同源动态能谱CT扫描在骨折金属内固定术后的初步应用

颜森森　岑秀雅　罗　敏▲　张　雷.温州医科大学附属第三医院 浙江省瑞安市人民医院放射影像科，浙江瑞安　3500；.温州医科大学附属第三医院浙江省瑞安市人民医院骨科，浙江瑞安　3500

同源动态能谱CT扫描在骨折金属内固定术后的初步应用

颜森森1岑秀雅1罗敏1▲张雷2
1.温州医科大学附属第三医院 浙江省瑞安市人民医院放射影像科，浙江瑞安325200；2.温州医科大学附属第三医院浙江省瑞安市人民医院骨科，浙江瑞安325200

目的探讨金属内固定术后病例同源动态能谱CT与多层螺旋CT扫描的图像质量及其辐射剂量的差异，评价同源动态能谱CT在去除金属内固定伪影中的应用价值。方法收集2013年4月～2014年9月80例骨折金属内固定术后复查患者，随机分为能谱CT扫描组、常规CT扫描组各40例，其中均包括脊柱12例，肱骨10例，胫腓骨18例，分别使用单源64层机器行同源双电压动态扫描模式和多层螺旋扫描模式。其中双能扫描程序获得的原始数据，使用双能量软件中的单能谱技术（Monoenergetic）处理，获得6组不同光子能级图像，由两位有经验的放射科主治以上医师按照四分法对图像质量进行评分，对两位医师评分的一致性采用Kappa分析。选择其中能谱最优图像组与常规组成像中的内固定钉伪影长度进行测量对比，并行配对t检验分析，测量并使用容积CT剂量指数（CT dose index vo1ume，CTDIvo1），行配对t检验分析评价辐射剂量情况。结果40例能谱扫描图像，主观评价显示单源能谱消除金属内固定伪影最优为130 keV能级，能谱组130 keV和多层螺旋CT扫描组的内固定钉伪影长度比较，显示能谱组金属内固定伪影更短，差异有统计学意义（P＜0.05），能谱组与多层螺旋CT扫描组初步对照，显示能谱组辐射剂量更小，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论同源动态能谱CT扫描与多层螺旋CT扫描技术对照，能够有效消除金属伪影，显示骨折金属内固定术后细微结构更清晰，辐射剂量减少。

体层摄影术；X线计算机；单源双能；能谱；辐射剂量

［Abstract］Objective To eva1uate the c1inica1 app1ication of sing1e source dua1-energy（SSDE）CT within the meta1 fixed imaging by comparing image qua1ity and radiation dose with conventiona1 mu1ti-s1ice spira1 CT（MSCT）.Methods 80 cases of patients after interna1 fixations with meta1 inc1uded in the study were co11ected from Apri1 2013 to September 2014，were divided into energy spectrum CT scanning group and conventiona1 CT scanning group，each group 40 cases. Each group had 12 cases of spine，10 cases of humerus，18 cases of tibiofibu1a.Homo1ogous doub1e vo1tage dynamic scanning mode and mu1ti s1ice spira1 scanning mode were underwent by the sing1e source 64 1ayer machine 1ine.The origina1 data obtained by the dua1 energy scanning program was treated by sing1e energy spectrum（Monoenergetic）of dua1 energy software，6 different photon 1eve1 images were obtained，the image qua1ity was eva1uated by two experienced radio1ogists attending the above four points，Kappa ana1ysis was used to ana1yze the consistency of the two physicians.The 1ength of the interna1 fixation nai1 artifact in the image group and the conventiona1 composition image was measured and compared，para11e1 paired t test ana1ysis，vo1ume CT dose index was measured and used to eva1uated genera1 radiation dose through para11e1 paired t test ana1ysis.Results 40 cases of sing1e source dua1-energy（SSDE）CT，images of 130 keV had the best image qua1ity artifacts，compared with conventiona1 MSCT，meta1 artifacts in energy spectrum CT scanning group was more shorter（P＜0.05）.The radiation dose of energy spectrum CT scanning group was sma11er，and the difference was statistica11y significant（P＜0.05）.Conclusion Sing1e-source dua1-energy CT scanning techno1ogy can effective1y remove meta1 artifacts，c1ear1y show the meta1 interna1 fixation of fracture fine structure.

