全踝关节置换术后CT复查中MAC技术去金属伪影的临床应用

邹 萌, 李真林, 潘雪琳, 樊 敏

1. 四川大学华西医院上锦医院放射科,四川 成都 610041; 2. 四川大学华西医院放射科,四川 成都 610041

人工全踝关节置换术目前已经成为外科医生治疗终末期踝关节炎的有效方法,应用范围逐渐扩大[1]。据报道,踝关节炎发病率约为1%[2]。早期一般采用非手术干预,中晚期或者保守治疗3～6月无效者,则考虑手术治疗[3]。踝关节所承受的压力要比膝关节超出64%,比髋关节超出45%,但是踝关节的关节接触面大约仅仅是膝关节和髋关节的1/3[4],由此,全踝关节置换术要求更严格,手术风险较髋、膝关节置换风险高。术后需定期进行影像学复查评价有无并发症,普通X线摄影是术后常用方法,但信息显示较有限。CT检查因其具有高空间分辨率的优势,在人工关节诊疗中具有不可或缺的作用。但在进行CT检查时金属植入物会产生放射状的硬化束伪影,严重的伪影会对邻近重要结构或者病变产生影响,影响诊断准确性及延误治疗[5]。过去报道关于CT减少人工关节金属伪影的方法较多,多应用在脊柱及髋关节,目前踝关节假体发展没有髋、膝关节假体成熟,踝关节置换术难度系数较大,国内开展全踝关节置换术的医生较髋、膝关节置换的少,因而全踝关节置换术后的CT报道不多,同时有关于金属伪影校正(metal artifact correction,MAC)技术在全踝关节置换术后降低金属伪影的报道甚少。本研究通过对全踝关节置换后的患者进行CT复查,探讨MAC技术在降低金属伪影,提升图像质量方面的应用。

1 资料和方法

1.1 一般资料

回顾性收集2022年7至12月于我院进行全踝关节置换术后行CT复查的患者40例,其中男性15例、女性25例,年龄50～77岁,平均年龄(60.0±11.6)岁。入组标准:全踝关节置换术后;均复查在联影uCT860上行CT踝关节普通扫描;踝关节无其他内固定。排除标准:不配合,无法进行CT检查患者。本研究已经我院伦理委员会批准,所有受试者均已知晓。

1.2 检查方法

均使用uCT860完成踝关节普通CT扫描。患者体位选择仰卧位足先进,踝关节保持中立位。扫描范围从胫骨端假体上缘上5～8 cm至足跟下缘。扫描参数:管电压120 kV、管电流180 mAs、准直器160 mm×0.5 mm、矩阵512×512、球馆旋转时间0.8 s、螺距0.9875、重建层厚1 mm。所有患者扫描后将原始数据进行MAC技术重建和KARL-3D迭代重建。

1.3 图像测量

将原始数据经过MAC技术和KARL-3D迭代重建后分为A、B两组,A组采用MAC技术重建,B组采用KARL-3D迭代重建,重建后数据载入联影CT工作站,由2名高年资放射科诊断医生对A、B两组中每位患者选取相同两个层面(胫骨端假体层面、距骨端假体层面),分别于金属高密度伪影区、金属低密度伪影区、假体旁关节间隙、假体旁骨组织及肌肉勾画感兴趣区(region of interest,ROI),大小均为1.2 cm2,位置均一致,分别测量A、B两组图的ROI的CT值和噪声值标准差(standard deviation,SD),计算两个层面的平均值。并以肌肉参考计算金属高密度伪影区、金属低密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和对比噪声比(contrastto noise rati,CNR)。SNR=CT/SD肌肉,CNR=(CT-CT肌肉)/SD肌肉。具体测量见图1。

图1 患者(女)左踝关节置换术后半年左踝关节CT图(a)、(b)为胫骨端假体层面;(c)、(d)为距骨端假体层面;(a)、(c)为KARL-3D迭代重建;(b)、(d)为MAC技术重建。金属高密度区域:黑色ROI;金属低密度区域:橙色ROI;金属旁关节间隙:淡黄色ROI;假体旁骨组织:紫色ROI;肌肉:绿色ROI

