寶石能譜CT在減少金屬偽影方面的應用進展

李昊翔 朱 凱 孫重陽 肖喜剛

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一臨床醫(yī)院CT室，黑龍江哈爾濱150001

寶石能譜CT在減少金屬偽影方面的應用進展

李昊翔 朱 凱 孫重陽 肖喜剛▲

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一臨床醫(yī)院CT室，黑龍江哈爾濱150001

隨著金屬植入術在臨床的廣泛應用，金屬植入物所產(chǎn)生的偽影會嚴重降低CT圖像的質量。寶石能譜CT已被應用為減少金屬偽影的一種手段。對體內(nèi)含有金屬植入物的患者行寶石CT能譜掃描（GSI），使用能譜分析軟件（GSI Viewer）對掃描獲得的圖像進行分析，40～140 keV重建不同的單能量圖像，觀察并找出偽影最小、金屬物最清晰的圖像，利用金屬偽影消除技術（MARs）即可獲得質量較好的圖像，其金屬偽影明顯減少。寶石能譜CT將硬件與軟件充分的結合，能夠有效地減除金屬植入物偽影給圖像帶來的影響，對臨床診斷有所幫助。

寶石能譜CT曰金屬偽影曰去偽影技術

目前，金屬植入術已經(jīng)被廣泛地應用于臨床，如顱內(nèi)血管病變中動脈瘤介入治療的彈簧圈栓塞、金屬假牙或牙內(nèi)填充物、穿刺活檢的穿刺針、心臟起搏器和骨科置換的人工關節(jié)及金屬螺釘?shù)?，這些帶有金屬植入物的患者的CT圖像診斷已經(jīng)成為放射科醫(yī)生日常工作的一部分。臨床檢查患者體內(nèi)的金屬植入物時，通常使用CT掃描觀察圖像，并進行術后情況的評估，然而隨著金屬植入物而出現(xiàn)的偽影會導致圖像質量下降，醫(yī)生難以判斷其斷層的結構，術后的評估和治療均會受到嚴重影響[1-3]，因此臨床醫(yī)生需要質量較高的掃描圖像以減少金屬偽影帶來的困擾。寶石能譜CT的出現(xiàn)解決了這一問題，它采用全新的探測器及掃描、重建方法，通過選取和觀察質量最佳單能量圖像，并結合使用金屬偽影的消除技術（metal artifacts reduction system，MARs），能夠進一步降低金屬植入物帶來的偽影影響，本文將對已取得的研究進展進行總結。

1 CT偽影的概念及種類

CT偽影是指CT機在掃描或者重建圖像的過程當中，各種不同類型的干擾在圖像當中的體現(xiàn)，它在圖像中所對應的位置是實際患者體內(nèi)所不存在的影像。導致偽影的原因主要來源于兩大類，一是來自于CT機本身的成像原理和技術原因，如部分容積效應偽影、散射偽影、放射線束硬化偽影、光子不足偽影、不完全投影偽影、欠采樣偽影、換裝和帶狀偽影、錐形偽影等；二是來自于被掃描物體或人的屬性，如運動偽影（點頭運動、吞咽動作、呼吸運動、心跳及胃腸蠕動等）和金屬偽影（各種體內(nèi)或體外金屬物品）。

2 CT金屬偽影產(chǎn)生的原因及影響

在對體內(nèi)含有金屬植入物的患者進行CT掃描后，顯示出的圖像往往會有偽影，這在實際金屬所處位置中不存在，但是會在掃描圖像中顯示，與CT成像技術和患者機體等因素有關。圖像中的金屬偽影多呈條索狀或放射狀，傳統(tǒng)CT采用的混合能量射線所產(chǎn)生的X線是由不同能量級的光子組成，這種混合能量的X線穿過人體組織或金屬物體時后會產(chǎn)生衰減，能量較低的光子首先被吸收，能量較高的光子存留，因此X線的平均能量水平不斷增加，進而產(chǎn)生硬化偽影[4-6]，此外還會產(chǎn)生來自散射輻射及量子噪聲等因素的偽影[7]，而金屬植入物的厚度和形狀以及包括管電壓、管電流和準直器寬度等掃描參數(shù)都能影響偽影的干擾程度[8-9]。此外，金屬植入物的材料不同所產(chǎn)生的偽影也不盡相同，例如含有鈷鉻合金會的植入物會產(chǎn)生明顯的射線束衰減和偽影，而鈦金屬材料則在圖像中引起的偽影最少。植入物材料成像衰減越小，產(chǎn)生的錯誤投射數(shù)據(jù)就越小，因此偽影也相應減少。由于X線穿過高密度金屬植入物時會產(chǎn)生嚴重的能量衰減，進而降低圖像質量，失去了相應組織的準確數(shù)據(jù)，得出的圖像對比度低，組織結構細節(jié)顯示不清，對組織感興趣區(qū)域的真實情況呈現(xiàn)不佳，甚至會產(chǎn)生假象，很難滿足臨床對術后評估的需求[10-12]。

