能谱CT单能量联合MAR去除髋关节置换物伪影的临床研究

苏 伟，冯 如

(1.无锡市第九人民医院放射科，江苏 无锡 214062；2.无锡市人民医院医学影像科，江苏 无锡 214023)

由于老年化的加剧，髋关节炎、股骨头坏死等关节疾病的发病率持续上升，髋关节置换术为上述疾病常见治疗手段，尽管目前髋关节置换术已较为成熟，但仍会有术后关节感染、周围骨折及假体松动等并发症发生，CT检查对髋关节置换术后并发症的检出具有重要作用，但金属植入物在常规CT检查中通常会形成放射状或星芒状伪影，影响周围组织及结构的观察和诊断，从而降低诊断准确性[1]。因此，消减CT图像中的金属伪影具有重要的临床意义。CT能谱成像技术(gemstone spectral imaging，GSI)联合多伪影去除(multi-artifact reduction，MAR)对于去除金属伪影有显著作用，但面对不同部位、结构、形态、材质的金属植入物，其去除金属伪影的效果存在差异，目前在头颅、肩关节、脊柱等部位其去金属伪影的有效性被广泛研究，但对于两者在髋关节置换术后去除伪影的作用尚缺乏深入的研究。因此，本研究拟探讨能谱CT单能量联合MAR技术去除髋关节置换物伪影的效果，旨在寻求新方法以提高髋关节置换术后CT图像清晰度，进而帮助医师提高诊断准确性。

1 资料与方法

1.1 临床资料

回顾性收集2020年4月至2021年4月于我院行髋关节置换术并且术后行髋关节能谱CT检查的31例患者的临床资料。其中男18例，女13例；年龄47～73岁，平均(64.2±5.2)岁；手术原因：股骨头坏死10例、股骨颈骨折15例、骨性关节炎5例、强直性脊柱炎1例；所有患者均行半髋关节置换。纳入标准：因髋关节疾病行髋关节置换术；髋关节置换术后行能谱CT扫描。排除标准：CT图像存在运动伪影；因患者自身原因或操作不当引起图像质量不佳。本研究获得医院伦理委员会批准同意。

1.2 仪器与方法

采用德国西门子二代双源双能量CT(Somatom Defination FLASH)行CT扫描，嘱患者仰卧、头先进。扫描范围：髋关节置换物上下缘各5 cm以上，管电压分别为80 kV、140 kV，管电流分别为80 mAs、210 mAs，旋转时间设为0.28 s，准直器宽度为0.6 mm，层厚0.6 mm，扫描螺距为0.8，重建间隔为5 mm，矩阵512×512。扫描后获得80 kV、120 kV、140 kV融合图像，将图像数据传至西门子syngo.via工作站实施处理，将80 kV、140 kV的数据传入后处理软件dual-energy内，运用单能谱成像程序去除伪影。将原始扫描数据重建70～140 keV以10个KeV能级为间隔的8组(70 KeV、80 KeV、90 KeV、100 KeV、110 KeV、120 KeV、130 KeV、140 KeV)单能量图像(非MAR组)和8组单能量MAR图像(MAR组)。

1.3 图像分析

1.3.1 主观分析 由2名分别具有10年及13年工作经验的影像医师根据金属伪影去除情况及周围组织显示情况，包括假体周围肌肉、骨质结构及盆腔器官(膀胱、子宫或前列腺)结构，依据李克特量表评分法[2]规定，以盲法方式对每组图像质量进行评价，2名医师意见出现分歧时通过协商达成一致，观察部位按5分制进行评分：1分，图像出现严重伪影，上述组织结构受干扰严重、显示差，不能诊断；2分，图像出现严重伪影，上述组织结构受干扰较严重，诊断难度较大；3分，图像出现中度伪影，上述组织受中度干扰，尚能做出诊断；4分，图像金属伪影小，上述组织结构受轻度影响，能做出诊断；5分，图像无或几乎无金属伪影，上述组织结构清晰显示，能做出明确诊断。主观分析结果显示100～130 KeV单能量及单能量MAR图像质量较好，因此将其纳入客观分析。