1.4 图像质量评价

由2名高年资诊断医师(足踝部有5年、8年经验)采用盲法对A、B两组图像进行主观评分,评判结果不一致时,协商讨论后达成一致。图像评价标准参考Likert 5分制[6],对图像质量进行主观评分:5分,伪影极少或无伪影,可以完全诊断;4分,出现轻度伪影,但不影响诊断;3分,出现中度伪影,但尚能做出诊断;2分,出现严重伪影,难以做出诊断;1分,出现严重伪影且无法诊断。

采用SPSS 18.0统计学软件,应用配对样本t检验比较A、B两组金属高密度伪影区、金属低密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织CT值、SD值、SNR、CNR及两组之间的主观评分,以P<0.05为差异有统计学意义。用Kappa检验评价2名医师盲法评分的一致性水平,Kappa值在0～1之间,通常情况下:Kappa值<0.20为一致性较差;0.2～0.4说明一致性程度一般;0.4～0.6说明一致性程度中等;0.6～0.8说明一致性程度较强;0.8～1.0说明一致性程度很强。

2 结果

2.1 A、B两组图像CT值、SD值比较

金属高密度伪影区、假体旁关节间隙、假体旁骨组织CT值A组比B组分别减少9%、23.5%、37.8%,金属低密度伪影区A组比B组增加87%,差异均具有统计学意义(P<0.05),见表1。A、B两组图像SD值A组均低于B组,差异均具有统计学意义(P<0.05),见表2。

表1 金属高密度伪影区、金属低密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织CT值

2.2 A、B两组图像SNR比较

A、B两组图像SNR A组均大于B组:金属高密度伪影区增加8.48,金属低密度伪影区增加19.92,假体旁关节间隙增加3.89,假体旁骨组织增加7.13,差异均具有统计学意义(P<0.05)。见表3。

表3 金属高密度伪影区、金属低密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织

2.3 A、B两组图像CNR比较

A、B两组图像CNR A组均大于B组:金属高密度伪影区增加8.58,金属低密度区增加19.82,假体旁关节间隙增加3.89,假体旁骨组织增加7.24,差异均具有统计学意义(P<0.05)。见表4。

表4 金属高密度伪影区、金属低密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织

2.4 A、B两组图像主观评分比较

图像质量主观评分一致性检验中,A组Kappa值=0.68,B组Kappa值=0.63,一致性程度均较强。其中A组图像质量评分(3.40±5.90)分,B组图像质量评分(2.10±0.30)分,A组图像质量评分高于B组1.30分,A组明显优于B组,差异具有统计学意义(t=14.581,P<0.05),由图2可见A组图像质量优于B组。

3 讨论

全踝关节置换术首先在20世纪70年代提出并逐步开展[7],手术发展晚于膝关节和髋关节置换,相对于膝、髋关节置换,全踝关节置换的报道相对较少[8]。随着全踝关节置换术的发展,越来越多的研究支持全踝关节置换术治疗终末期踝关节炎可以获得相同疗效,同时可以保留踝关节功能[9]。由于普通X线在术后随访复查中,因信息较少易漏诊,而CT因图像采集量大、密度分辨率高、扫描层厚薄、重建图像清晰并可行三维测量,其旋转、平移等功能可实现测量平面确定,既方便又具灵活性,是目前分析骨形态学特点,测量骨解剖形态最真实有效的方法[10]。近年来,常规CT对有关骨关节金属植入物重建成像的报道很多[11],但其金属伪影较重,对周围组织造成严重的干扰,不利于医生判断金属植入物的情况,为骨科医生的诊断带来困扰。因此,减少踝关节金属植入物的伪影是骨科医生一直所关注的热点。