3 寶石能譜CT成像特點

寶石能譜CT可以解決偽影較重的問題，其單能量圖像和金屬偽影的消除技術能有效減少金屬植入物在CT圖像上的偽影。通過能量水平的調節(jié)，可以獲得不同的單能量圖像，選擇其中金屬植入物、周圍組織、骨骼結構最清晰的圖像進行觀察分析。以往CT掃描中由于金屬物的影響不能真實顯示的部分，都可以呈現(xiàn)出來，在偽影減少程度、金屬結構清晰度和噪信比這三方面，重建的單能量圖像質量顯著優(yōu)于原來的混合能量圖像。

寶石能譜CT具有較高的掃描速度、最新的物體探測器以及優(yōu)化度較高的掃描方式，實現(xiàn)了在常規(guī)混合能量X線圖像中獲得不同能量級的單能圖像，進而減少了在X射線在穿透人體組織時因能量不純而產(chǎn)生的散射、反射，使之減少金屬和硬化偽影。相比混合能量圖像，寶石CT單能技術是通過單球管實現(xiàn)的，使用瞬時切換電壓的高壓發(fā)生器，管電壓完成80 kVp和140 kVp的瞬時（0.5 ms）切換，達到“三同”（即同時、同源、同向），其獨有的能譜柵成像技術能夠真正做到40～140 keV獲得不同的單能量圖像[13-16]。相對于傳統(tǒng)CT的稀土陶瓷探測器，寶石CT的探測器所采用的材料使光電轉換速度加快，為寶石能譜CT單能成像提供了硬件基礎。然而寶石CT能譜掃描具有一定的局限性，由于CT使用寬帶能譜光，其所測量的物體的X線吸收系數(shù)具有不確定性，因為同一個物體在機體不同厚度的物質中，所表現(xiàn)出的吸收系數(shù)有差異，即“能譜硬化效應”，會在影像中表現(xiàn)出骨骼間帶狀偽影[17]。

4 掃描方法

采用能譜掃描（GSI）模式：管電壓在0.5 ms周期內(nèi)完成80 kVp和140 kVp的瞬時切換,管電流固定為600 mA，層厚為0.625 mm，準直寬度為40 mm，螺距為0.984∶1，X線管旋轉速度為0.8 r/s。

5 寶石能譜CT在減少金屬偽影中的應用

通過寶石CT的能譜掃描，獲得帶有金屬植入物患者的圖像后，使用能譜分析軟件對掃描圖像進行分析，40～140 keV獲得任意一單能量圖像。而單能量圖像不同能量水平的具有不同的特征，近期研究顯示[17-19]，由于低能量水平的X線（40～65 keV）穿透力低，易被吸收，導致圖像對比度增強，但噪聲也同時增高，圖像質量較差；稍高能級（70～100 keV）單能圖像有所改善，相對低能量X線偽影對圖像的影響減輕，但仍較混合能量嚴重；高能量水平的X線（110～140 keV）穿透力高，金屬植入物引起的偽影減除效果明顯,圖像的噪聲減低,但對比度減弱,軟組織的層次對比欠佳。最近一項研究顯示，顯示金屬植入物最清晰的單能量為105 keV[20]。因此，最佳單能量的選擇要考慮諸多因素，才能夠既最大程度消除金屬偽影帶來的影響，又兼顧臨近組織的顯示，從而滿足臨床診斷的需求。