红色ROI：髋关节假体周围金属高低密度伪影区；蓝色ROI：膀胱、周围骨组织及周围肌肉区；绿色ROI：皮下脂肪区

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 主观评价结果

同一能级条件下，MAR组主观评分均高于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)；随着能级的增大，非MAR组假体周围肌肉及盆腔器官主观评分先增大后减小，且在110 KeV时主观评分最高，骨质结构主观评分逐渐增大；随着能级的增大，MAR组假体周围肌肉、骨质结构及盆腔器官主观评分均逐渐增高，见图2、表1。

表1 不同能级下2组图像主观评价结果分)

a、b：120 KeV非MAR单能量横断面及冠状面图像，黑色箭头所指处可见金属伪影遮挡股骨骨折；c、d：120 KeV MAR单能量横断面及冠状面图像，金属伪影被有效去除，白色箭头所指处可见股骨骨折较好呈现

2.2 假体周围金属高低密度伪影区CT值、SD值

在110～130 KeV条件下，MAR组假体周围金属低密度区CT值均高于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)；在100 KeV、110 KeV、130 KeV条件下，MAR组假体周围金属低密度区SD值均低于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)，见表2。在110 KeV、120 KeV条件下，MAR组假体周围金属高密度区CT值均低于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)；在110～130 KeV条件下，MAR组假体周围金属高密度区SD值均低于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)，见表3。

表2 2组图像假体周围金属低密度区CT值、SD值测量结果

表3 2组图像假体周围金属高密度区CT值、SD值测量结果

2.3 假体周围肌肉、周围骨组织、膀胱SNR值、AI值

在110 KeV、120 KeV条件下，MAR组假体周围肌肉SNR值均高于非MAR组，AI值均低于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)，见表4。在100～120 KeV条件下，MAR组假体周围骨组织SNR值均高于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)；在100 KeV、110 KeV条件下，MAR组假体周围骨组织AI值均低于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)，见表5；各能级条件下，MAR组膀胱SNR值均高于非MAR组，AI值均低于非MAR组，差异具有统计学意义(P<0.05)，见表6。

表4 2组图像假体周围肌肉SNR值、AI值比较

表5 2组图像假体周围骨组织SNR值、AI值比较

表6 2组图像膀胱SNR值、AI值比较

3 讨论

随着社会老龄化的加剧，人群中髋关节炎、股骨头坏死等关节疾病发病率持续上升。目前人工关节置换术在治疗股骨头坏死、髋关节发育不良、髋关节炎等疾病中发挥了重要作用，其被证实可有效缓解关节疼痛及重建关节功能[4]。但临床工作中发现，部分患者术后可出现感染、植入关节松动及骨折等并发症[5]，及时发现并对此进行积极干预对提高治疗效果至关重要。目前CT影像检查是术后复查的主要手段之一，但在传统CT检查中金属植入物会形成严重的金属伪影，干扰影像诊断。CT图像伪影指CT图像中重建数据与物体实际衰减系数之间的差距。金属植入物通常会引起射线束硬化伪影及金属伪影。射线束硬化伪影指当混合能量X射线束穿过人体时，人体组织优先吸收能量较低的X射线，高能量X射线穿透人体组织，X射线束平均能量提高，X射线束硬化，产生暗带及条状和杯状伪影。金属伪影的产生原因在于当X射线束穿透金属时，其强度急剧衰减，引起相应的CT投影数据失真，产生高密度条状伪影[6-7]。随着能谱CT技术的发展，单能量成像技术联合MAR技术在去除金属伪影中的作用受到了广泛研究[8]，两种技术在去除颅内动脉瘤弹簧圈栓塞术后金属伪影[9-10]、减少脊柱金属植入物伪影中的作用被证实[2，11]。但其在髋关节置换术后去除金属伪影的价值尚缺乏深入的研究，因此本研究探讨能谱CT单能量联合MAR技术去除髋关节置换物伪影的有效性。

