双源CT单能谱成像减少脊柱金属固定器伪影的研究

钱玲玲，李真林，袁元，王紫薇

脊柱金属内固定术后，影像学检查的目的在于确定植入物的位置是否恰当，有无影响到椎管和椎间孔而造成压迫。术后随访影像学检查种类较多，以X线平片最为常用，但X线平片为重叠成像，影响细节的显示。MRI检查时由于内固定金属影响局部磁场均匀性，产生的伪影会严重降低脊柱及其周围结构的图像质量。多层螺旋CT可对植入金属的位置、骨质情况及解剖关系进行评估，但常规螺旋CT检查会在金属植入物周围形成线束硬化伪影，严重影响对邻近重要结构的观察[1]。因此，金属内固定术后的影像学评估问题一直没有得到很好地解决。能量成像技术的问世为解决此问题提供了可能。双源CT（dual－source CT，DSCT）有2套X线管－探测器系统，当X线管能级不同时，可同时得到2套不同的采集数据，称双能量（dual energy scan，DE）扫描。具有不同信息的2套数据能够对成像组织进行区分并计算出该组织的能谱曲线，从而获得不同于形态学信息的特殊细节信息，开辟了潜在的临床应用领域。本研究拟对后路脊柱金属内固定植入术的双能量CT扫描的临床应用进行探讨，旨在为临床术后评估及预后评价提供新的影像选择，并寻求脊柱内固定器去金属伪影的最佳能量范围。

材料与方法

1.一般资料

本院2013年7－8月门诊或住院行经后路脊柱金属内固定植入术后复查患者31例，其中男19例，女12例，年龄20～69岁，平均（44±15）岁。其中行颈椎内固定术后9例、胸椎内固定术后7例、腰椎内固定术后15例。

2.双能量CT扫描方法

所有患者均采用Siemens Somatom Definition Flash炫速双源CT机对内固定区域进行双能量扫描。扫描范围包括整个金属内固定材料，上下超出固定材料3cm或1个椎体层面，扫描方向为自头侧向足侧。采用能谱纯化（selected photon shield，SPS）技术，A球管的管电压100kV，参考管电流量129mAs；B球管的管电压140kV，参考管电流量124mAs。其它扫描参数：准直器宽度128i×0.6mm，矩阵512×512，螺距0.9，0.5s／r，重组层厚0.75mm，层间距0.50mm。扫描完成后获得3组自动重建数据，即100和140kV及平均加权120kV图像（融合系数为0.6）。

3.图像重建及分析

把获得的100和140kV及平均加权120kV图像传输至工作站（Syngo MMWP VE36A），其中平均加权120kV图像用于诊断和摄片。将100和140kV数据载入双能量软件内，选择单能谱（Monoenergetie）软件进行处理。通过调整单能量值滑动条调节光子能量，软件所提供的光子能量范围为40～190keV，分别以64、69、88和105keV的光子能量重建4组图像。所选keV值分别匹配平均能量为120kV峰值（64keV）、140kV 峰值（69keV）和锡过滤140kV 峰值（88keV）光谱。另外，有学者认为105keV为所有金属内固定器最佳显示光谱能量值[2-4]。由1位从事影像后处理5年以上的技师，对载入原始数据进行单能谱处理，得到主观目测图像质量最好、金属伪影最少时的keV 图像（optimised image quality keV，OPT－keV）。将上述4组重组数据、平均加权120kV数据及OPT－keV数据分别调入3D软件进行 MPR重组（图1）。

图1 同一层面不同能级图像，可见图120kV及64和88keV图像上内固定器边缘模糊，椎体棘突及脊髓显示不清，硬化伪影严重；88和105keV图像上内固定器边缘，椎体棘突及脊髓显示较清晰，硬化伪影减轻；最佳keV图像上内固定器边缘（黑箭），椎体棘突及脊髓显示清楚，硬化伪影减轻。a）平均加权120kV图像；b）单能量值64keV图像；c）69keV图像；d）88keV图像；e）105keV后处理图像；f）OPT－keV图像。

由2位从事骨关节影像诊断10年以上的医师分别对上述6组图像进行图像质量4分制评分，评价标准[5]：1分，金属伪影严重，周围骨质不能评价；2分，金属伪影存在，周围骨质尚可评价；3分，明显金属伪影不明显，骨质结构显示良好；4分，无金属伪影，周围骨小梁显示清晰，图像优秀。意见不一致时协商决定。

4.统计学分析

结 果

31例脊柱骨折金属内固定术后6组图像评分见表1。单能谱最佳图像评分在3分及以上者27例，平均加权120kV图像3分及以上者仅3例，单能谱成像处理所获得的OPT－keV组图像质量明显优于非处理图像，检验结果显示两者间差异有高度统计学意义（F＝118.139，P＜0.01）。与平均加权120kV图像相比，105keV（V＝0.62，P＜0.001）及 OPT－keV（V＝0.54，P＜0.001）组图像质量有显著提高；与105keV图像相比，OPT－keV 图像质量更好（V＝0.58，P＜0.001）。Kruskal－Wallis检验结果显示，金属固定器CT值在不同脊柱节段间差异有统计学意义（P＜0.01）。图像质量一致性检验显示，两位医师之间的一致性较强（Kappa值＝0.871，P＜0.01）。

