能谱CT在钛笼椎间植骨融合评估中的应用研究

孙才渊，王凤丹，张燕，薛华丹，金征宇

随着骨科技术的快速发展，越来越多脊柱侧弯、脊柱结核、脊柱骨折、脊柱退行性变及骨肿瘤等患者接受内固定手术。钛笼具有良好的生物相容性和力学属性[1]，内置长度可根据手术中病灶范围以及正常椎体高度适当截取，植骨颗粒可通过钛笼网眼与骨床融合，减少手术后矫正角度的偏移及前路钢板所受到的剪切力，因此钛笼在脊柱截骨融合术中得到越来越广泛的应用[2]。

金属内固定物仅能提供短期支持，长期的脊柱力学稳定性需要椎间植骨自身骨桥融合支持。由此，准确判断钛笼椎间植骨融合情况对于患者的随访及预后有着重要意义。X线是重叠影像，无法显示植骨细节，普通CT扫描因螺钉、钛笼等内固定物金属伪影的存在严重影响对椎间植骨融合情况的观察和评估。近年来国内外研究者在不断探索去除CT金属伪影的方法。曾宪春等[3]、潘自兵等[4]报道GE宝石能谱CT扫描可在一次双能扫描中重建出不同能量级单能图像，可有效去除人工髋关节等大型金属植入物产生的金属伪影。国内钱玲玲等[5]使用Siemens炫速双源CT的单能谱技术可降低脊柱金属内固定术后产生的线束硬化伪影，有助于医师观察骨折愈合情况。李燕等[6]使用飞利浦骨去金属伪影技术(orthopedic mental artifact reduction，O-MAR)证明O-MAR可明显减少脊柱内固定物金属伪影的同时会对周围组织产生影响，导致图像失真。

对于脊柱钛笼植骨融合术后患者，能谱CT是否能提高图像信噪比、减少金属伪影，从而有助清晰显示和观察椎间植骨融合情况，这方面的研究尚缺乏，因此本研究中应用能谱CT扫描，通过对单能图像与常规混合能量CT图像的比较，探讨能谱CT在钛笼椎间植骨融合评估中的应用价值。

材料与方法

1.一般资料

本研究为前瞻性研究，搜集2013年11月-2015年12月北京协和医院骨科门诊及住院的钛笼椎间植骨融合术后患者，骨科医师临床判断需要行CT检查者，经患者及家属签署知情同意书后，进行能谱CT扫描。共计28例钛笼椎间植骨融合术后患者行去金属伪影CT及三维重建检查，其中钛笼位于脊柱颈段1例，颈胸段3例，胸段7例，胸腰段9例，腰段8例。男16例，女12例，年龄3～66岁，平均23.6岁。

2.CT扫描参数

采用GE宝石能谱64排Discovery CT 750 HD，宝石能谱成像(Gemstone Spectral Imaging，GSI)扫描参数：管电压80～140 kVp瞬时切换，切换时间为0.5 ms，管电流550 mA，层厚0.625 mm，螺距0.984：1，球管旋转速度为0.8 s/r。

3.图像处理

扫描后获得常规混合能量图像(Mixed组)及单能量图像(110 keV，GSI组)。骨窗窗宽2000 HU，窗位500 HU；软组织窗宽350 HU，窗位40 HU。在后处理工作站(GE Volume Share ADW4.6)分别将Mixed图像和GSI图像进行矢状面、冠状面重建。对同一患者中无伪影层面进行信号值、噪声、信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)测量，其中信号值为无金属伪影层面中较均匀肌肉的CT值(CT muscle)，噪声(standard deviation，SD)为同层面皮下脂肪中相同范围皮下脂肪CT值标准差(SD fat)，SNR为CT muscle/SD fat比值(图1)。再由两位不同年资放射科医师(Reader 1，11年骨骼肌肉系统影像诊断经验；Reader 2，5年一般影像诊断经验)独立对每位患者钛笼层面的Mixed图像及GSI图像进行主观评分，评分内容包括三部分：伪影大小、钛笼内植骨显示清晰程度、钛笼内植骨融合情况。其中伪影大小及钛笼内植骨显示清晰程度为5分法[7]。伪影大小评分标准：1分，图像无伪影，图像质量好；2分，图像有较少条状伪影，图像质量较好；3分，图像有部分条状伪影，不影响诊断；4分，图像有较多条状伪影，影响诊断；5分，图像有严重伪影，无法诊断。植骨显示清晰程度评分标准：1分为植骨完全清晰，图像质量好；2分为植骨较清晰，不影响评价；3分为植骨轻微影响评价；4分为植骨严重影响评价；5分为植骨无法评价。钛笼内植骨融合情况根据Brantigan-Steffee-Fraser(BSF)分级法进行分级，为3分法[8-9]：1分为植骨吸收，钛笼移位变形、结构塌陷，内固定器断裂，植骨或钛笼周围有松动；2分为植骨部分融合，周围有透亮线，植骨与椎体终板有骨桥形成；3分为植骨完全融合，至少1/2植骨有骨桥形成。

