能譜CT單能量聯(lián)合MAR去除髖關(guān)節(jié)置換物偽影的臨床研究

蘇 偉，馮 如

(1.無錫市第九人民醫(yī)院放射科，江蘇 無錫 214062；2.無錫市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 無錫 214023)

由于老年化的加劇，髖關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死等關(guān)節(jié)疾病的發(fā)病率持續(xù)上升，髖關(guān)節(jié)置換術(shù)為上述疾病常見治療手段，盡管目前髖關(guān)節(jié)置換術(shù)已較為成熟，但仍會有術(shù)后關(guān)節(jié)感染、周圍骨折及假體松動等并發(fā)癥發(fā)生，CT檢查對髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后并發(fā)癥的檢出具有重要作用，但金屬植入物在常規(guī)CT檢查中通常會形成放射狀或星芒狀偽影，影響周圍組織及結(jié)構(gòu)的觀察和診斷，從而降低診斷準(zhǔn)確性[1]。因此，消減CT圖像中的金屬偽影具有重要的臨床意義。CT能譜成像技術(shù)(gemstone spectral imaging，GSI)聯(lián)合多偽影去除(multi-artifact reduction，MAR)對于去除金屬偽影有顯著作用，但面對不同部位、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、材質(zhì)的金屬植入物，其去除金屬偽影的效果存在差異，目前在頭顱、肩關(guān)節(jié)、脊柱等部位其去金屬偽影的有效性被廣泛研究，但對于兩者在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后去除偽影的作用尚缺乏深入的研究。因此，本研究擬探討能譜CT單能量聯(lián)合MAR技術(shù)去除髖關(guān)節(jié)置換物偽影的效果，旨在尋求新方法以提高髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后CT圖像清晰度，進(jìn)而幫助醫(yī)師提高診斷準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

回顧性收集2020年4月至2021年4月于我院行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)并且術(shù)后行髖關(guān)節(jié)能譜CT檢查的31例患者的臨床資料。其中男18例，女13例；年齡47～73歲，平均(64.2±5.2)歲；手術(shù)原因：股骨頭壞死10例、股骨頸骨折15例、骨性關(guān)節(jié)炎5例、強(qiáng)直性脊柱炎1例；所有患者均行半髖關(guān)節(jié)置換。納入標(biāo)準(zhǔn)：因髖關(guān)節(jié)疾病行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)；髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后行能譜CT掃描。排除標(biāo)準(zhǔn)：CT圖像存在運(yùn)動偽影；因患者自身原因或操作不當(dāng)引起圖像質(zhì)量不佳。本研究獲得醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)同意。

1.2 儀器與方法

采用德國西門子二代雙源雙能量CT(Somatom Defination FLASH)行CT掃描，囑患者仰臥、頭先進(jìn)。掃描范圍：髖關(guān)節(jié)置換物上下緣各5 cm以上，管電壓分別為80 kV、140 kV，管電流分別為80 mAs、210 mAs，旋轉(zhuǎn)時間設(shè)為0.28 s，準(zhǔn)直器寬度為0.6 mm，層厚0.6 mm，掃描螺距為0.8，重建間隔為5 mm，矩陣512×512。掃描后獲得80 kV、120 kV、140 kV融合圖像，將圖像數(shù)據(jù)傳至西門子syngo.via工作站實(shí)施處理，將80 kV、140 kV的數(shù)據(jù)傳入后處理軟件dual-energy內(nèi)，運(yùn)用單能譜成像程序去除偽影。將原始掃描數(shù)據(jù)重建70～140 keV以10個KeV能級為間隔的8組(70 KeV、80 KeV、90 KeV、100 KeV、110 KeV、120 KeV、130 KeV、140 KeV)單能量圖像(非MAR組)和8組單能量MAR圖像(MAR組)。

1.3 圖像分析

1.3.1 主觀分析 由2名分別具有10年及13年工作經(jīng)驗的影像醫(yī)師根據(jù)金屬偽影去除情況及周圍組織顯示情況，包括假體周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官(膀胱、子宮或前列腺)結(jié)構(gòu)，依據(jù)李克特量表評分法[2]規(guī)定，以盲法方式對每組圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，2名醫(yī)師意見出現(xiàn)分歧時通過協(xié)商達(dá)成一致，觀察部位按5分制進(jìn)行評分：1分，圖像出現(xiàn)嚴(yán)重偽影，上述組織結(jié)構(gòu)受干擾嚴(yán)重、顯示差，不能診斷；2分，圖像出現(xiàn)嚴(yán)重偽影，上述組織結(jié)構(gòu)受干擾較嚴(yán)重，診斷難度較大；3分，圖像出現(xiàn)中度偽影，上述組織受中度干擾，尚能做出診斷；4分，圖像金屬偽影小，上述組織結(jié)構(gòu)受輕度影響，能做出診斷；5分，圖像無或幾乎無金屬偽影，上述組織結(jié)構(gòu)清晰顯示，能做出明確診斷。主觀分析結(jié)果顯示100～130 KeV單能量及單能量MAR圖像質(zhì)量較好，因此將其納入客觀分析。

