MAC技術(shù)在降低頸椎金屬內(nèi)固定術(shù)后CT掃描金屬偽影的臨床價(jià)值

潘雪琳，洪靜，袁元，楊帆，邵強(qiáng)，李真林

1. 四川大學(xué)華西醫(yī)院 放射科，四川 成都 610041；2. 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院 放射科，重慶 402160；3. 上海聯(lián)影醫(yī)科科技股份有限公司，上海 201100

引言

頸椎金屬內(nèi)固定物置入手術(shù)廣泛應(yīng)用于椎間盤(pán)突出、膨出、頸椎結(jié)核、退行性改變、滑脫、占位性病變、椎體骨折等病變。其影像學(xué)檢查主要目的是為臨床醫(yī)生手術(shù)療效評(píng)估和術(shù)后復(fù)查提供依據(jù)，利用多層螺旋CT對(duì)置入的金屬材料具體位置、骨質(zhì)肌肉的解剖毗鄰關(guān)系進(jìn)行精確評(píng)估，但在進(jìn)行CT檢查時(shí)金屬植入物會(huì)產(chǎn)生放射狀的硬化束偽影，嚴(yán)重的偽影會(huì)對(duì)鄰近重要結(jié)構(gòu)或者病變產(chǎn)生影響，影響診斷準(zhǔn)確性及延誤治療[1-2]。雖然減少金屬偽影的方法較多，如采用能譜單能量成像方式提高局部空間分辨率[3]，高keV的單能量圖像有效改善硬化偽影[4]，利用雙能CT進(jìn)行虛擬單能譜圖像成像[5]，去金屬偽影技術(shù)[6]、雙源 CT 雙能量成像技術(shù)[7]、迭代去金屬偽影算法技術(shù)[8]等，但是，目前關(guān)于金屬偽影校正（Metal Artifact Correction，MAC）技術(shù)在頸椎金屬內(nèi)固定術(shù)后降低金屬偽影的報(bào)道較少。本研究通過(guò)對(duì)頸椎金屬內(nèi)固定術(shù)后患者行CT復(fù)查，對(duì)原始數(shù)據(jù)分別行KARL迭代重建和MAC技術(shù)重建，探討MAC技術(shù)在降低金屬偽影方面的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

隨機(jī)收集四川大學(xué)華西醫(yī)院2019年11月至2020年6月頸椎金屬內(nèi)固定植入術(shù)后行頸椎CT復(fù)查的患者106例，其中男66例、女40例，年齡32～73歲，平均年齡（55.6±15.3）歲。本研究均取得患者及其家屬同意并簽訂知情同意書(shū)。研究對(duì)象選擇標(biāo)準(zhǔn)：① 患者均行頸椎CT普通掃描，并且影像學(xué)資料完整；② 患者均為頸椎金屬內(nèi)固定植入術(shù)后；③ 頸椎圖像包括整個(gè)內(nèi)固定材料，并且至少超出內(nèi)固定材料上下緣一個(gè)椎體。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 妊娠期及哺乳期患者；② 患者合作欠佳、圖像質(zhì)量不清晰等。

1.2 檢查方法和后處理

采用聯(lián)影u780 80排CT設(shè)備對(duì)所有患者進(jìn)行頸椎檢查，具體掃描方法為患者取仰臥位，掃描范圍應(yīng)該包全所有頸椎（C1～C7椎體）。掃描參數(shù)：球管電壓為120 kV，管電流180 mAs，螺距0.9750 mm，準(zhǔn)直寬度20 mm，層厚1 mm，機(jī)架轉(zhuǎn)速0.8 s/r。

圖像后處理技術(shù):對(duì)所有原始數(shù)據(jù)均用兩種方式重建，A組為對(duì)照組，采用KARL迭代重建；B組為實(shí)驗(yàn)組，采用MAC技術(shù)重建（圖1）。

每組圖像均選取相同的5個(gè)點(diǎn)（圖1，a點(diǎn)：金屬偽影高密度區(qū)偽影最重點(diǎn)；b點(diǎn)：金屬偽影低密度區(qū)偽影最重點(diǎn)；c點(diǎn)：相同層面?zhèn)斡拜^重的脊髓；d點(diǎn)：相同層面?zhèn)斡坝绊戄^大的骨質(zhì)；e點(diǎn)：軟組織）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）面積均為0.11 cm2，對(duì)兩組圖像進(jìn)行觀察、測(cè)量和分析。

圖1 A、B兩組重建方式對(duì)金屬偽影的顯示

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1 客觀評(píng)價(jià)

