双层探测器光谱CT虚拟单能量成像联合去除植入物金属伪影用于减少置换髋关节假体金属伪影

孙彤彤,黄熙菎,罗腾龙 ,杨德金,闫 东*

(1.首都医科大学附属北京积水潭医院放射科,2.矫形骨科,北京 100035)

全髋关节置换术是治疗髋部疾病(如晚期骨性关节炎、股骨头坏死)的主要方法之一,术后可利用CT观察有无无菌性炎症、骨吸收溶解及假体周围骨折等,但假体金属伪影严重影响图像质量。既往多以骨科去除植入物金属伪影(orthopedic metal artifact reduction, O-MAR)算法去除CT图像中的伪影[1]。随着能谱CT的发展,虚拟单能量成像中的高能级图减轻金属伪影技术逐渐普及。以单一O-MAR和虚拟单能量图(virtual monoenergetic image, VMI)及二者联合去除金属伪影已有报道[2],但少见基于双层探测器光谱CT的全髋关节置换术后在体研究。本研究基于双层探测器光谱CT观察VMI联合O-MAR去除髋关节假体金属伪影的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性纳入2021年7月—2022年4月20例于北京积水潭医院接受髋关节双层探测器光谱CT扫描的单侧全髋关节置换术后患者,男7例、女13例,年龄38～67岁、平均(53.5±15.7)岁,体质量指数20.26～25.02 kg/m2、平均(22.50±4.10)kg/m2。纳入标准:①置换关节假体为钛合金材质臼杯和股骨柄、陶瓷材质股骨头、聚乙烯或陶瓷材质臼杯内衬;②术后3年平扫CT资料完整。排除标准:①扫描范围内除置换关节假体外存在其他金属;②图像中存在其他伪影。本研究经院伦理委员会批准(积伦科审字第202107-07号)。

1.2 仪器与方法 采用Philips IQon Spectral CT机。嘱患者仰卧接受髋关节扫描,管电压120 kVp,管电流250 mAs,螺距1,准直器宽度64×0.625 mm,球管转速0.5 s/rot,矩阵512×512,扫描层厚5 mm,重建层厚1 mm;对图像进行重建,以混合迭代法获得的常规120 kVp混合能量图(polyenergetic image, PI)、加入O-MAR的PI(MAR图)、基于投影空间光谱重建法的不同能级(70～200 keV,间隔10 keV)VMI和加入O-MAR的VMI(VMI-MAR图)。

1.3 图像分析 由2名具有5年以上诊断经验的影像科医师于Philips Intellispace portal工作站进行图像分析。

1.3.2 主观评价 调节窗宽、窗位,观察图像伪影严重程度及假体周围组织(盆腔内器官如膀胱、直肠,关节周围肌肉如臀大肌、臀小肌、耻骨肌、闭孔内肌及股直肌等)清晰度,采用Likert量表5分法[2]进行评分:1分,伪影严重,无法观察假体周围组织;2分,中度伪影,假体周围组织观察受限;3分,轻度伪影,可观察假体周围组织;4分,几乎无伪影,假体周围组织可观察程度良好;5分,完全无伪影,假体周围组织清晰可见[2]。取2名医师评分的平均值为最终结果。

1.4 统计学方法 采用SPSS 23.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料,组间行配对t检验;以中位数(上下四分位数)表示不符合正态分布者,组间行Wilcoxon检验。采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient, ICC)评价2名医师测量结果的一致性;以ICC<0.20为一致性较差,0.20～0.40为一般,0.41～0.60为中等,0.61～0.80为较强,>0.80为强。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 客观测值 2名医师测量AI及SD的一致性较强或强(ICC=0.73～0.91),故针对医师1的测量结果进行后续分析;对VMI及VMI-MAR图组内不同能级间测值未予比较。

2.1.1 AI 4组图像之间,低密度AI两两比较差异均有统计学意义(P均<0.001);除MAR图与110 keV VMI、150 keV VMI及70 keV VMI-MAR图外,其余2种图像间高密度AI差异均有统计学意义(P均<0.05)。见表1。

表1 髋关节PI、MAR图、VMI和VMI-MAR图的AI及SD

随能级升高,VMI及VMI-MAR图中多数AI下降,且能级越高越趋于平稳;VMI图中部分AI先降低后升高。图1。

图1 髋关节VMI及VMI-MAR图中AI随能级变化的曲线图(不同颜色的线代表不同患者) 图2 髋关节VMI及VMI-MAR图中SD随能级变化的曲线图(不同颜色的线代表不同患者)

