新双源双能量CT单能谱成像技术在老年腰椎金属内固定术后的应用

李嘉鹏 贾玉柱 曹玉林

[摘要] 目的 探讨新双源双能量CT单能谱成像及后處理技术在老年腰椎金属内固定术后评估的临床应用价值。 方法 回顾性分析经浙江省立同德医院诊断治疗的48例老年腰椎压缩性骨折内固定的患者，经新双源双能量CT检测后，数据进行后处理获得50、80、110、140、170 keV不同能谱的图像，由2名副主任医师以上的放射科医师在后处理系统里采用双盲法对上述5组图像和120 kV融合图像的图像质量和伪影进行独立评估，并进行评分，评分采用4分制的评分标准，按照金属固定物外形、位置及相邻骨组织解剖细节显示清楚程度和有无伪影，从4分到1分逐渐递减。对不同的重建方法产生的图像质量和伪影大小的数据，采用kruskal-Wallis秩和检验对图像进行统计分析。 结果 两位医师评价图像质量进行一致性检验的结果显示，两位医师的一致性非常强（Kappa=0.872）。新双源双能量CT成像的单能量技术在80 keV条件以上均可提供较好的图像质量，特别110 keV时图像质量达到最佳效果，3分达36例，4分4例和8例2分，与其他keV条件下比较，差异有统计学意义（χ2=87.637，P=0.003）。 结论 新双源双能量CT单能谱成像技术在减少金属伪影并提高图像质量中有明显优势，能提高老年腰椎金属内固定术后的影像质量，在110 keV时图像效果最佳，对脊柱外科的临床工作有很好的指导作用，值得进一步推广。

[关键词] 体层摄影术;X线计算机;双源CT;骨折内固定

[中图分类号] R814.42          [文献标识码] B          [文章编号] 1673-9701（2020）35-0116-04

[Abstract] Objective To explore the clinical value of new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT and post-processing technology in elderly patients with lumbar spinal metal internal fixation. Methods A total of 48 elderly patients with internal fixation of lumbar vertebral compression fractures diagnosed and treated in Litongde Hospital in Zhejiang Province were retrospectively analyzed. After detected by new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT ， the data were processed to obtain 50， 80， 110， 140， and 170 kev images of different energy spectrums. The quality and artifacts of the five groups of images and the 120 kV fusion image were independently evaluated and scored by two radiologists titled associate chief physician or above in the post-processing system using double-blind methods. The scoring system was based on the shape， location， clarity degree of anatomical details of the adjacent bone tissue and the presence or absence of artifacts and adopted a 4-point scale， which gradually decreased from 4 to 1 point. The kruskal-Wallis rank sum test was used to analyze the image quality. Results The consistency of the two physicians in evaluating the image quality was rather high（Kappa=0.872）. The new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT can provide better image quality under the condition of above 80 keV， and the image quality reached the best at 110 keV; there were 36 cases with 3 points， 4 cases with 4 points， and 8 cases with 2 points; compared with other keV conditions， the difference was statistically significant（χ2=87.637， P=0.003）. Conclusion The new dual-source monoenergetic imaging of dual energy CT has significant advantages in reducing metal artifacts and improving image quality， and can improve the image quality of elderly lumbar spine after metal internal fixation. The image quality is best at 110 keV. It has a good guiding value on the clinical work of spine surgery and deserves further promotion.

[Key words] Tomography; X-ray computer; Dual-source CT; Fracture internal fixation

