双能量CT联合金属伪影削减算法抑制股骨柄假体金属伪影的模型研究

刘卓， 魏拓， 洪楠， 陈雷， 张卓璐

随着金属假体置换技术的广泛应用，术后疗效评价和远期随访成为临床医师关注的重要内容。相对于普通X线检查的物体重叠问题及磁共振检查的金属安全性问题，CT成为术后评价的首选检查技术。然而，CT图像中金属植入物通常会造成伪影，严重影响对邻近结构的观察。因此，削减金属伪影成为CT技术的研究重点之一。对于传统单能量CT(single-energy CT，SECT)扫描，通过提高管电压、管电流，减小螺距，缩小准直范围等手段可在一定程度上减小金属伪影的影响，但对金属植入物本身及临近组织的观察仍受到一定干扰[1-3]。

图1 长度为150 mm的不锈钢股骨柄假体悬吊于水箱中心。

近年来，双能量CT(dual-energy CT，DECT)扫描技术已得到广泛应用并成为研究热点。利用双能量扫描获得的数据，可重建出虚拟单色谱图像(virtual monochromatic spectral，VMS)，再经过金属伪影削减(metal artifact reduction，MAR)算法处理，金属伪影可得到有效抑制[4-5]。本研究以不锈钢股骨柄假体水箱模型为研究对象，评价单能量及双能量两种扫描模式及相关扫描、重建参数对CT图像金属伪影范围及程度的影响。

材料与方法

1.研究对象

通过目测，将长度为150 mm的不锈钢股骨柄假体悬吊于水箱(长350 mm×宽250 mm×深200 mm)中心(图1)。假体长轴平行于水箱长轴。将水箱置于扫描范围中心，水箱长轴平行于机架Z轴，假体长轴与Z轴重合。

2.扫描方法及参数

扫描设备选择单球管单层探测器双能量CT扫描仪(Revolution CT，GE Healthcare)。分别以单能量模式、双能量模式扫描水箱，扫描参数及容积CT剂量指数(volumetric CT dose index，CTDIvol)见表1。双能量扫描时管电压在80、140 kVp间反复快速切换；管电流分别选择最高(485 mA)、最低(200 mA)两档。为保持与双能量485 mA扫描模式相近的辐射剂量水平(CTDIvol=12.64 mGy)，单能量扫描时针对不同管电压选择相应管电流及球管转速。两种扫描模式准直宽度均为40 mm，螺距均为0.984：1。单能量与双能量扫描范围、扫描视野、显示视野保持一致。

表1 扫描参数及辐射剂量

3.图像重建算法及参数

图像重建类型均选择标准类型。混合迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction veo，ASIR-V)的权重均选择50%。一次单能量扫描获得的数据重建一组图像。4次单能量扫描共重建4组图像，分别为80、100、120、140 kVp。一次双能量扫描获得的能谱数据重建6组图像，分别是40、90、140 keV单色谱图像，及经过金属伪影削减(MAR)算法改善的40、90、140 keV单色谱图像(表2)。

4.评价方法

16组图像传至后处理工作站(advantage workstation，AW 4.7)。两名放射诊断医师在横轴面图像上勾画椭圆形兴趣区(region of interest，ROI)，ROI恰好包括伪影范围，工作站自动计算ROI面积，即该层面内金属伪影面积(artifact area，AA)，见图2。在金属假体上、下、左、右分别放置矩形ROI，获得ROI内CT值标准差(standard deviation，SD)。四个ROI内的SD均值记为SD平均。将假体从水箱中取出，以相同条件扫描，在相同位置放置四个相同ROI。四个ROI内的SD取平均值记为SD本底。以SD平均-SD本底作为该层面内金属伪影指数(artifact index，AI)，用以评价伪影程度[6]。四个ROI，应尽量包括水箱内假体以外的全部范围，见图3。

图2 伪影面积测量。a)140 kVp图像伪影面积843 mm2； b) 80 kVp图像伪影面积2817 mm2； c) 140 keV 485 mA VMS+MAR图像伪影面积145 mm2。 图3 伪影指数计算。a) 140 kVp图像伪影指数32 HU； b) 80 kVp图像伪影指数103 HU； c) 140 keV 485 mA VMS+MAR图像伪影指数0.06 HU。

序列光子能量(keV)是否经过MAR处理序列描述540否40keV 485mA VMS640是40keV 485mA VMS+MAR790否90keV 485mA VMS890是90keV 485mA VMS+MAR9140否140keV 485mA VMS10140是140keV 485mA VMS+MAR1140否40keV 200mA VMS1240是40keV 200mA VMS+MAR1390否90keV 200mA VMS1490是90keV 200mA VMS+MAR15140否140keV 200mA VMS16140是140keV 200mA VMS+MAR