［Key words］Tomography；X-ray computed；Sing1e source dua1-energy；Energy spectrum；Radiation dosage

金属内固定已经被广泛应用于骨折的治疗，其术后可能有各种后遗症的发生，如感染、脱位、愈合不良等，需要对骨折固定术后患者进行疗效监测和远期随访。金属会在磁共振扫描中产生伪影，导致周围信号缺损，术区的骨形态、结构及其周边软组织情况成为盲区，X线检查是一种前后叠加的图像，在金属内固定及骨折细节显示上有一定困难。所以目前评估骨折金属内固定术后情况，以多层螺旋CT扫描方式为主。但是夏春潮［1］、贾永军等［2］认为，多层螺旋CT成像技术产生的金属内固定植入图像伪影大，在显示金属内固定物的位置及形态的整体性较差，评价术后的细微结构不够精确。临床医生需要一种更全面、直观的影像技术评价金属内固定植入术后情况。近几年，国内外一些研究报道中显示，双源能谱或宝石能谱CT在消除金属内固定伪影有效，能清楚显示术区骨形态、结构及周围软组织情况和金属内固定物的结构，有较高图像质量，在此基础上拓展，本文讨论了西门子64排同源动态能谱CT与常规多层螺旋CT在骨折金属内固定术后患者中图像细节质量的差别，并且使用容积CT剂量指数（CT dose index vo1ume，CTDIvo1），评价其在实际应用上的辐射剂量情况及是否可常规应用于临床。现报道如下。

1　资料与方法

1.1一般资料

收集2013年4月～2014年9月本院骨折金属内固定术后患者80例，经伦理学委员会批准，研究对象均知情同意并签署知情同意书，随机分成两组，同源动态能谱组40例，其中男28例，女12例，年龄25～70岁，平均47.75岁，常规多层螺旋CT组40例，男24例，女16例，年龄20～72岁，平均42.6岁；两组病例均包括脊柱12例，肱骨10例，胫腓骨18例。

1.2检查方法

1.2.1同源动态能谱CT组 使用最新的Siemens SOMATOM Definition AS 64排能谱CT机，采用同源双电压（80 kVp、140 kVp）动态扫描模式，检查范围包括骨折术区及完整的金属内固定物，两次检查参数为：管电压分别为80kVp、140kVp，管电流分别为165mAs、55 mAs，开启实时动态曝光剂量调节（CARE Dose 4D），螺距1.0，S1ice 0.75 mm（128×0.6 mm），Rotation time 1.0 s，increment 0.5 mm，图像重建算法为标准算法，采用滤波反投影（fi1tered back projection，FBP）重建，选用B70重建核；需要着重关注的是，两次检查不能移动被检查部位。

1.2.2常规多层螺旋CT组 亦使用Siemens SOMATOM Definition AS 64排螺旋CT机，使用多层螺旋扫描方式，检查范围包括骨折术区及完整的金属内固定物，检查参数为：管电压120 kVp，管电流150 mAs，CARE Dose 4D技术，螺距1.0，S1ice 0.75 mm（128×0.6 mm），Rotation time 1.0 s，increment 0.5 mm，图像重建算法为标准算法，采用滤波反投影重建。

1.3分析方法

同源动态能谱组患者检查结束后，得到两组计算机重组数据，即同源动态能谱组的数据（80 kVp、140 kVp），将其导入工作站，使用Dua1 Energy软件中的单能谱成像（Monoenergetic）技术，行数据处理，即可得到范围40～190 keV的不同能量级图像，取40、70、100、130、160、190 keV的不同光子能量点对图像进行金属伪影去除，每组不同光子能量图像均重建为层厚、层距均1.0 cm的图像，再使用同一工作站的3D后处理软件，对图像进行各种重建。