紅色ROI：髖關(guān)節(jié)假體周圍金屬高低密度偽影區(qū)；藍(lán)色ROI：膀胱、周圍骨組織及周圍肌肉區(qū)；綠色ROI：皮下脂肪區(qū)

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 主觀評價結(jié)果

同一能級條件下，MAR組主觀評分均高于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；隨著能級的增大，非MAR組假體周圍肌肉及盆腔器官主觀評分先增大后減小，且在110 KeV時主觀評分最高，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)主觀評分逐漸增大；隨著能級的增大，MAR組假體周圍肌肉、骨質(zhì)結(jié)構(gòu)及盆腔器官主觀評分均逐漸增高，見圖2、表1。

表1 不同能級下2組圖像主觀評價結(jié)果分)

a、b：120 KeV非MAR單能量橫斷面及冠狀面圖像，黑色箭頭所指處可見金屬偽影遮擋股骨骨折；c、d：120 KeV MAR單能量橫斷面及冠狀面圖像，金屬偽影被有效去除，白色箭頭所指處可見股骨骨折較好呈現(xiàn)

2.2 假體周圍金屬高低密度偽影區(qū)CT值、SD值

在110～130 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬低密度區(qū)CT值均高于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；在100 KeV、110 KeV、130 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬低密度區(qū)SD值均低于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表2。在110 KeV、120 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬高密度區(qū)CT值均低于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；在110～130 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬高密度區(qū)SD值均低于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表3。

表2 2組圖像假體周圍金屬低密度區(qū)CT值、SD值測量結(jié)果

表3 2組圖像假體周圍金屬高密度區(qū)CT值、SD值測量結(jié)果

2.3 假體周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱SNR值、AI值

在110 KeV、120 KeV條件下，MAR組假體周圍肌肉SNR值均高于非MAR組，AI值均低于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表4。在100～120 KeV條件下，MAR組假體周圍骨組織SNR值均高于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；在100 KeV、110 KeV條件下，MAR組假體周圍骨組織AI值均低于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表5；各能級條件下，MAR組膀胱SNR值均高于非MAR組，AI值均低于非MAR組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表6。

表4 2組圖像假體周圍肌肉SNR值、AI值比較

表5 2組圖像假體周圍骨組織SNR值、AI值比較

表6 2組圖像膀胱SNR值、AI值比較

3 討論

隨著社會老齡化的加劇，人群中髖關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死等關(guān)節(jié)疾病發(fā)病率持續(xù)上升。目前人工關(guān)節(jié)置換術(shù)在治療股骨頭壞死、髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良、髖關(guān)節(jié)炎等疾病中發(fā)揮了重要作用，其被證實(shí)可有效緩解關(guān)節(jié)疼痛及重建關(guān)節(jié)功能[4]。但臨床工作中發(fā)現(xiàn)，部分患者術(shù)后可出現(xiàn)感染、植入關(guān)節(jié)松動及骨折等并發(fā)癥[5]，及時發(fā)現(xiàn)并對此進(jìn)行積極干預(yù)對提高治療效果至關(guān)重要。目前CT影像檢查是術(shù)后復(fù)查的主要手段之一，但在傳統(tǒng)CT檢查中金屬植入物會形成嚴(yán)重的金屬偽影，干擾影像診斷。CT圖像偽影指CT圖像中重建數(shù)據(jù)與物體實(shí)際衰減系數(shù)之間的差距。金屬植入物通常會引起射線束硬化偽影及金屬偽影。射線束硬化偽影指當(dāng)混合能量X射線束穿過人體時，人體組織優(yōu)先吸收能量較低的X射線，高能量X射線穿透人體組織，X射線束平均能量提高，X射線束硬化，產(chǎn)生暗帶及條狀和杯狀偽影。金屬偽影的產(chǎn)生原因在于當(dāng)X射線束穿透金屬時，其強(qiáng)度急劇衰減，引起相應(yīng)的CT投影數(shù)據(jù)失真，產(chǎn)生高密度條狀偽影[6-7]。隨著能譜CT技術(shù)的發(fā)展，單能量成像技術(shù)聯(lián)合MAR技術(shù)在去除金屬偽影中的作用受到了廣泛研究[8]，兩種技術(shù)在去除顱內(nèi)動脈瘤彈簧圈栓塞術(shù)后金屬偽影[9-10]、減少脊柱金屬植入物偽影中的作用被證實(shí)[2，11]。但其在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后去除金屬偽影的價值尚缺乏深入的研究，因此本研究探討能譜CT單能量聯(lián)合MAR技術(shù)去除髖關(guān)節(jié)置換物偽影的有效性。

