宝石CT能谱成像去除脊柱金属植入物伪影的应用研究
2013-11-09黄钟杰肖芝豹曹楚瑜陈健伟
黄钟杰 刘 源 肖芝豹 曹楚瑜 陈健伟
CT检查对脊柱金属植入术后评价有重要价值。金属植入物在普通CT扫描时会使射线硬度增高及产生“光子饥饿”效应，从而出现束状或放射状高低混杂密度伪影，影响了诊断。解决金属伪影问题可提高影像诊断准确性。宝石CT能谱成像（gemstone spectral imaging, GSI）一次扫描可生成101组单能量（monochromatic, Mono）图像，其不同Mono图像产生金属伪影存在差别。本文通过对140kVp（QC）与Mono图像质量、诊断效能进行比较研究，探讨GSI在减除脊柱金属植入物伪影方面的应用价值，并研究能谱曲线快速寻找最佳keV的可行性。
方 法
1. 一般资料
收集本院脊柱外科金属植入术后怀疑并发症者6例宝石CT扫描资料。男4例，女2例，平均年龄42岁。腰椎3例，胸椎2例，颈椎1例。本研究通过本院伦理委员会批准。所有患者检查前均签署知情同意书。
2.CT扫描及图像处理
宝石CT（Discovery CT750HD）GSI模式扫描参数：管电压80kVp/140kVp瞬时切换，管电流600mA，螺距0.984∶1，矩阵512×512，层厚5.0mm。扫描后QC图像重建层厚0.625mm，设为对照组，并用GSI Viewer软件将能谱图像以10keV为间隔重建为11组Mono图像。
3. 图像质量评价
客观评价：每例取伪影较重层面5～8层，在金属植入物周围伪影较重区域选取3～5个感兴趣区（ROI），测其CT值和SD值。并取附近无伪影层面相同组织测其CT值和SD值为参照值。ROI面积控制在45～50mm2内。通过比较QC和各Mono图像的伪影指数（artifacts index，AI）和对比噪声比（contrast-tonoise ratio，CNR）分析各Mono组的图像质量。AI和CNR计算公式[1]：
主观评价：由3名放射科医师（1名工作20年、2名工作9年）共同对QC组、Mono组图像进行评分。采用4分法分别评价软组织、骨质及植入金属物。评分标准[2-3]见表1。
4.能谱曲线确定最佳成像keV值
根据CNR公式可知，当CT伪=CT参时CNR=0，金属伪影影响最小。运用GSI Viewer软件取伪影区及参照区的能谱曲线，两曲线相交点的CT值相等。6例共取伪影区90个ROI，记录其相交点电压值，并评价其最佳成像keV值的图像质量和诊断效能。
5.统计分析
计量资料符合正态分布比较采用t检验。多组相关资料组间总体比较采用Friedman（F）检验，组间总体有差别时，组间两两等级比较采用配对Wilcoxon检验。均数记为±s。P＜0.05时差别有统计学意义。统计软件采用SPSS17.0。
结 果
QC与Mono每组测得90个ROI，AI和CNR值及比较结果见表2。
AI和CNR各能量级别总体组间比较有差别（F检验，P=0.00＜0.05）。各级别Mono组与混合能组AI比较：40keV、50keV组高于QC组；60keV、70keV、80keV组与混合能组无差别；而90～140keV组低于QC组。各级别Mono组与QC组CNR比较：40～90keV组高于QC组；100～120keV组低于QC组；而130～140keV组与QC组无差别。100keV、110keV和120keV组的 AI和CNR均低于QC组且无差别（F检验，P=0.58＞0.05、P=0.055＞0.05）。
6例共取伪影较重24个层面进行主观评分。图像质量评分比较见表3。
Mono组与QC组图像比较，软组织在40～8 0 k eV组的伪影无减少，诊断效能无提高；在90～140keV伪影评分明显减低，诊断效能提高。110keV、120keV和130keV组评分一致（F 检验P＞0.05）；且低于90keV、100keV、140keV三组图像质量评分（Wilcoxon检验，P=0.00，0.01，0.01）。对于骨质显示，40～80keV组图像质量无提高；90～140keV组金属伪影减少，骨质观察和诊断效能有明显提高，其中110～140keV组评分一致（F 检验P＞0.05）并低于90keV、100keV组评分（Wilcoxon检验，P=0.00，P=0.00）。对于金属植入物的观察，40～80keV组图像质量无提高；90～140keV组伪影比QC组减少，其中110～140keV组评分一致（F 检验P＞0.05），且低于90keV、100keV组（Wilcoxon检验P=0.00，P=0.00）。