由于骨伤科金属内固定器械的迅速发展和广泛应用，影像检查成为术后内固定复查的常规检查[1]。普通X线由于缺少对内固定及周围结构的细微显示，已经不能满足临床对金属内固定物的评价[2-3]。但是由于金属内固定影响磁场均匀性，MRI检查时产生的伪影无法分辨内固定及其周围结构的图像质量[4]。因此CT成为骨伤科术后复查及评估预后的重要检查之一[5]。特别是老年人，由于腰椎普遍骨质稀疏，骨密度降低，腰椎内固定手术，再由于腹部脏器与腰椎重叠，X线检查不能精确显示腰椎内固定器的位置与周围结果的关系，腰椎术后CT检查尤为重要。令人遗憾的是普通CT甚至多层螺旋CT的金属伪影一直是诊断图像评估的一个重大限制条件[6]。近年来，国内外报道指出，双源CT能有效消除金属内固定伪影，对图像质量提高有一定作用[7]。本研究进一步探讨新双源双能量CT单能谱成像在消除腰椎金属内固定伪影的应用，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集本院2015年9月～2018年9月腰椎压缩性骨折内固定植入术后患者48例，男32例，女16例，年龄68～76岁，平均（67.5±8.2）岁，排除腰椎原发性肿瘤及腰椎转移瘤者，所有患者术后复查均经双源双能量CT腰椎扫描。

1.2 方法

采用德国西门子第二代炫速双源CT机（SOMATOM Definition FLash），所有評估的患者均在这一设备下评估。扫描前注意要去除患者衣物上防止伪影产生的金属物件，患者仰卧于检查床上，双手上举或放置胸口，防止上臂的骨性干扰。按照扫描步骤首先进行常规定位像的扫描，然后启动双能量扫描模式，方向采用头足侧扫描，范围的选取按照常规扫描范围，但注意要包括整个金属内固定物，而且必须要超出内固定物上下3 cm以上才能结束。

双源双能量CT的椎体双能量扫描参数如下：A球管电压为140 kV，参考管电流为58 mAs;B球管电压为100 kV，管电流为185 mAs，扫描前开启实时动态曝光剂量调节器CARE Dose 4D，扫描准直器0.6 mm×128 mm，扫描管球的旋转速度为0.5 s/圈，螺距采用0.6，两个管球的FOV如下：A管50 cm×50 cm，B管33 cm×33 cm，两个X球管夹角保持94°不变。扫描后计算机自动重建得到3组图像数据，分别为140、100和120 kV线性融合图像的图像数据，层厚1.0 mm、间距1.0 mm。

双能量140和100 kV图像数据调入Siemens图像工作站Dual-Energy软件中，利用单能谱成像（Monoenergenic）技术，提取50、80、110、140、170 keV图像进行去伪影处理，层厚重建成0.6 cm，然后在inspace后处理软件中进行多平面重建技术（MPR）、最大密度投影（MIP）和容积显示（VR）。

1.3 图像评价

图像由2名副主任医师以上专门从事骨关节研究的放射科医师在后处理系统里独立进行图像分析，采用双盲法对图像质量和伪影进行评估。评分按照金属固定物外形、位置及相邻骨组织解剖细节显示清楚程度和有无伪影状从4分到1分。4分：金属内固定物位置及骨折处解剖细节显示清楚，无伪影存在;3分：金属内固定物位置及骨折处解剖细节显示一般，不影响诊断;2分：金属内固定物位置及骨折处解剖细节显示不清，影响诊断;1分：金属伪影明显，骨折处解剖结构不能观察[8]。

1.4 统计学方法

采用SPSS19.0统计学软件对数据进行处理，不同的重建方法产生的图像质量和伪影大小的数据，采用kruskal-Wallis秩和检验。利用Kappa检验评估2名医师对图像质量评价的一致性，0.75≤k<1.00时，表示一致性较好;0.40≤k<0.75时，表明一致性一般;k<0.40时，表明一致性差。

2 结果

表1列举了不同keV条件下及用于常规诊断的融合图像120 kV的图像质量的比较以及应用秩和检验后对应的秩次值。对两位医师评价图像质量进行一致性检验的结果显示，两位医师间的一致性非常强（Kappa值=0.872）。从表1可以看出新双源双能量CT成像的单能量技术在80 keV条件以上均可提供较好的图像质量（图1～3），特别110 keV时图像质量达到最佳效果，3分达36例，4分4例和2分8例，与其他keV条件下比较，差异有统计学意义（χ2=87.637，P=0.003）。