分別對(duì)A、B兩組圖像a、b、c、d、e共5點(diǎn)的CT值、噪聲值標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）進(jìn)行測(cè)量，并以頸椎周?chē)浗M織e點(diǎn)為背景計(jì)算出a、b、c、d共4點(diǎn)相對(duì)于e點(diǎn)的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。根據(jù)公式計(jì)算SNR和CNR，SNR=CT/SD，CNR = (CT-CT軟組織)/SD軟組織[9]。其中，CT軟組織為觀測(cè)點(diǎn)a、b、c、d點(diǎn)各自的CT值，CT軟組織為軟組織e點(diǎn)的CT值，SD軟組織為軟組織e點(diǎn)的SD值。

1.3.2 主觀評(píng)價(jià)

由2名有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師采用雙盲法對(duì)A、B兩組圖像質(zhì)量分別進(jìn)行評(píng)判，按照5分Likert量表[10]對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)[11]：5分：圖像中沒(méi)有金屬偽影，診斷明確；4分：圖像較好，只在最大偽影層面有很少的偽影，診斷明確；3分：圖像中存在小面積偽影，周?chē)M織結(jié)構(gòu)受到影響，可以診斷；2分：圖像有明顯的金屬偽影，周?chē)M織模糊不清,診斷有困難；1分：圖像有嚴(yán)重的金屬偽影，無(wú)法診斷。放射科醫(yī)生進(jìn)行觀察記錄，結(jié)論不同時(shí)經(jīng)討論后達(dá)成一致。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)兩組計(jì)量資料進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)；對(duì)于不服從正態(tài)分布的計(jì)量資料，使用中位數(shù)（上四分位數(shù)，下四分位數(shù)）進(jìn)行描述，并使用非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行差異性分析；2名放射科醫(yī)師對(duì)A、B兩組圖像的主觀評(píng)分一致性采用Kappa分析進(jìn)行檢驗(yàn)，Kappa值≥0.75為一致性較好，0.40～0.74為一致性中等，＜0.40為一致性較差。此研究認(rèn)為P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，本次檢驗(yàn)均為雙側(cè)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

因本研究樣本量小于2000例，因此使用夏皮洛-威爾克檢驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)所有指標(biāo)，P值均＜0.05，說(shuō)明均不服從正態(tài)分布，后續(xù)檢驗(yàn)需做非參數(shù)檢驗(yàn)（符號(hào)秩和檢驗(yàn)）。

2.1 圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。其中，a點(diǎn)為金屬偽影高密度區(qū)偽影最重的點(diǎn)，根據(jù)表中CT值、SD值的中位數(shù)及其上下四分位數(shù)可以推斷A組高于B組；b點(diǎn)為金屬偽影低密度區(qū)偽影最重點(diǎn)，根據(jù)表中CT值中位數(shù)及其上下四分位數(shù)可以推斷A組低于B組，根據(jù)表中SD值中位數(shù)及其上下四分位數(shù)可以推斷A組高于B組；而c點(diǎn)、d點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，根據(jù)表中CT值、SD值的中位數(shù)及其上下四分位數(shù)可以推斷A組均高于B組，其差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；e點(diǎn)A組和B組CT值、及SD值P值大于0.05，說(shuō)明二者差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 A、B兩組圖像CT值、SD值比較

以軟組織e點(diǎn)為背景計(jì)算A、B兩組a、b、c、d共4點(diǎn)的SNR和CNR值，根據(jù)表中SNR和CNR值的中位數(shù)及其上下四分位數(shù)可以推斷A組低于B組，差異檢驗(yàn)P值小于0.05，說(shuō)明二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見(jiàn)表2。

表2 兩組圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)SNR、CNR比較

2.2 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)

對(duì)A組的兩位醫(yī)生評(píng)分一致性檢驗(yàn)中，Kappa值=0.936，對(duì)B組的兩位醫(yī)生評(píng)分一致性檢驗(yàn)中，Kappa值=0.930，檢驗(yàn)P值兩組均小于0.05，說(shuō)明二者一致性檢驗(yàn)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且一致性較好（表3），評(píng)分比較B組的主觀評(píng)分中位數(shù)為4分，高于A組中位數(shù)3.5分（P＜0.05），見(jiàn)表4。A組的CT圖像（圖2a～2b）和B組圖像（圖2c～2d）相比，B組的圖像金屬偽影面積減小，周?chē)切院蛙浗M織結(jié)構(gòu)更清晰，能夠較好地觀察金屬植入物周?chē)墓琴|(zhì)、脊髓、軟組織情況。