4.统计学分析

采用SPSS 18.0对所获数据进行统计学分析。计数资料(噪声、信噪比)采用配对样本t检验；计量资料(主观评分)采用Wilcoxon秩和检验，以P<0.05为差异具有统计学意义。采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)评估两位评分者评分一致性：ICC 0.61～0.80，一致性好；ICC 0.81～1.00，一致性非常好[10]。

结 果

1.两位评分者对图像评分进行一致性检验

Mixed组伪影大小、植骨显示清晰程度、植骨融合ICC值分别为0.81、0.91、1.00，GSI组伪影大小、植骨显示清晰程度、植骨融合评分ICC值分别为0.681、0.641、0.955，两位评分者对两组图像评分一致性好，其中两位评分者对Mixed组伪影大小、植骨显示清晰程度、植骨融合及GSI组植骨融合评分一致性非常好。

2.客观指标

GSI组图像噪声值11.17±2.27，Mixed组图像噪声值16.31±3.31，两组差异有统计学意义(t=15.292，P<0.001)。GSI组图像SNR为4.64±1.03，Mixed组图像SNR为3.81±0.93，两组差异有统计学意义(t=-7.749，P<0.001)。

图1 a)Mixed图像信号值与噪声值测量；b)GSI图像信号值与噪声值测量。 CTmuscle为均匀肌肉CT值 ；SD fat为脂肪标准差。 图2 a)Mixed图像中钛笼、螺钉周围大量放射状伪影，周围透亮线存在，钛笼内植骨与椎体终板骨桥形成，BSF分级为2分；b)GSI图像中钛笼、螺钉周围放射状伪影显著减少，周围透亮线存在，钛笼内植骨与椎体终板骨桥形成，BSF分级为2分。 图3 男，8岁，T11～T12间半椎体切除+椎体间钛笼植入。a)Mixed图像钛笼内植骨周围透亮线(箭)，植骨融合评分为2分；b)GSI图像钛笼内植骨无透亮线，植骨融合评分为3分。 图4 男，4岁，T12～L1椎体间钛笼植入。a)Mixed图像中植骨周围透亮线(箭)，植骨与椎板骨桥形成，植骨融合评分为2分；b)GSI图像中植骨周围无透亮线，植骨与终板骨桥形成，植骨融合评分为3分。

3.主观评分

Reader 1对Mixed组伪影大小评分为4.32±0.61，对GSI组伪影大小评分为3.00±0.67，两组评分差异有统计学意义(Z=-4.876，P<0.001)；Reader 2对Mixed组伪影大小评分为4.11±0.63，对GSI组伪影大小评分2.75±0.65，两组评分差异有统计学意义(Z=-4.818，P<0.001)。Reader 1对Mixed组植骨显示清晰程度评分为3.46±0.51，对GSI组植骨显示清晰程度评分为2.61±0.63，两组评分差异有统计学意义(Z=-4.707，P<0.001)；Reader 2对Mixed组植骨显示清晰程度评分为3.43±0.63，对GSI组植骨显示清晰程度评分为2.46±0.64，两组评分差异有统计学意义(Z=-4.508，P<0.001)。Reader 1对Mixed组植骨融合评分为2.00±0.90，对GSI组植骨融合评分为2.18±0.90，两组差异没有统计学意义(Z=-1.633，P=0.102>0.05)；Reader 2对Mixed组植骨融合评分为2.00±0.90，对GSI组植骨融合评分2.11±0.92，两组差异没有统计学意义(Z=-1.342，P=0.180>0.05)，见表1。

