骨折金属固定术后能谱CT图像质量的初步研究

毕正宏 王鸣鹏 毛定彪 白爱国 倪志华 胡亚敏 徐 杰 李 克

在临床CT 检查过程中钢板、骨折髓内钉、金属支架或金属假牙等金属植入物周围会产生放射状或星芒状伪影，这一难题长期以来困扰着CT检查，从CT机的诞生一直伴随着CT图像。能谱CT的临床应用，提供了解决此问题的有效途径。本研究通过对金属植入术后的患者行宝石CT的能谱扫描（GSI），并通过后处理软件( GSI Viewer)分析，探讨宝石能谱CT在金属固定术后图像质量方面的临床价值。

方 法

1.设备

美国GE公司的宝石能谱CT ( Discovery CT 750 HD)

2.一般资料收集

2011年7月至2012年8月本科45例骨折金属内、外固定术后的患者，其中男28例，女 17例;年龄19～78岁，平均（48±13）岁。内固定患者32例，外固定10例，内外固定 3例。

3.扫描参数

采用GSI扫描模式,管电压在0.5ms周期内完成140kVp和80kVp的瞬时切换，管电流固定为600mA，准直宽度40mm，层厚0.625mm，螺距0.984：1，X 线管旋转速度0.8s/r。

4.重建方法

取120keV进行单能量图像重建+金属伪影消除软件（metal artifacts reduction software，MARS）。后处理包括多平面重建技术（MPR）、容积显示（VR）和最大密度投影（MIP），对图像质量进行评价。

5.图像质量评价方法

由3名有经验医师与技师用双盲法对图像质量及伪影进行评价、评分。图像质量评价标准如下：优（3分），金属固定物位置和骨折处解剖细节显示很清楚；良（2分），金属固定物位置和骨折处解剖细节显示较清楚；中（1分），金属固定物位置和骨折处解剖细节及结构显示一般；差（0分），金属固定物位置和骨折处解剖细节及结构显示不清楚。图像伪影的大小分级：基本无伪影（3分）、伪影较小（2分）、伪影较大（1分）。

6.统计学方法

采用SPSS 13.0统计软件，利用κ检验评价3名医师评价图像质量的一致性，κ值为0.81～1.0时，表示吻合度非常强；κ值为 0.61～0.8时，表示吻合度较强；κ值为0.41～0.6时，表示吻合度一般；κ值＜0.4时，表示吻合度差。

结 果

1.图像显示质量和细节分辨评价

MPR、VR、MIP 三种重建技术所得图像质量均可满足影像学评价，细节显示清楚，固定物位置，形状及骨折对位或对线情况显示清晰（图1），图像质量为优良者平均达86.3%。对3位观察者评价图像质量进行一致性检验的结果显示，观察者之间的一致性非常强(κ=0.866，P=0.000)（表1）。

2.图像伪影评价

图像基本无伪影占84.6%，3位观察者之间的一致性非常强(κ =0.836，P=0.000)（表1）。

表1 不同重建方法的图像质量评价 （单位：例）

讨 论

现代生活导致各种原因骨折增加，包括髓内钉、外固定支架、钢板和螺钉等骨折固定技术越来越多地应用于骨折治疗中，术后可有感染、脱位、后突畸形和脊髓损伤等后遗症，如开放性骨折固定术后的感染率仍有约30%［1-2］。因此，对于骨折固定术后的疗效监测和远期随访显得至关重要。但是，由于脊柱、关节等结构复杂，手术医师最关心的术后问题如固定失败、骨折愈合情况、并发症的发生等需要通过相关检查得以确诊。X线片不能克服图像重叠等干扰因素，而传统CT由于金属伪影和硬化伪影的存在，严重影响了金属植入部位图像的清晰度, 给周围结构的判断带来了很大的困难[3]。特别是对于脊柱外科,如果伪影很大, 影响重要邻近结构的观察, 不能为临床提供清晰的影像学信息,进而影响准确诊断[4]。因此更加清晰、全面的影像显示技术就显得尤为重要。