金屬偽影消除技術（MARs）技術也可以較好地減輕金屬植入物所產(chǎn)生的偽影，提高圖像質量[22]。但是其去偽影的實際效果與金屬植入物的大小、形狀以及材質有關[22]，比如金屬假牙的偽影較重，在消除時需要結合單能量圖像重建和偽影消除重建技術，而部分金屬物的偽影消除只需要重建單能量圖像即可。此外，單個金屬物或是形狀規(guī)則的金屬物在單能量成像后或是結合MARs技術后，其偽影明顯減少，圖像質量顯著改善。而如果有多個或是形狀不規(guī)則的金屬物，使用以上技術后偽影的消除效果不是很明顯。在此種方法下，最佳單能量的選擇仍然是存在變化的。在選擇較高能量水平的X線時，圖像中金屬偽影的消除程度較高一些，結合使用MARs技術后，金屬偽影減少程度明顯提高，但是金屬植入物在圖像中會出現(xiàn)邊緣鋸齒化，與植入物本身的形狀存在誤差，MARs技術在糾正這方面的圖像失真上還需要繼續(xù)完善。有文獻報道MARs技術可以有效去除大關節(jié)（膝關節(jié)、髖關節(jié)）置換術后金屬假關節(jié)的偽影，這有待進一步研究。

由此可見在臨床工作中，寶石CT利用能譜成像技術雖然可以有效減除各種金屬植入物的偽影，其最佳單能量圖像的選擇并無絕對明確數(shù)值，在實際應用中應充分考慮個體化因素，靈活掌握。而利用單能量加MARs重組方式可以消除較大面積的高密度偽影，但同時也會使金屬植入物形狀失真，并產(chǎn)生較多低密度線束狀偽影，不利于觀察周圍軟組織情況，影響臨床診斷。總之，能譜成像技術所提供的是一系列單能量圖像，最佳單能量水平的選擇有所差異，并適時地結合MARs技術才能更加有效去除不同金屬植入物所產(chǎn)生的金屬偽影，提高圖像質量，為臨床提供更多的診斷信息。

6 掃描劑量

在進行CT檢查過程中，圖像質量固然重要，患者所接受的輻射劑量也是不可忽視的考慮因素，很多近期文獻已闡述寶石能譜CT所采用的瞬時電壓切換的掃描方法與常規(guī)CT的掃描方法的輻射劑量并無明顯差別[23]，在部分身體部位的掃描中，寶石能譜CT掃描比傳統(tǒng)CT輻射劑量甚至更高，但是目前沒有研究在去除偽影的掃描中寶石能譜CT和傳統(tǒng)CT輻射劑量的比較。

7 其他去除偽影的方法

為了克服偽影給圖像質量帶來的困擾，提出了很多種方法來糾正這一現(xiàn)象，近年來隨著CT探測器技術及數(shù)據(jù)重建的軟件的不斷提高，CT擁有了更薄的掃描層厚、更高的管電壓及更大的管電流[24]，有一些方法可以達到減少部分金屬偽影的目的，如采用物理預濾器、優(yōu)化掃描參數(shù)以及后處理算法進而減少偽影的方法也層出不窮。其中具有代表性的有如下幾種：①雙能矯正法，即掃描時利用兩種不同能量的X射線分別照射待檢查物體，目的是為了選定能量水平，并確定被照射物在此能量下的X線衰減系數(shù)分布，從而減少CT圖像中的偽影影響,這種方法雖然能取得提高圖像質量的效果，但其缺點不可忽視：因復雜的掃描方法而造成成像效率降低，無法適應繁多的臨床工作量。②濾波片校正方法，其減輕偽影的原理是把金屬濾波片加設在探測器的前方和射線源的出口處，金屬濾波片所起到的作用是吸收存在于放射線中的低能光子和散射光子，進而減小了X射線的能譜寬度。③迭代校正法，是通過反復的迭代計算來校正偽影的存在，多次的計算導致數(shù)據(jù)量巨大，且過程繁復不易操作，并不能在實際工作中實現(xiàn)。④作插值算法，其下的方法也是多種多樣，包括線性插值法、多項差值法等，但這些差值算法都必須經(jīng)過再投影根據(jù)閾值分離出的金屬存在區(qū)域的方式來確定金屬偽影投射在投影數(shù)據(jù)空間中的范圍，然后還需要借助后處理功能來獲取校正后的數(shù)據(jù)，在整個獲取數(shù)據(jù)的步驟中,所有得到的信息僅僅是用來確定金屬偽影投射在CT圖像中所呈現(xiàn)的范圍，而被金屬植入物偽影所遮蓋的有用信息則需要通過更多復雜的方法來恢復，增大并增加了這些數(shù)據(jù)的計算量以及計算難度。由此可見，盡管這些方法可以取得一定消除或減輕金屬偽影的效果，但是由于操作方法不簡易、耗時過長并增加了患者所接受的輻射劑量等原因，因此在實際臨床診斷工作中很難得到廣泛應用[25-26]。