表1 Mixed组和GSI组主观评分比较

Mixed图像中钛笼、螺钉周围可见大量放射状伪影，钛笼内植骨部分融合，与邻近椎体终板骨桥形成，周围有透亮线，BSF分级为2分(图2a)；GSI图像中钛笼、螺钉周围放射伪影显著减少，钛笼内植骨与邻近椎体终板骨桥形成，BSF分级为2分(图2b)。有两名患者的BSF在Mixed图像和GSI图像中不一致，分别为患者1(男，8岁，T11～T12间半椎体切除+椎体间钛笼植入，图3)和患者2(男，4岁，T12～L1椎体间钛笼植入，图4)，Mixed图像中BSF分级为2分，GSI图像中BSF分级为3分。

讨 论

近年来相关研究报道宝石能谱CT在减少金属伪影的临床应用价值[11-13]，因此可进一步探讨能谱CT在钛笼椎间植骨融合评估中的应用价值。

有相关研究认为高能级射线丢失低能级电子信息，提高背景噪声，从而降低SNR[6]。另有研究者已经证明在能谱CT扫描中，GSI可减少来自脊柱螺钉、钛板、大型髋关节假体等内固定物产生的金属伪影[12-13]。宝石能谱CT利用能谱曲线可快速有效获得单能量图像，在高电压区可有效减少金属植入物伪影[15-16]，最佳能量成像区间为100～120 keV。吴建国等[16]研究报道单源能谱CT成像能量级升高到一定程度(130 keV以上)，对应图像的SNR随之减小，图像质量下降，因此本研究采用110 keV能量级进行GSI扫描，对Mixed组和GSI组图像中噪声值、SNR进行测量，结果显示GSI组较Mixed组噪声值降低，SNR增加，且差异有统计学意义(P<0.05)，证明110 keV能谱成像能有效降低噪声，提高SNR。

近年来国内外报道显示能谱CT成像能够有效减少骨科内固定物相关金属伪影，使金属内固定术后细微结构显示更为清晰[17]。本研究中两位评分者对Mixed组和GSI组伪影大小、植骨显示清晰程度评分差异有统计学意义(P<0.001)。Mixed图像中钛笼、螺钉、植骨周围见大量放射状伪影，钛笼内植骨受伪影影响使得阅片者无法作出准确判断，GSI图像中放射状伪影显著减少，钛笼、螺钉边缘以及植骨内结构清晰可见，阅片者能作出准确评估。阅片者对两组图像的评分差异有统计学意义，表明能谱CT可有效减少钛笼椎间植骨中的伪影，使钛笼内椎间植骨显示更为清晰。

以往文献中对脊柱钛笼植骨融合术后研究尚缺乏，仅王俊波等[18]使用双源CT探讨颈椎钛网植骨融合术后的应用价值，文中未对植骨融合状态分级做详细统计学分析。本研究结果显示Mixed图像和GSI图像的植骨融合BSF分级评分差异没有统计学意义，Mixed图像中钛笼、螺钉周围存在大量放射状伪影，钛笼内植骨有融合，与邻近椎体终板骨桥形成，植骨周围有透亮线。与Mixed图像相比，GSI图像中钛笼、螺钉周围放射伪影显著减少，但钛笼内未见更多植骨融合，故BSF分级无变化，说明GSI图像减少金属伪影，对BSF分级无影响。值得注意的是本研究中有2名患者BSF分级在两组图像中发生变化，Mixed图像中金属伪影影响对骨桥的观察，植骨周围显示为透亮线，GSI图像减少钛笼内植骨中的伪影，周围无透亮线存在，清晰显示骨桥及更多植骨融合的存在，使得患者BSF分级发生变化，GSI技术对钛笼内植骨融合BSF分级评估可能有一定的临床意义，有进一步研究的价值。

本研究的局限性：①本研究样本量较小，一共28例入组患者，待样本量充足后可进一步验证；②本研究参照其他研究报道的去除骨关节金属伪影最佳能量级110 keV，没有使用其他能量级图像作为对比，在钛笼植骨融合CT评估中110 keV是否为最佳能级还需进一步验证，同时本研究中患者术中所使用的内固定器型号与伪影的关系亦不明确；③本研究没有评估患者临床融合的情况，无法使用手术探查(金标准)与CT的BSF分级进行对照，未来可与骨科医师合作进一步论证植骨影像学融合与临床融合的关系。

综上所述，GSI能降低CT图像噪声，提高CT图像信噪比，减少金属伪影，使钛笼内植骨显示更清晰，从而对钛笼椎间融合情况的评估更为准确可靠。