对常规扫描组扫描完成获得的图像行重建，获得一组层厚、层距均为1.0 cm的多层螺旋CT扫描图像，保存并使用同一工作站的3D后处理软件，对图像进行各种重建。

利用最大密度投影（maxima1 intensity projection，MIP）、容积显示（vo1ume rendering，VR）、多平面重建技术（mu1ti-p1anner reformation，MPR）等重建技术，分别对同源动态能谱组和常规螺旋CT组的不同组图像进行后处理重建。

同源动态能谱扫描的骨折术后金属内固定植入患者所获得的各组图像均由两名高年资的影像科主治医师采用双盲法对各组不同能级图像质量及金属伪影去除效果进行评分，包括金属植入物的形态、位置、伪影大小及骨折处微小细节的显影能力，采用四分法评分，评分标准［3］如下：1分：金属内固定有明显伪影，图像无法观察；2分：金属内固定伪影较多，图像细节尚可显示；3分：金属内固定有较少伪影，图像细节显影优良；4分：金属伪影不明显，能清楚显示图像微小细节。两位医师在意见不统一的情况下，通过协商达成一致。

能谱图像最优组（130 keV）和多层螺旋CT扫描组中，选择长度相同、植入部位相近、与横断位扫描大致平行的内固定钉，根据美国材料与实验协会（American Society of Testing Materia1s，ASTM）推荐的伪影测量方法，通过工作站的后处理软件，在同样的窗宽、窗位条件下测量伪影的最大长度。

1.4统计学分析

使用SPSS19.0统计学软件对所获得的数据行分析。使用Kappa检验分析两位医师对图像质量评价的一致性。其中Kappa值为0.81～1.00时，表示两位医师主观评分吻合度非常强；Kappa值为0.61～0.80时，表示两位医师主观评分吻合度强；Kappa值为0.41～0.60时，表示两位医师主观评分吻合度一般；Kappa值≤0.4时，表示两位医师主观评分吻合度差。利用配对t检验分析最佳能级能谱图像和多层螺旋CT组图像伪影有无差异，P＜0.05为差异有统计学意义。利用配对t检验分析能谱组图像和多层螺旋CT组图像的容积CT剂量指数（CT dose index vo1ume，CTDIvo1），评价其在实际应用中的辐射剂量情况。

2　结果

2.1能谱组不同光子能量主观评分

40例金属内固定植入患者6组不同光子能量下两位医师主观评分见表1，检验结果显示两位医师之间的一致性较强，Kappa值均＞0.85（P＜0.01），单能谱最佳图像评分均分布在130 keV能级。见表1。

表1　不同光子能量条件下主观评分（n）

2.2能谱组（130 keV）及常规组不同部位螺钉伪影长度比较

对不同部位金属内固定植入患者的能谱扫描最佳能级（130 keV）及常规多层螺旋CT扫描图像内固定螺钉伪影进行测量和分析。两组患者中相同部位者，取相同长度、相近位置，并且长轴大致平行于扫描层面的螺钉，以相同窗宽窗位条件下测量其前方伪影的最大长度，不同部位伪影长度均存在显著性差异（P＜0.05）。见表2。

表2　能谱组13O keV和常规组螺钉伪影长度比较（，mm）

表2　能谱组13O keV和常规组螺钉伪影长度比较（，mm）

组别　n 脊柱组（n=12）（钉长60 mm）肱骨组（n=10）（钉长26 mm）胫腓骨组（n=18）（钉长15 mm）能谱组（130 keV）常规组t值P值40 40 20.62±2.19 53.73±2.19 -46.45 ＜0.05 3.96±0.35 11.22±0.75 -18.83 ＜0.05 3.12±0.27 10.38±0.46 -35.72 ＜0.05