MAR为一种基于迭代重建算法去除金属伪影的技术[12-13]，本研究主观评价结果发现，同一能级条件下，MAR组主观评分均高于非MAR组，提示MAR技术对去除金属伪影具有一定作用；非MAR组随着能级增大，假体周围肌肉及盆腔器官主观评分先增大后减小，且在110 KeV时评价最好；MAR组随着能级增大各主观评分逐渐增高，可能原因在于伪影的产生与扫描条件即管电压、管电流等参数设置密切相关，在低管电压时X射线穿透能力较弱，增大了图像伪影，而随着管电压升高，图像伪影逐渐减少。本研究中，在100～130 KeV条件下2组图像质量均较好，所以客观评价中仅纳入100～130 KeV图像。当X射线摄入含有金属植入物的人体组织时，由于射线硬化效应和光子饥饿效应的影响，CT图像中会出现条状或放射状金属高低密度伪影区，有研究指出单能量成像技术可有效减少金属植入物造成的硬化伪影[14]，MAR技术在去除光子饥饿造成的低密度伪影中具有一定作用[15]。因此，本研究评估了不同KeV条件下，能谱CT单能量联合MAR技术对于去除金属高低密度伪影的作用，结果显示在110～130 KeV条件下，MAR组假体周围金属低密度区CT值均高于非MAR组；在100 KeV、110 KeV、130 KeV条件下，MAR组假体周围金属低密度区SD值均低于非MAR组；在110 KeV、120 KeV条件下，MAR组假体周围金属高密度区CT值均低于非MAR组；在110～130 KeV条件下，MAR组假体周围金属高密度区SD值均低于非MAR组，这表明2种技术联合重建图像可矫正金属高低密度伪影区CT值和降低图像噪声。

术后对假体周围组织器官进行观察，及时准确地检出或排除各种并发症的发生，对于改善患者预后具有重要临床意义。因此，本研究通过计算假体周围肌肉、周围骨组织、膀胱中SNR、AI值以评价能谱CT单能量联合MAR技术改善假体周围图像质量的效果。结果显示：在110 KeV、120 KeV条件下，MAR组假体周围肌肉SNR值均高于非MAR组，AI值均低于非MAR组；在100～120 KeV条件下，MAR组假体周围骨组织SNR值均高于非MAR组；在100 KeV、110 KeV条件下，MAR组假体周围骨组织AI值均低于非MAR组；各能级条件下，MAR组膀胱SNR值均高于非MAR组，AI值均低于非MAR组，表明能谱CT单能量联合MAR技术能够有效改善假体周围组织图像质量，对于观察周围骨质是否发生骨折、是否伴发盆腔疾病[16]具有重要意义。Bongers等[17]的研究指出，单能量图像(130 KeV)联合迭代法等去金属伪影技术去除金属伪影的效果较仅单能量成像技术更好，本研究结果与之一致。有研究显示，高KeV条件可降低金属硬化伪影，但同时也会降低软组织对比度，可能原因是MAR技术在金属伪影矫正过程中，将密度差别较大的结构当作了金属伪影，使得矫正幅度过大，过度矫正产生了新的伪影，降低了图像质量[18-19]。而本研究结果显示，随着KeV增大，MAR组各组织结构SNR值均增高、AI值均降低，表明使用高KeV在有效去除金属伪影的情况下，未明显降低软组织对比度、引入新的伪影，可能原因在于不同研究之间金属植入物材质、形态、大小及使用的能谱CT扫描仪器、去除金属伪影算法等存在一定差异，使得研究结果不一致。但本研究结果与李杰等[20]的研究相似。

综上所述，与传统CT扫描相比，能谱CT不仅不会增加扫描辐射剂量，而且单能量图像具有更好的图像质量、SNR和对比SNR[21];MRA技术能进一步降低图像伪影的影响。本研究认为，能谱CT单能量联合MAR技术可有效去除髋关节置换物伪影、纠正假体周围组织器官CT值、提高解剖结构清晰度，有利于髋关节置换术后对患者进行评估，提高诊断准确性，有望在临床实践中推广使用。