表1 软组织、骨质、植入金属4分法评分标准
表2 QC与Mono图像AI及CNR结果比较
运用能谱曲线共取得9 0个ROI的最佳keV值，其中95%落在90～140keV范围内，均值为110.89keV±13.14keV。因110keV的图像质量均在最优等范围之列，故将其作为对照,比较能谱曲线相交点keV值的图像质量。结果见表4。
利用能谱曲线获得最佳图像的CNR低于110keV图像的CNR，两者的客观指标AI和主观评分（软组织、骨质、金属植入物的评分）无差别。
图3 为50keV Mono图像。图4 为伪影区及参照区ROI的电压-CT值曲线图，两ROI等CT值的电压为3 4 110keV。
讨 论
1. 宝石CT GSI去除脊柱金属植入物伪影的应用价值
脊柱金属植入物在CT图像上会产生束状或放射状低密度暗带及高密度亮带，这是扫描时射线通过金属后产生的射线硬化效应及光子饥饿效应所致。金属伪影影响着CT对骨科金属植入术后的评价。在脊柱棒钉系统内固定术后，少量的伪影即可影响椎管、侧隐窝、椎间孔、椎弓根及金属植入物等结构的观察（图1），而这些精细结构用其他影像学检查往往无法满意显像。用GSI成像后在高电压区间脊柱术区各结构及金属植入物均可满意显示（图2）。这显示了GSI去除金属伪影技术在骨科金属植入术后评价上有重要临床应用价值。
这种去除金属伪影的作用得益于宝石CT的GSI技术。GSI采用单源双能（电压80kVp/140 kVp瞬时切换）扫描模式。采集的原始图像可被GSI Viewer软件分解为101个从40～140keV的连续Mono图像，实现一次扫描得到多组单能量图像。GSI射线能量具有单一性，高能量的射线通过金属衰减后其能量均匀性仍保持较好，减少了硬化效应；同时因高能量射线穿透力强，减少了穿过金属时能量的衰减，减轻了“光子饥饿效应”。因此单能量高keV减除了金属伪影，低能量射线则无减除金属伪影作用。相反因射线能量较低，穿透金属时衰减量大而加重了“光子饥饿效应”，使低能量区的图像质量严重下降。
2.GSI去除金属伪影的最佳条件选择
本研究各主观评价和客观指标最佳条件的交集范围为110～120keV。文献[4-5]使用同样方法得出最优keV值分别为110keV和120keV。因患者个体差异，其最优成像条件可能不同。因此本文提出最佳成像条件应有一定范围，不同靶点其最佳成像条件有所不同。通过主观评价优选出的最佳成像条件范围略宽，这可能的原因是主观评分的敏感性不如客观测试。虽然130keV、140keV仍有少量伪影，但由于伪影范围局限，对诊断影响不明显，故对评分未产生明显影响。
根据同一物质对不同能量射线衰减系数的不同，GSI利用自带软件可描绘ROI keV-CT值曲线，即能谱曲线。利用能谱曲线可快速地寻得不同ROI CT值相等的条件keV值（图3，4）。利用能谱曲线快速寻找ROI软组织的最佳成像电压值范围与通过客观及主观评分寻找的最佳成像区间基本吻合。用其所寻电压值成像，其图像质量亦均属优等，其消除金属伪影有效，且可满足诊断（图5）。操作时对参照点的选择可能会影响最佳电压值的选择。当金属植入物周围发生病变但被伪影掩盖时，通过该方法可能使病变区与参照点正常组织呈等密度从而产生假阴性。能谱曲线研究显示不同ROI其最佳成像范围不同。因此使用该方法提倡在金属植入物周围多采集几处ROI观察。该方法快速捷便有效，是一种值得推荐的方法。
3. 研究的不足与展望
本研究数据显示AI和CNR标准差较大。这是由于金属伪影与金属成分、植入物位置、形状大小、排列等相关[6]，不同层面金属物的细微变化使AI和CNR产生一定的波动。金属所致的硬化效应和光子饥饿效应性质不同，混杂存在，导致有些ROI同时包含了两种性质伪影，使得SD离均值较大。图像质量主观评分标准可能存在敏感度低。进一步的研究应扩大病例数及对植入物的性状进行细化分类比较研究，同时完善主观评分标准。GSI消除金属伪影作用可能在其他部位骨科金属植入术后、金属介入术后及急诊等方面也有临床意义，有进一步研究的价值。