3 讨论

腰椎由于其特殊部位金属内固定术后，普通X线难以分辨内固定器状态、骨折愈合情况及并发症发生状况，常需要通过CT来明确诊断[9]。且高密度的金属物质在X投射后的大量衰减，导致内固定放射状伪影，以至于周围结构无法分辨。特别是老年人，由于骨质密度普遍降低，骨小梁稀疏，往往内固定术的金属伪影严重影响腰椎的术后观察。然而双源双能量CT产生以前都是以混合能量的CT设计，难以降低金属周围结构显示的清晰度。今年双源双能量技术的CT应用为金属内固定放射伪影带来了福音，并成为研究的热点[10]。

双源CT（DSCT）配备了两套X线球管和与之相匹配的探测器。两个球管分别采用与之相匹配的管电压和管电流独立运行，两个探测器可通过衰减的X线采集到不组织器官两套数据[11]。即使100 kV和140 kV的X线对同一组织进行扫描时X线衰减也会得出不同的数据。双源CT单能谱技术根据X线的此种特性，利用2个不同能量的X线管及探测器所产生的数据通过傅里叶变换后得到不同keV下的单能图像[12]。双源CT双能量单能谱成像技术是双能量CT成像最新发展中的一项技术[13]。CT球管工作是无法制作出单一能量光子的X线，经常发射不同能级的X线光子，而X线光子通过物质时往往会产生两种衰减—康普顿散射和光电效应[14]。原子序数较低的元素对X线的衰减主要是康普顿散射，如氢原子、氧原子、碳原子等;原子序数较高的，如钙离子、碘离子等产生的主要是光电效应[15]。X线光子通过衰减值高的物质会较多的吸收低能量的X线光子，高能量的X线光子会穿透过去。这样X线穿透不同物质时会产生射线硬化伪影和金属伪影。单能谱成像技术可以在双能量扫描后经过计算机处理，计算机可以虚拟运算出物质在各个单能级水平的CT值，从而生成虚拟的单能谱图像和能谱曲线[16]。双源CT双能量成像就是利用双能量CT扫描的基物质分离原理计算出任意X线能级下的单能谱图像，从而实现单能谱成像。其可以实现多个参数算法和定量的物质分析。双能量CT扫描单能谱成像依据不同的物质在X线通过情况下的两种衰减，产生不同的衰减吸收系数，从而产生了不同X线能量水平的单能谱图像，通过选取不同的能量值，可以得到图像的最佳对比度[17]。对于机体的生理和病理特征，得到组织器官的单能量衰减曲线。通过单能谱重建技术，可选择范围为40～190 keV，可以进行任意整数的选择，同时观察处理效果[18]。通过对keV的调整选择合适的keV达到图像伪影和噪声最小，以满足临床的诊断需求[19]。二代双源CT由于X线球管输出能量提高、扫描视野扩大以及使用了能谱纯化技术等使得图像质量得到了提高，其噪声较一代双源CT有所下降[20]。能谱纯化技术的设计不但采用超高敏感度的探测器，同时配合CARE Dose4D软件，使得球管的管电流根据患者的体重、体表面积、身高等因素自动调节，达到图像质优而又减少患者的辐射剂量，并且二代双源CT还可以自动调节，减少X线中的无效低能成分[21]。本研究发现，最佳的腰椎keV在110 keV，此keV下图像噪声与金属伪影达到比较满意的效果，与文献报道基本一致[22]。

本研究的局限性在于樣本数量较少，样本组成过于单一，对统计结果可能会有一定影响。评分系统的评分标准，人为因素占主导作用，可能对结果产生影响。另外对双源CT双能量扫描的剂量没有统计，以后在减少辐射剂量方面需进行进一步的研究。

综上所述，第二代新双源双能量CT单能谱成像扫描技术能够减低腰椎内固定的金属伪影，更好的显示腰椎金属固定物的细微结构，可消除线束硬化伪影对图像质量的影响，对脊柱外科的临床工作有很好的指导作用，值得进一步推广。

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（收稿日期：2020-07-30）