8 小結

為更大程度地減少CT掃描圖像中的金屬偽影，使用寶石能譜CT可以獲得較好的效果，減少了醫(yī)生觀察和診斷的困擾，也有著良好的術后評估價值。相對于其他去偽影的方法，寶石能譜CT較方便，用時少，并在消減偽影的同時也能保證圖像分辨力。在未來，寶石能譜CT很可能成為帶有金屬植入物患者術后復查的主要手段，但最佳的單能量能級的選擇仍然受植入物材質、人體條件的差異制約，很難得出統(tǒng)一標準。此外，寶石能譜CT具有極高的組織成分區(qū)分能力，在提供水、碘、鈣基不同成像條件下，實現(xiàn)初步的物質來源分析，并在早期肺栓塞、心血管斑塊性質的判定及腫瘤組織的定性分析等方面取得進展[27-28]。相信寶石CT憑借其能譜技術的多方面優(yōu)勢會在臨床工作中得到廣泛使用，能夠豐富輔助檢查的手段，為臨床診斷工作提供更有力的幫助。

[1]Pessis E，Campagna R，Sverzut JM，et al.Virtual monochromatic spectral imaging with fast kilovoltage switching:reduction of metal artifacts at CT[J].Radiographics，2013，33（2）：573-583

[2]Lee YH，Park KK，Song HT，et al.Metal artefact reduction in gemstone spectral imaging dual-energy CT with and without metal artefact reduction software[J].Eur Radiol，2012，22（6）：1331-1340.

[3]林東升，馬振申，王巍，等.寶石CT能譜技術在去金屬偽影方面的應用[J].中國中西醫(yī)結合影像學雜志，2011，9（6）：569-570.

[4]Lee MJ，Kim S，Lee SA，et al.Overcoming artifacts from metallic orthopedic implants at high-field-strength MR imaging and multi-detector CT[J].Radiographics，2007，27（2）：791-803.

[5]Krestan CR，Noske H，Vasilevska V，et al.MDCT versus digital radiography in the evaluation of bone healing in orthopedic patients[J].American Journal of Roentgenology，2006，186：1754-1760.

[6]Watzke O，Kalender WA.A pragmatic approach to metal artifact reduction in CT：merging of metal artifact reduced images[J].Eur Radiol，2004，14（5）：849-856.

[7]Li H，Yu L，Liu X，et al.Metal artifact suppression from reformatted projections in multislice helical CT using dual-front active contours[J].Med Phys 2010，37：5155-5164.

[8]Link TM，Berning W，Scherf S，et al.CT of metal implants：reduction of artifacts using an extended CT scale technique[J].J Comput Assist Tomogr，2000，24：165-172.

[9]Barrett JF，Keat N.Artifacts in CT：recognition and avoidance[J].Radiographics，2004，24（6）：1679-1691.

[10]Zhang Y，Zhang L，Zhu XR，et al.Reducing metal artifacts in con-beam CT images by preprocessing projection data[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2007，67：924-932.

[11]Yu L，Li H，Mueller J，et al.Metal artifact reduction from reformatted projections for hip prostheses in multislice helical computed tomography：techniques and initial clinical results[J].Invest Radiol，2009，44：691-696.

[12]Wang Y，Qian B，Li B，et al.Metal artifacts reduction using monochromatic images from spectral CT：evaluation of pedicle screws in patients with scoliosis[J].Eur J Radiol，2013，82（8）：e360-e366.