CT 图像伪影是指CT 图像中重建数据与物体实际衰减系数之间的差异,或是受检体中根本不存在, 而图像中显示出来的影像。根据CT 图像伪影的来源, 可以分为∶ 与CT成像技术及CT 机器有关的伪影、与患者有关的伪影以及螺旋CT 特有的伪影。对图像质量影响最显著的伪影有金属伪影和射线束硬化伪影。金属伪影是人体内外的一些高密度金属物质引起的伪影,多呈放射状或条索状影,其产生原理是X 射线穿过高密度的金属物质后急剧衰减,导致对应的投影数据失真, 丧失了周围组织X射线衰减信息。射线束硬化伪影是因为CT 球管产生的，X 射线不是单能的,其能谱有一定的范围,穿过被扫描人体的过程中,低能射线最易被吸收,而高能射线较易穿过,吸收系数随X线能量的增大而减少,在X射线穿过人体过程中,平均能量会渐渐变高,射线束会逐渐变硬,这称为射线束硬化效应。硬化效应的伪影主要表现为致密物体之间的暗区或条状伪影[5-6]。另外,伪影的产生还取决于管电压、管电流、螺距、层厚等[7]。

自从CT诞生以来，所采用的一直是单参数的成像方式，即用CT值的不同来表现各个体素之间的差异。自2009年，GE公司的宝石能谱CT（Discovery CT750 HD）引入中国，把宝石作为探测器的材料，由于其物理特性，大幅度提升了图像质量，通过对整个影像链的革新，可以提供高分辨率下的低剂量图像和能谱图像，其多参数的成像方式给CT成像带来了全新的变革，提供了许多前所未有的信息给临床医师及科研人员，为临床和科研带来了广阔的前景[8]。

宝石能谱CT 减除伪影涉及两种技术：一是单能量成像,另一是MARs技术(metal artifacts reduction software)。单能量成像去伪影原理是宝石能谱CT是用单探测器，单球管的设计，时间分辨率可高达0.5ms，在0.5ms时间内瞬时完成高低能量切换，在第一个采样点的位置上用高能，角度变化了零点几度的时候再用低能量扫描，因此可以说几乎是在同时同角度得到两个能量的采样，这样就可以在投影数据空间进行能谱分析[9]。能谱CT投影数据是在图像重建前进行的，因此可以很好地避免硬化问题。MARs技术可以纠正X线扫描金属后产生的光子饥饿现象而导致的低信号，可以对金属移植物及周边组织提供准确的投射数据，能够有效抑制临床上常见的金属伪影，这在金属植入术后的随访和评估中都获得很好的应用。特别是某些部位以往由于金属植入物的影响而不能显示其真实情况，现在通过应用宝石能谱CT 的单能量成像及MARs技术，使这些区域的病变和整体情况能很好的显示[10]。

有研究报道认为120keV 是减除脊柱金属植入物伪影的能谱CT最佳单能量点[11]。故本组资料采用120keV单能量重建，统计后发现金属固定物所致的线束硬化伪影基本消失，图像优良者和基本无伪影图像分别占86.3%和84.6%，说明采用单能谱成像+MARs软件技术可以对金属固定物位置和骨折处解剖细节显示清楚，对于骨折固定术后的疗效监测和远期随访具有重要意义。

本研究还存在一些不足，例如选择120keV作为单能量重建是否适合对所有部位的观察，对软组织的观察又存在哪些优劣，影像质量的评价还不够客观，病例数还不够等等。另外在本组资料研究中发现，有小部分金属固定物周边有锯齿状变形，是由于MARs技术引起的还是与金属固定物的材质有关，有待于进一步的研究。

综上所述，能谱CT能清晰显示骨折金属固定术后的细微结构，基本消除了金属伪影和线束硬化伪影对图像质量的影响，使图像质量更能符合临床工作的需要。