2.1.2 SD 除MAR图与110 keV VMI、150 keV VMI、190 keV VMI外,其余图像间膀胱SD两两比较差异均有统计学意义(P均<0.001);4组图像间臀大肌SD两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。见表1。

随能级升高,VMI及VMI-MAR图中多数SD下降,且能级越高越趋于平稳; VMI中部分膀胱SD先降低后升高。见图2。

2.2 主观评价 PI主观评分为结果为1(1,1),MAR图为3(2,3),70、110、150及190 keV VMI分别为1(1,1)、2(2,2)、2(1,2)及2(1,2),70、110、150及190 keV VMI-MAR图分别为2.5(2,3)、4(3.25,4)、4(3,4)及4(3,4);以VMI-MAR图的主观评分最高(图3)。除PI与70 keV VMI、MAR图与70 keV VMI-MAR图外,其余图像间主观评分两两比较差异均有统计学意义(P均<0.01)。

图3 患者男,54岁,左髋关节置换术后 A.左髋关节PI; B.左髋关节MAR图; C.左髋关节110 keV VMI; D.左髋关节110 keV VMI-MAR图

3 讨论

本研究双层探测器光谱CT采用单球管、单电压,上层探测器可捕获低能量光子,下层则能捕获高能量光子,具有同源、同时、同向的特点;基于探测器能谱成像的高、低能投影数据完全匹配,生成的VMI在消除噪声和减轻线束硬化效应方面更为出色,有助于促进联合应用VMI与O-MAR[3-4]。

CT图像中出现金属伪影的主要原因在于线束硬化效应(射线透过金属后低能量光子大部分被吸收,到达探测器的光子能量较高,主要形成高密度伪影)、光子饥饿效应(射线透过金属后低能和高能光子均被吸收,到达探测器的光子量不足以产生信号,导致图像重建过程中出现错误,主要形成低密度伪影)及散射(金属与周围组织对射线的衰减差异较大而形成伪影)[3,5]。金属伪影常表现为低、高密度伪影共存。有学者[2]分析髋关节CT图像中的金属伪影,发现O-MAR可减轻光子饥饿效应,有助于减少低密度伪影;而高能级VMI可减轻线束硬化效应,对减少高密度伪影更有优势;本研究结果与之相符。既往研究[6]认为O-MAR可有效去除CT脑深部刺激电极伪影,而与VMI联合应用并不能提升O-MAR去除伪影效果。本研究结果显示,VMI-MAR图去除金属伪影效果最为显著、优于MAR图,与上述研究[6]结果有所不同,原因可能在于该研究所用电极材质、尺寸及生理环境均与本研究所用髋关节假体存在差异。以上结果提示,对于O-MAR联合VMI去除CT图像金属伪影效果,需要根据金属所在部位、材质及尺寸等加以具体分析[7-8]。

金属伪影可影响置换假体周边组织成像,而对于盆腔内器官的成像效果直接影响诊断肿瘤复发或转移,清晰显示肌肉有助于判断其有无萎缩和水肿。本研究结果表明,VMI联合O-MAR可最大限度降低髋关节假体周边组织噪声;VMI噪声值随能级升高而下降,但其软组织对比度亦随能级升高而变差[9-10]。基于VMI观察周边组织情况时,切勿为降低噪声而仅针对高能级图像,以免对比度过低而引起漏、误诊。

O-MAR和高keV VMI可因像素分割和分类不准确致CT图像出现新伪影[1,11-12]。本研究发现部分VMI中AI和膀胱SD随能级升高而先下降后升高,主要原因在于70 keV图的高密度伪影可于100 keV图中大幅减少,而于130 keV图中变为低密度伪影(图4)。对于去除金属伪影,并非能级越高VMI越好,应基于原始图像进行对比观察,以免出现新伪影而影响诊断。

图4 患者男,49岁,左髋关节置换术后同层面VMI A.ROI为高密度伪影,SD=154.9 HU;B.ROI处伪影大幅度减少,SD=21.3 HU; C.ROI为低密度伪影,SD=59.8 HU (绿圈为ROI)

本研究的主要局限性:①样本量小;②未纳入双侧和部分髋关节置换术后患者;③未针对假体材质进行分类观察。

综上,双层探测器光谱CT VMI联合O-MAR有助于去除髋关节假体金属伪影、降低周边组织噪声。