表3 A、B組兩醫(yī)生主觀評(píng)分一致性檢驗(yàn)

表4 兩組CT圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)評(píng)分情況

圖2 FBP和MAC重建圖像

3 討論

隨著脊柱外科金屬植入手術(shù)的增多，為了解術(shù)后金屬植入物是否在位、松動(dòng)或斷裂，金屬植入物對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)是否存在壓迫，金屬植入物有無(wú)繼發(fā)感染，術(shù)后疼痛是否和金屬植入物有關(guān)聯(lián)等，越來(lái)越多的金屬植入物患者會(huì)采用CT術(shù)后復(fù)查以達(dá)到療效監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)期隨訪的目的。但是CT檢查時(shí)金屬植入物會(huì)產(chǎn)生金屬偽影，對(duì)CT掃描結(jié)果產(chǎn)生影響、甚至?xí)绊懪R床判斷。金屬偽影的產(chǎn)生主要是由于金屬與人體組織的厚度、密度差異過(guò)大[12-13]，導(dǎo)致相應(yīng)投影數(shù)據(jù)缺失[14-15]。CT金屬偽影主要包括射束硬化偽影、光子饑餓偽影和散射偽影[16-18]。而這些金屬偽影會(huì)遮擋金屬周?chē)M織器官，對(duì)臨床診斷和治療帶來(lái)影響。

目前，聯(lián)影設(shè)備常采用KARL迭代重建技術(shù)，是在圖像原始數(shù)據(jù)的投影空間和圖像空間中運(yùn)算的模型。該技術(shù)根據(jù)噪聲模型對(duì)選定的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，可以對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代處理。其迭代過(guò)程快速收斂到目標(biāo)值，加快了重建速度，從而減少了圖像重建所需的迭代步驟。因此，KARL的重建速度與常規(guī)FBP相當(dāng)，可以達(dá)到30～40幅圖/s，但它在對(duì)金屬植入物掃描時(shí)，也忽略了X射線光子的統(tǒng)計(jì)學(xué)與系統(tǒng)光學(xué)波動(dòng)，沒(méi)有考慮投影數(shù)據(jù)被量子噪聲和電子噪聲的污染，導(dǎo)致圖像噪聲增大、偽影出現(xiàn)，分辨率降低，會(huì)覆蓋病變和有價(jià)值的診斷信息[19-21]。

CT去金屬偽影的方法較多，如何能最方便有效、最大限度地減少金屬偽影的影響、改善對(duì)金屬植入物及其周?chē)馄式Y(jié)構(gòu)的觀察效果，在臨床工作中顯得尤為重要[22-23]。總的來(lái)說(shuō)去金屬偽影的方法可以在掃描前階段、掃描階段及圖像后處理階段起到作用。在掃描前階段，手術(shù)時(shí)采用低衰減材料如鈦合金；在掃描階段，使用較高的管電壓、自適應(yīng)管電流、較窄的準(zhǔn)直，薄層掃描圖像，擴(kuò)大掃描范圍，并盡量將金屬植入物長(zhǎng)軸垂直于掃描平面，使之產(chǎn)生最小的橫斷面積，采用雙能量、能譜序列進(jìn)行掃描；在圖像后處理階段，使用較厚層厚、去偽影算法重組及拓展CT值范圍可以減少金屬偽影[24]。常用的去偽影算法包括投影插值算法、迭代重建算法及混合算法[25-28]。

本研究運(yùn)用的MAC重建算法，是聯(lián)影公司最新研發(fā)的金屬偽影校正技術(shù)，是在圖像后處理階段起作用。MAC技術(shù)基本原理是先通過(guò)圖像域分割從原始圖像中提取產(chǎn)生偽影的金屬物體，再對(duì)金屬圖像進(jìn)行正投影，找到被金屬干擾及破壞的投影數(shù)據(jù)，結(jié)合插值、迭代算法的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)插值和加權(quán)的方法盡可能地修復(fù)投影數(shù)據(jù)，最后通過(guò)矯正后對(duì)該投影數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影，得到校正圖像。MAC通過(guò)考慮金屬物體的密度和形狀設(shè)計(jì)算法，以充分保留金屬邊緣信息，同時(shí)抑制偽影和噪聲。