金属伪影的产生是由于X线遇到高密度的金属后严重衰减造成的[12]。金属伪影包括射束硬化效应、部分容积效应、光子不足等。CT图像去除金属伪影主要的方法有双能CT、双源CT及能谱CT[13-15]等。由于传统的滤波反投影(FBP)成像重建技术逐渐限制了图像质量,联影uCT860使用KARL-3D迭代重建技术,通过迭代算法对原始数据和重建图像进行系统处理,降低图像噪声获得高质量图像,但它在金属假体扫描中,金属假体产生的硬化伪影、散射伪影等导致图像噪声增加,分辨率减小。MAC技术基本原理是通过图像重建的方式来减少金属伪影,它结合插值和迭代算法的优点,用来自相邻组织未缺损光子投影的插值替换金属引起的光子不足投影,并循环反复不断校正金属区域的CT值,从而校正伪影[16]。

全踝关节置换术后CT复查,胫骨端假体和距骨端假体产生较重的金属伪影,本研究对KARL-3D迭代重建和MAC技术重建图像进行测量比较,评估MAC技术对金属伪影的影响。结果显示:A组中金属高密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织CT值分别降低9%、23.5%、37.8%,SD值分别降低16.5%、20%、27%,金属低密度伪影区CT值增加87%,SD值降低25.9%。表明MAC技术通过校准、去噪,减少金属高密度伪影区、假体旁关节间隙及假体旁骨组织由于光子缺乏引起的条纹伪影,从而降低CT值,减低噪声;再运用插值补偿,清除金属低密度伪影区的大部分阴影,不断校正提高金属低密度伪影区的CT值,减少噪声。因此,MAC图像中CT值均有改善,图像噪声也有显著减少。

由于踝关节间隙是骨科医生的术后评估重点,术后距骨假体松动或衬垫移位对内外踝的撞击或摩擦等容易导致关节间隙的变化,同时异位骨化中II级来自胫骨或距骨的骨刺,会使关节间隙减小50%以内;Ⅲ级会使关节间隙减小50%以上[17],因此我们对关节间隙进行了测量评价,结果显示A组SNR提高7.82,CNR提高3.89,差异具有统计学意义(P<0.05),说明MAC技术更加清晰地显示假体旁关节间隙的结构,有助于临床医生分析假体有无移位、关节间隙有无改变、需要翻修等情况。

同时骨不愈合的特殊情况是随访观察的重点,在全踝关节置换术中和术后骨折发生率较高,术中骨折最常见的是内踝骨折,是因为截骨出现偏差、假体设计问题及患者本身的骨质都是导致内踝骨折的原因;术后骨折多是内踝应力性骨折,与手术中松懈不够有关。CT踝关节扫描对于细微的骨折也可以清晰地显示,并且能从多个方向显示骨折的情况,有助于临床医生评价骨愈合的情况。但是踝关节置换后常规CT检查会被高密度金属伪影遮挡骨组织,影响临床医生的评估,目前关于全踝关节置换术后CT去金属伪影的研究对骨组织的分析测量甚少,所以本研究选择假体旁骨组织作为研究的重点,提升骨组织图像质量,解决临床所需。而我们测量结果显示A组SNR提高7.13,CNR提高7.24,A组优于B组,差异具有统计学意义(P<0.05),表明MAC技术能够恢复假体旁骨组织的对比度,较清晰显示骨质变化、骨愈合等情况,有助于临床医生诊断术后并发症。图像主观评分结果:A组高于B组1.30分,A组明显优于B组,也表明MAC重建后SNR、CNR得到改善(P<0.05)。但是,本研究依然存在以下不足之处:未统一踝关节置换术后金属植入物的手术材料;纳入样本量较少;没有对术后随访时间进行统一;没有对年龄、性别差异进行统计学分析。

综上所述,在全踝关节置换术后CT随访复查后,MAC技术在无需增加辐射剂量的情况下,通过图像重建即可有效去除金属伪影,清楚显示假体旁关节间隙、肌肉及骨组织,提升图像质量,有助于患者术后相关并发症的评估,具有较好的临床应用价值。