表1 不同能量条件对脊柱骨折金属固定术后图像质量的比较

对脊柱不同节段金属固定术后单能谱成像的最佳能量值进行了优化（表2），结果显示（135±6）keV可为颈椎金属内固定提供最佳的图像质量，（127±8）keV可提供胸椎金属内固定最佳的图像质量，而（129±5）keV可提供腰椎金属内固定最佳的图像质量。

表2 不同脊柱水平金属内固定器OPT－keV值

讨 论

X线穿过高密度的金属物质后发生衰减，导致对应的投影数据缺如，周围组织信息丧失而产生金属伪影。传统混合能量CT图像因射线硬化、部分容积、光子量不足等效应产生的黑白条状或星状伪影可降低金属周围结构显示的清晰度。脊柱金属内固定术后，手术医师最关心的术后情况是内固定器状态、骨折愈合情况及并发症等，常常需要通过CT检查来明确断。传统横轴面CT无法全面反映骨折处的空间解剖关系，目前广泛使用的CT三维重组技术由于线束硬化伪影的存在，对于骨折处细微结构的显示也不尽人意，因此更为直观、立体、全面地影像技术就显得尤为重要。

近年来，CT双能量技术成为CT研究的热点，在肺栓塞、颅内动脉瘤检测方面已体现出其优势[5-10]。与常规CT相比，Somatom Definition Flash双源CT机拥有2套X线管－探测器系统，每次扫描可以获取层厚为0.6mm的重叠图像，机架旋转一周最短时间仅0.28s。本研究采用100和140kV两种不同能量的X线进行数据采集，由于X线的衰减决定于X线的能量，用100和140kV的X线对同一组织进行扫描时，其X线衰减会有差异。金属固定物对低能量X线的衰减系数最大，在高能量X线条件下，其衰减系数则相应减小[5，6，8-13]。双源 CT 单能谱技 术 正 是利用了 X线的此种特性，通过特殊计算后，双能量数据可得到不同keV下的图像。

X线通过高密度的金属时会被大量吸收，发生严重的衰减现象，金属固定术后CT扫描成像会产生金属放射状伪影。尽管低窗位、高窗宽有助于降低金属伪影，但还远不足以去除线束硬化伪影，常常需要借助特殊的三维重组技术加以补充，但这些技术对骨折部位的解剖细节显示不够清晰。本研究中CT扫描采用了能谱纯化技术，可以有效减少高能射线中无效的低能成分，同时，运用Monoenergetic软件的单能谱重组成像技术，能最大限度的减少金属伪影。在此基础上经过计算机软件重组产生的三维影像，弥补了X线和常规螺旋CT存在线束硬化伪影的不足，能更清晰地显示病变及其与周围结构的关系，有助于脊柱金属内固定术后的疗效评价。本研究中，评价了双能量CT单能谱技术在31例金属内固定术后的应用价值，结果显示平均加权120kV图像质量优良者仅3例，远低于单能谱重建后图像质量优良者的27例，由此可见双能量CT的单能谱技术能够改善脊柱金属内固定术后CT的图像质量，其提供的解剖细节足以满足骨科医师对患者疗效、并发症及预后的评价。

本研究还优化了不同脊柱节段金属固定器单能谱成像的最佳能量值（OPT－keV）。Bamberg等[3]认为105keV为金属固定器最佳单能量成像值，而周长圣等[14]则认为130keV为最佳值。上述研究所得最佳单能谱值都是针对所有金属内固定器而言，并未对固定器的安装部位、材料构成和几何尺寸等进行进一步的论证，而本研究主要针对脊柱内固定器，同时还将脊柱不同节段纳入了研究范围，结果显示对于脊柱金属内固定器，其OPT－keV值为123～144keV平均（136±8）keV，具体数值随脊柱节段不同而存在差异。由此可见，OPT－keV值具有个性化特征。由于本研究样本分层后，每组样本含量更小，将来的研究中可以纳入更多的患者样本，使研究结果更加准确和具有说服力；同时，由于本研究所收集病例均为术后随访病人，尽管能确定所有内固定器才均为钛合金，但大部分内固定生产厂家和型号已难以确认，可能导致所得的最佳keV值不够准确，还须进一步研究论证。此外，本例研究所纳入的研究对象均采用脊柱后路术式，所得OPTkeV值对于前路术式者是否适用，仍有待考证。

由于本研究样本分层后，每组样本含量更小，将来的研究中可以纳入更多的患者样本，使研究结果更加准确和具有说服力；另一方面，未对软组织的成像质量进行评估。同时，由于本研究所搜集病例均为术后随访患者，大部分病例所用金属内固定材料与型号难以考证，可能导致所得的最佳keV值不够准确，还须进一步研究论证。

综上所述，双源CT的单能谱技术能消除金属伪影，从而能够清晰地显示脊柱金属内固定术后骨质的细微结构，极大程度上降低了线束硬化伪影对图像质量的影响，能全面的观察骨折愈合情况，使图像质量更符合临床工作的需要。

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