2.3能谱组（130 keV）及常规组不同部位图片比较

图1～3为多层螺旋CT扫描MPR重建图像，图4～6为同源动态能谱CT扫描130 keVMPR重建图像，显示同源动态能谱CT扫描技术能够明显消除线束硬化伪影，改善骨折金属内固定术后的图像质量，可以清晰显示骨折金属内固定术后的骨折线等细微结构，其中130 keV可以提供最佳图像质量，比常规多层螺旋扫描成像明显更优。

图1～3　常规螺旋CT扫描MPR重建图片，金属内固定伪影明显，临近骨折线显示模糊不清

图4～6　同源能谱CT扫描13OkeV（能级）MPR重建图像，金属内固定伪影明显消除，骨折细节显影清晰

2.4常规组和能谱组容积CT剂量指数比较

容积CT剂量指数（CT dose index vo1ume，CTDI-vo1）是表征在重建层面内输出的平均辐射剂量的一个指数，由扫描后机器自动生成，因同源动态能谱技术是80 kVp和140 kVp两次扫描，记录并计算两项CTDIvo1值之和。记录常规螺旋CT扫描的CTDIvo1值。在不考虑体重指数等个体差异情况下，常规组和能谱组CT剂量指数比较见表3，脊柱及肱骨部位常规组容积CT剂量指数明显大于能谱组，胫腓骨组容积CT剂量指数两组差别不大，表明能谱CT扫描在不同部位的辐射剂量，不大于常规螺旋扫描。

表3　常规组和能谱组容积CT剂量指数比较（，mGy）

表3　常规组和能谱组容积CT剂量指数比较（，mGy）

组别　脊柱　肱骨　胫腓骨能谱组常规组t值P 6.77±0.56 17.22±2.75 13.88 ＜0.05 5.65±0.31 16.68±4.36 7.79 ＜0.05 7.27±0.59 7.80±0.91 3.09 ＞0.05

3　讨论

随着交通工具的发展，各种外伤事故频发，骨折事件增多，骨科手术各种金属植入物广泛应用，包括髓内钉、内固定钢板等，术后可能的各种并发症、后遗症等发生率仍然较高，临床医生最关心的术后问题，均需要通过相关的影像学检查得以明确。内固定植入术后的图像准确评价显得越来越重要［4，5］。多层螺旋CT的问世，有着优良的密度分辨率，在微小细节骨折改变各种征象显示及各种三维重建技术在骨质结构、形态、骨折等征象的显影上有着明显优势，可以对植入金属的位置、骨质情况及解剖关系进行评估，对于骨质结构和软组织显示来说，都不失为一种良好的重建技术，但是金属植入物周围形成的线束硬化伪影，与轴位图像一样有明显的金属伪影，即使适当增加MPR的厚度，也只是使伪影略微减少［6，7］，仍然明显影响邻近重要结构的观察、评估。近年来随着能谱CT发展，在金属内固定伪影消除上取得了良好的成果［8］。

常规CT图像是由各种不同混合能量的光子而成的线束成像。经过较高密度的物质吸收衰减后，高能量的光子比低能量的光子被衰减吸收的少，因此穿透物体后的光子被“硬化”，从而产生线束硬化伪影。能谱CT成像能提供一组不同能级的单能谱图像，成为其突出优势。物质本身密度决定了单一能量水平的物质衰减系数，能保持同一物质的恒定衰减系数，能够选择性得出体现所谓组织特性的双能量图像［9，10］，从而减少线束硬化伪影的产生［11］。

