而CNR表现不佳，而在较高单能量时，伪影减除明显，噪声进一步降低，图像质量显著变好，于120 keV时CNR达到最大。综合考虑，单能量在110～120 keV时，去除伪影的效果及图像软组织分辨率最佳，从而能够为临床术后评价疗效提供客观、详实的影像资料。由于本研究未对金属置入物的材质、位置、形态及大小进行细分分析，且样本量较小，结果可能存在偏差，有待今后进一步总结分析。

综上所述，CT能谱成像技术中的单能量成像叠加MARs可以有效地降低金属置入物伪影，降低噪声，清晰显示周围细微骨质结构及软组织，获得优良的图像，具有较好的临床应用价值。110～120 keV为金属置入物患者最佳的单能量成像点。