金屬植入術(shù)后CT復(fù)查時(shí)MAC技術(shù)的應(yīng)用使得金屬與骨質(zhì)的界面、金屬與軟組織的界面、頸椎間盤(pán)、椎弓根與椎體、脊髓等顯示有明顯的改善，尤其是金屬偽影影響較重的骨質(zhì)、脊髓等的顯示。金屬植入物在CT成像中的偽影常表現(xiàn)為放射狀的高密度影和條狀的低密度區(qū)，高密度偽影產(chǎn)生的主要原因是光子饑餓效應(yīng)和散射效應(yīng)，低密度偽影產(chǎn)生的主要原因是嚴(yán)重衰減的結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的光束硬化效應(yīng)[29]。然而在CT成像過(guò)程中形成的金屬偽影區(qū)域，金屬植入物相鄰的低對(duì)比度結(jié)構(gòu)很容易被偽影遮擋，MAC通過(guò)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、去噪，能減少光子饑餓引起的細(xì)小條紋偽影，使金屬高密度偽影區(qū)CT值降低，圖像噪聲降低。同時(shí)，利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值補(bǔ)償，消除了大部分陰影，提高金屬低密度偽影區(qū)的CT值。因此，本文通過(guò)對(duì)測(cè)量金屬偽影的高低密度區(qū)、脊髓、骨質(zhì)層面來(lái)量化評(píng)估MAC對(duì)金屬偽影的影響。

本研究通過(guò)將常規(guī)KARL迭代重建的圖像和MAC重建的圖像進(jìn)行對(duì)照比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬高密度偽影區(qū)MAC重建后CT值、噪聲均較KARL迭代重建降低；金屬低密度偽影區(qū)MAC重建后CT值較KARL迭代重建增加，噪聲卻降低；受金屬偽影干擾的骨質(zhì)和脊髓區(qū)域MAC重建后CT值、噪聲均較KARL迭代重建降低，而參照的肌肉組織MAC重建后CT值、噪聲和KARL迭代重建后差異不大。因此，MAC圖像中金屬高密度偽影區(qū)和金屬低密度偽影區(qū)的CT值均有改善，圖像中噪聲明顯降低，此結(jié)果與劉穎等[30]、Li等[31]的研究結(jié)果相似。通過(guò)對(duì)金屬偽影的去除，醫(yī)生結(jié)合原始圖像和去金屬偽影的圖像，能最大限度地減少誤診和誤治。

本研究通過(guò)對(duì)MAC組、KARL重建組所測(cè)量組織的CT值進(jìn)行比較，MAC組骨骼和軟組織的CT值（骨骼CT值在1000 HU，軟組織CT值范圍30～70 HU）更接近于實(shí)際的CT值，能夠更為真實(shí)地反映組織狀態(tài)，對(duì)于術(shù)后可能發(fā)生的植入物周?chē)M織的水腫、出血、炎癥及壞死等情況，能夠更早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為臨床提供具有更多診斷信息的圖像。并且MAC重建后頸椎金屬植入物鄰近的骨組織、脊髓以及軟組織的SNR和CNR均高于KARL重建組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明通過(guò)抑制偽影和噪聲，MAC能夠保護(hù)和恢復(fù)頸椎金屬植入物相鄰的骨組織、脊髓及軟組織的對(duì)比度，使得整體圖像質(zhì)量得到改善。MAC組的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分優(yōu)于KARL重建組，也進(jìn)一步印證了MAC重建后SNR、CNR得到改善（P＜0.05）。

本研究存在一些不足：① 頸椎金屬植入物的材料較多，該文章未考慮材料的因素、材料的分類等；② 頸椎金屬物植入方式和方向較多，未對(duì)金屬植入物的長(zhǎng)徑、斷面進(jìn)行單獨(dú)分析；③ 該研究納入的樣本量較少。

綜上所述，MAC技術(shù)是一種后處理算法，和其他去金屬偽影的方法不同的是數(shù)據(jù)采集的過(guò)程和常規(guī)掃描序列相同，但不需要使用特殊序列或者特殊硬件設(shè)備支持，也不會(huì)增加患者檢查的輻射劑量。即使在掃描前未能準(zhǔn)確了解患者有無(wú)金屬植入物，或者無(wú)法評(píng)估該金屬植入物對(duì)周?chē)M織結(jié)果的影響，也可以在后處理時(shí)對(duì)原始圖像采用MAC技術(shù)進(jìn)行回顧性地去金屬偽影重建，這個(gè)優(yōu)勢(shì)可以大大地提高CT影像檢查的流通量。在頸椎金屬植入術(shù)后的CT復(fù)查中可以有效去除金屬植入物的偽影，使金屬植入物周?chē)墓琴|(zhì)、脊髓、軟組織顯示清晰，改善整體圖像質(zhì)量，在評(píng)估術(shù)后并發(fā)癥方面具有重要的臨床價(jià)值，在臨床工作中值得進(jìn)一步推廣。