MAR為一種基于迭代重建算法去除金屬偽影的技術(shù)[12-13]，本研究主觀評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一能級條件下，MAR組主觀評分均高于非MAR組，提示MAR技術(shù)對去除金屬偽影具有一定作用；非MAR組隨著能級增大，假體周圍肌肉及盆腔器官主觀評分先增大后減小，且在110 KeV時評價最好；MAR組隨著能級增大各主觀評分逐漸增高，可能原因在于偽影的產(chǎn)生與掃描條件即管電壓、管電流等參數(shù)設(shè)置密切相關(guān)，在低管電壓時X射線穿透能力較弱，增大了圖像偽影，而隨著管電壓升高，圖像偽影逐漸減少。本研究中，在100～130 KeV條件下2組圖像質(zhì)量均較好，所以客觀評價中僅納入100～130 KeV圖像。當(dāng)X射線攝入含有金屬植入物的人體組織時，由于射線硬化效應(yīng)和光子饑餓效應(yīng)的影響，CT圖像中會出現(xiàn)條狀或放射狀金屬高低密度偽影區(qū)，有研究指出單能量成像技術(shù)可有效減少金屬植入物造成的硬化偽影[14]，MAR技術(shù)在去除光子饑餓造成的低密度偽影中具有一定作用[15]。因此，本研究評估了不同KeV條件下，能譜CT單能量聯(lián)合MAR技術(shù)對于去除金屬高低密度偽影的作用，結(jié)果顯示在110～130 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬低密度區(qū)CT值均高于非MAR組；在100 KeV、110 KeV、130 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬低密度區(qū)SD值均低于非MAR組；在110 KeV、120 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬高密度區(qū)CT值均低于非MAR組；在110～130 KeV條件下，MAR組假體周圍金屬高密度區(qū)SD值均低于非MAR組，這表明2種技術(shù)聯(lián)合重建圖像可矯正金屬高低密度偽影區(qū)CT值和降低圖像噪聲。

術(shù)后對假體周圍組織器官進(jìn)行觀察，及時準(zhǔn)確地檢出或排除各種并發(fā)癥的發(fā)生，對于改善患者預(yù)后具有重要臨床意義。因此，本研究通過計算假體周圍肌肉、周圍骨組織、膀胱中SNR、AI值以評價能譜CT單能量聯(lián)合MAR技術(shù)改善假體周圍圖像質(zhì)量的效果。結(jié)果顯示：在110 KeV、120 KeV條件下，MAR組假體周圍肌肉SNR值均高于非MAR組，AI值均低于非MAR組；在100～120 KeV條件下，MAR組假體周圍骨組織SNR值均高于非MAR組；在100 KeV、110 KeV條件下，MAR組假體周圍骨組織AI值均低于非MAR組；各能級條件下，MAR組膀胱SNR值均高于非MAR組，AI值均低于非MAR組，表明能譜CT單能量聯(lián)合MAR技術(shù)能夠有效改善假體周圍組織圖像質(zhì)量，對于觀察周圍骨質(zhì)是否發(fā)生骨折、是否伴發(fā)盆腔疾病[16]具有重要意義。Bongers等[17]的研究指出，單能量圖像(130 KeV)聯(lián)合迭代法等去金屬偽影技術(shù)去除金屬偽影的效果較僅單能量成像技術(shù)更好，本研究結(jié)果與之一致。有研究顯示，高KeV條件可降低金屬硬化偽影，但同時也會降低軟組織對比度，可能原因是MAR技術(shù)在金屬偽影矯正過程中，將密度差別較大的結(jié)構(gòu)當(dāng)作了金屬偽影，使得矯正幅度過大，過度矯正產(chǎn)生了新的偽影，降低了圖像質(zhì)量[18-19]。而本研究結(jié)果顯示，隨著KeV增大，MAR組各組織結(jié)構(gòu)SNR值均增高、AI值均降低，表明使用高KeV在有效去除金屬偽影的情況下，未明顯降低軟組織對比度、引入新的偽影，可能原因在于不同研究之間金屬植入物材質(zhì)、形態(tài)、大小及使用的能譜CT掃描儀器、去除金屬偽影算法等存在一定差異，使得研究結(jié)果不一致。但本研究結(jié)果與李杰等[20]的研究相似。

綜上所述，與傳統(tǒng)CT掃描相比，能譜CT不僅不會增加掃描輻射劑量，而且單能量圖像具有更好的圖像質(zhì)量、SNR和對比SNR[21];MRA技術(shù)能進(jìn)一步降低圖像偽影的影響。本研究認(rèn)為，能譜CT單能量聯(lián)合MAR技術(shù)可有效去除髖關(guān)節(jié)置換物偽影、糾正假體周圍組織器官CT值、提高解剖結(jié)構(gòu)清晰度，有利于髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后對患者進(jìn)行評估，提高診斷準(zhǔn)確性，有望在臨床實(shí)踐中推廣使用。