现今在临床中应用的能谱成像技术有双kVp成像、双X线管技术、瞬时双kVp技术、双扫描技术［11］，其中单球管机器实现能谱成像技术包括瞬时双kVp技术和双扫描技术。瞬时双kVp扫描技术，因受物理条件限制，不易实现自动毫安功能，不能随意选择管电流，研究显示其辐射剂量较常规多层螺旋CT扫描的辐射剂量略高或相近［12，13］。本组研究采用的是双扫描模式，其中主要缺点是由于能量时间分辨率不足引起的运动伪影，但对于骨折内固定病例来说，由呼吸和器官蠕动等引起的伪影影响较小。本次研究中采用同源动态能谱扫描技术，即双扫描技术，在同一次检查中进行80 kV和140 kV两次不同管电压扫描，具有高达27 928次/s的采样率，对比其他同源能谱CT 的7131次/s的采样率，多达4倍信息量；此外还拥有40～190 keV的151个宽能级的单能谱图像，为临床提供了更多细节结构的信息量；由于其扫描时采用了能谱纯化技术，利用双能后处理软件的（Monoenergetic）单能谱重建成像技术，可以有效减少高能中无效的低能成分，消除金属内固定伪影，使其三维重建后的图像能够实现真正的各向同性，利用计算机软件行三维重建产生更加直观、优质、多角度及多方位的重建图像，对X线检查图像重叠及多层螺旋CT检查金属内固定所致X线束硬化伪影的缺点进行弥补，更加清楚显示骨折术后金属内固定及其周围结构的细节改变，有利于骨折金属内固定术后的疗效评估［14］。此外扫描过程中使用的4D CARE Dose技术是一种剂量调节管理软件，通过实时X线管电流的调节，有效地控制剂量［15，16］，排除体重指数等个体差异，不同部位的能谱CT扫描辐射剂量小于或接近于常规CT扫描，可以大致看出单源能谱的双扫描并不增加辐射剂量，Mac Douga11等［17］报道过多的辐射剂量会导致癌症几率明显增加，此项技术可以作为常规检查应用于临床。

本研究的不足之处，首先在于该研究的样本量较小，其次未对金属内固定物的材质加以区分、比较，对不同部位的辐射剂量评估，未考虑体重指数等是否存在明显差异，属于粗略性的评估，可能存在误差，希望今后能参与更多样本的研究，有更客观的评价标准，从而进一步研究论证结果的可靠性。另外，本研究中使用的Siemens SOMATOM Definition AS 64排CT机仅配置FBP标准算法，常规多层螺旋CT扫描的相关研究显示，基于模型的迭代重建（VEO）和自适应统计迭代重建较滤波反投影重建算法（ASiR）在保证图像质量的前提下，将能使CT扫描过程中的辐射剂量进一步下降［18-21］。受到目前滤波反投影算法（FBP）的局限性限制，不能进一步降低扫描剂量，否则明显增加图像噪声，图像质量降低明显［22］。相信随着今后的单源能谱CT机的发展，采用更先进的算法，能更进一步降低辐射剂量。

本研究基于64排同源动态能谱CT对骨折金属内固定术后图像质量评估，随着在各种等级医院的使用，检查费用低，较常规多层螺旋CT辐射剂量不增加，能明显消除金属内固定的伪影，提供更高质量的影像信息，能为更多医院骨折术后患者提供更加直观、方便、安全的影像评价技术，对于骨折术后金属固定植入患者的疗效监测和远期随访，提供更多更准确的信息，在骨折术后金属内固定植入患者中的随访复查中可以推广应用。

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Preliminary aPPlication of single-source dual-energy CT in the evaluation of metal fixation of fractures

YAN Sensen1CEN Xiuya1LUO Min1ZHANG Lei2
1.Department of Radio1ogy，the Third Affi1iated Hospita1 of Wenzhou Medica1 University（Rui'an Peop1e's Hospita1），Rui'an325200，China；2.Department of Orthopedics，the Third Affi1iated Hospita1 of Wenzhou Medica1 University （Rui'an Peop1e's Hospita1），Rui'an325200，China

R816.8

B

1673-97O1（2O16）11-OO96-O5

浙江省科技计划项目（2015C33287）▲

2016-01-29）