[13]林東升,馬振申,王巍，等.寶石CT能譜技術在去金屬偽影方面的應用[J].中國中西醫(yī)結合影像學雜志，2011，9（6）：569-570.

[14]Tekin NS，Ozdolap S，Sarikaya S，et al.Bone mineral density and bone turnover markers of patients with Behcet's disease[J].J Eur Acad Dermatol Venereol，2007，21（1）：25-29.

[15]Matsumoto K，Jinzaki M，Tanami Y，et al.Virtual monochromatic spectral imaging with fast kilovoltage switching：improved image quality as compared with that obtained with conventional 120-kVp CT[J].Radiology，2011，259（2）：257-262.

[16]Johnson TR，Krauss B，Sedlmair M，et al.Material differentiation by dual energy CT：initial experience[J].Eur Radiol，2007，17（6）：1510-1517.

[17]王健.寶石CT的技術突破和臨床應用[J].國際放射醫(yī)學核醫(yī)學,2009，33：126-128.

[18]寧國慶，黃召勤，袁先順，等.能譜成像技術去除金屬偽影的臨床價值[J].醫(yī)學影像學雜志,2011，21（9）：1425-1427.

[19]惠萍，王新江，崔志鵬,等.CT能譜成像在消除金屬移植物偽影中的應用價值[J].中華放射學雜志，2011，45（8）:740-742.

[20]Boas FE，F(xiàn)leischmann D.Evaluation of two iterative techniques for reducing metal artifacts in computed tomography[J].Radiology，2011，259（3）：894-902.

[21]Brook OR，Gourtsoyianni S，Brook A，et al.Spectral CT with metal artifacts reduction software for improvement of tumor visibility in the vicinity of gold fiducial markers[J]. Radiology，2012，263（3）：696-705.

[22]劉思偉，董碩，白玫，等.CT圖像金屬偽影的處理方法[J].中國醫(yī)學裝備，2014，（11）：77-82.

[23]Li B，Yadava G，Hsieh J.Quantification of head and body CTDI（VOL）of dual-energy x-ray CT with fast-kVp switching[J].Med Phys，2011，38（5）：2595-2601.

[24]Prell D，Kyriakou Y，Kachelrie M，et al.Reducing metal artifacts in computed tomography caused by hip endoprostheses using a physicsbased approach[J].Invest Radiol，2010，45（11）：747-754.

[25]Rinkel J，Dillon WP，F(xiàn)unk T，et al.Computed tomographic metal artifact reduction for the detection and quantitation of small features near large metallic implants：a comparison of published methods[J].J Comput Assist Tomogr，2008，32（4）：621-629.

[26]Zhang X，Wang J，Xing LM，et al artifact reduction in xray computed tomography（CT）by constrained optimization[J].Med Phys，2011，38（2）：701-711.

[27]Thomas C，Heuschmid M，Schilling D，et al.Urinary calculi composed of uric acid，cystine，and mineral salts：differentiation with dual-energy CT at a radiation dose comparable to that of intravenous pyelography[J].Radiology，2010，257（3）：402-409.

[28]Zhang LJ，Wu SY，Niu JB，et al.Dual energy CT angiography for the evaluation of intracranial aneurysms：image quality，radiation dose，and comparison with 3D rotational digital subtraction angiography[J].AJR Am J Roentgenol，2010，194（1）：23-30.

Application of gemstones spectral CT in reducing metal artifacts

LI HaoxingZHU KaiSUN ChongyangXIAO Xigang▲
CT Room,the First Clinical Hospital Affiliated to Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin150001, China

With metal implants being widly used clinically,the artifacts from metal implants can seriously degrade the quality of CT images.Gemstones Spectral CT has been proposed as a way of reducing metal artifacts.Patients with metal implants are scaned with GSI(Gemstone spectral imaging)examination,required images being analysed with GSI viewer,different monochromatic images are reconstructed between 40-140 keV to obtain the best image.The reduction of metal artifacts is evidently while using metal artifacts reduction system(MARs).Gemstones Spectra CT combined with hardware and software,can eliminate the influence of metal artifacts for images to help clinical diagnosis.

Gemstone spectral CT;Metal artifacts;MARs

R814

A

1673-7210（2015）04（b）-0042-04

2015-01-09本文編輯：蘇暢）

▲通訊作者