AI=SD平均-SD本底

在16组图像中各选择5个层面，伪影面积与伪影指数取5个层面测量值的平均值。各组间层面选择保持一致、ROI保证相同位置、相同大小。选择的层面应保证伪影范围不能超出水箱范围。窗宽、窗位始终保持400 HU、40 HU。全部测量指标(共计96项)由每位观测者测量三次求平均值。两位观测者测量结果求平均值，记为该项指标最终结果。

5.统计学分析

采用SPSS 20.0进行统计学分析，两位观测者间测量结果采用配对t检验分析，P<0.05视为差异有统计学意义。

结 果

两位观测者测量结果差异无统计学意义(t=0.792，P=0.430)。

对于单能量CT扫描所得图像，辐射剂量大致相等时，管电压越大，则管电流越小，金属伪影面积越小，伪影指数越小(表4、图4～6)。对于双能量CT扫描所得虚拟单色谱图像，光子能量越大，则金属伪影面积、伪影指数越小；管电流越高，则金属伪影面积、伪影指数越小。扫描条件、重建参数一致的前提下，经过金属伪影削减算法改善的虚拟单色谱图像使金属伪影面积、伪影指数明显减小。在与单能量扫描辐射剂量水平相近的前提下，90 keV、140 keV单色谱图像金属伪影范围及程度低于单能量CT扫描获得的混合色谱图像，但40 keV单色谱图像金属伪影范围及程度高于混合色谱图像。

图4 依次是序列1-16相同位置的横轴面图像。a)140kVp；b)120kVp；c)100kVp；d)80kVp；e)40keV 485mA；f)40keV 485mA MAR；g)90keV 485mA；h)90keV 485mA MAR；i)140keV 485mA；j)为140keV 485mA MAR，金属伪影最小；k)40keV 200 mA，金属伪影最严重；l)40keV 200mA MAR；m)90keV 200mA；n)90keV 200mA MAR；o)140keV 200mA；p)140keV 200mA MAR。

序列序列描述AA(mm2)SD平均(HU)SD本底(HU)AI(HU)1140kVp78732.359.622.752120kVp108843.359.733.653100kVp149967.989.458.58480kVp2133103.1510.692.55540keV 485mA5664218.9823.8195.18640keV 485mA MAR65027.3323.83.53790keV 485mA66530.487.123.38890keV 485mA MAR1727.457.10.359140keV 485mA27913.585.77.8810140keV 485mA MAR1575.755.70.051140keV 200mA7603263.1832.9230.281240keV 200mA MAR88637.8532.94.951390keV 200mA80335.2310.424.831490keV 200mA MAR23811.8310.41.4315140keV 200mA42319.888.910.9816140keV 200mA MAR1729.008.90.10

讨 论

金属假体置换术后疗效评价和并发症诊断过程中，传统单能量CT扫描获得的混合色谱图像中金属假体通常会引起放射状或条索状伪影，严重影响对金属植入物本身及邻近组织的观察。金属伪影主要是由射线硬化效应、光子饥饿效应等原因造成的[1,7]。对于单能量CT扫描，常用的抑制金属伪影的方法是提高管电压或管电流等。这些方法对金属伪影的抑制十分有限，还存在增加辐射剂量的缺点。在不增加辐射剂量的前提下，有效抑制金属伪影成为CT技术研究的重点之一。

近年来，双能量CT扫描技术已得到广泛应用。通过双能量扫描获得的虚拟单色谱图像，模拟了单一光子能量的射线扫描物体时获得的图像[8-10]。由于射线中光子能量相同，因此不会发生射线硬化效应。同时， MAR算法可以纠正X线穿过金属后出现的光子饥饿现象导致的数据丢失。因此，经过MAR算法处理的单色谱图像，理论上可以有效抑制金属伪影[11-12]。

图5 16组图像伪影面积。 图6 16组图像伪影指数。

本研究数据显示：对于单能量CT扫描，管电压的提高可在一定程度上抑制金属伪影。在与单能量扫描辐射剂量水平相近的前提下，双能量CT扫描获得的90 keV、140 keV单色谱图像金属伪影范围及程度较单球管电压能量CT扫描获得的混合色谱图像均明显降低，且随着管电流的升高伪影减轻，随着光子能量的增加伪影减轻。另外，经过MAR算法改善的单色谱图像，金属伪影得到进一步抑制。

本文的不足在于模型中假体周围是水，而人体中假体周围组织结构复杂，包括骨组织、软组织、血管等。作为研究对象的水箱不能完全反映人体情况。尽管光子能量越高金属伪影程度就轻，但过高的光子能量水平会降低软组织间对比度，不利于对假体周围结构的观察。有研究表明，中等能量水平如70～90 keV较140 keV更有利于对软组织的观察[13-14]。因此，较高的光子能量水平不是最佳选择。在实际工作中需要综合考虑金属伪影、软组织对比度等因素，根据不同解剖部位、不同金属材质及大小适当选择光子能量。

总之，双能量CT扫描获得的单色谱图像，结合MAR算法可有效抑制金属伪影的影响，改善CT图像质量，为假体植入术后疗效评价提供更可靠的影像信息。