去金属伪影技术联合第四代迭代重建技术在腰椎内固定术后的应用价值

腰椎内固定术后，影像学检查成为准确定位植入物位置、判断有无并发症，以及后期随访观察疗效的主要方法。结合CT 的影像学评估方法逐渐成为检验螺钉位置的金标准[1～3]。由于金属螺钉具有高衰减的特点，常规CT图像常表现为亮暗条纹，严重影响对螺钉周围结构的观察和术后效果的评估。自CT 发明以来，为了抑制金属伪影，人们提出了多种方法，并取得了不同程度的成功[4～7]。去金属伪影技术（Orthopedic metal artifact reduction，O-MAR）是飞利浦医疗公司生产的一种商用产品，它通过一种稳健而有效的算法来减少CT图像中金属伪影。本次研究旨在探讨飞利浦Brilliance iCT 256 O-MAR技术联合第四代迭代重建技术（The fourth generation iterative reconstruction technology，iDose4）在腰椎内固定术后的应用价值。

1 材料与方法

1.1 临床资料收集2020年6～10月我院腰椎椎弓根螺钉内固定术后拟行腰椎CT检查的患者32例，其中男16例，女16例，年龄35～68岁，平均（51.53±10.51）岁。本研究通过本院伦理委员会批准，研究未额外增加受检者辐射剂量，无伦理学争议，所有受检患者无需额外签署知情同意书。

1.2 扫描方案采用飞利浦Brilliance iCT 256层螺旋CT 扫描。患者取仰卧位，双臂上举。扫描范围包括全部腰椎椎体。参数设置：准直宽度128mm×0.625mm；层厚3mm；管电压120kV；管电流采用固定噪声指数（Noise index，NI）为23 的自动管电流调制技术；矩阵512×512；螺距0.925；球管转速0.4r/s；同时应用iDose4 技术，迭代水平Level=3，进行图像重建。在常规腰椎扫描参数中勾选O-MAR 选项，单次扫描可同时得到O-MAR技术处理前后图像数据。均由同一技师进行扫描操作完成，扫描所得图像于后处理工作站留存。

1.3 图像质量评价

1.3.1 图像主观评价 将图像传输至后处理工作站，将O-MAR技术处理前后得到的薄层图像进行多平面重建（MPR）和容积再现（VR）后处理。隐藏扫描参数信息。骨窗的窗宽2 000HU、窗位800HU；软组织窗宽500HU、窗位60HU。由两位高级职称医师对O-MAR技术处理前后的影像横断面、冠状面及矢状面图像进行主观影像质量评价。取靠近金属螺钉即受金属伪影影响最大的层面进行评价，评价内容包括螺钉周围软组织、金属与骨质界面的软组织、椎间盘、椎弓根和椎体。评分标准参考Gondim 等[8]的研究：1分为伪影很重且无法辨认正常结构；2分为辨认结构比较困难；3分为能辨认结构，但信心较低；4分为能辨认结构，信心中等；5分为能辨认结构，信心较高。两名医师意见不统一时通过讨论取得一致意见。

1.3.2 图像客观评价

1.3.2.1 CT值及SD值测量 在O-MAR技术处理前后伪影最重层面取3个ROI点及对照区域1个ROI点共4个感兴趣区分别测量其CT及SD，其中ROI 1为低密度金属伪影最严重（即密度最低）区域软组织处，ROI 2为螺钉长轴中心处，ROI 3为受伪影影响右侧腰大肌处，ROI 4 为受伪影影响最小软组织区域（即对照区域），以标准差SD代表图像的噪声，每个ROI均测量3次取平均值，ROI面积50～60mm2，测量时两组图像感兴趣区的位置和大小尽量一致。

1.3.2.2 伪影指数（Artifact index，AI）的计算 在很多情况下，消除背景噪声的偏差比严格使用测量的SD较非O-MAR 和O-MAR 图像更为准确。一个更恰当的评估涉及到一个原则：即由伪影引起的噪声由以下指标控制[9]：AI 用于定量描述金属伪影的严重程度，其中，SDa是存在伪影的测量噪声，SDb是背景噪声。在本研究中，SDa分别取ROI 1、ROI 2、ROI 3 所 测得CT的SD均值，SDb 取ROI 4 所测得CT的SD。

1.4 统计学方法应用SPSS 26.0 软件对数据进行统计学分析。分别对O-MAR技术处理前后2组图像的不同评价项目进行配对样本t检验，包括影像质量评分、4个ROI 的CT、SD、AI，以P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 客观评价结果

2.1.1 CT的比较 去伪影后ROI 1的CT大于去伪影前（P<0.05）；去伪影后ROI 2 和ROI 3 的CT值小于去伪影前（P<0.05）；ROI 4 的CT在去伪影前后差异无统计学意义（P>0.05）。见表1。

2.1.2 SD的比较 去伪影后ROI 1 和ROI 3 的SD值均小于去伪影前（P<0.05）；去伪影后ROI 2的SD大于去伪影前（P<0.05）；ROI 4 的SD在去伪影前后差异无统计学意义（P>0.05）。见表2。

2.1.3 AI的比较 去伪影后ROI 1 和ROI 3 的AI值均小于去伪影前（P<0.05）；去伪影后ROI 2的AI值大于去伪影前（P<0.05）。见表3。

表1 O-MAR 处理前后各ROI 的CT（±s，HU）

表1 O-MAR 处理前后各ROI 的CT（±s，HU）

图像 ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 O-MAR 处理前 -350.991±157.88 3020.991±73.04 96.606±54.54 42.59±22.21 O-MAR 处理后 -61.603±54.35 2993.325±118.53 67.831±38.52 40.18±15.71 t-11.175 3.033 3.846 0.250 P 0.000 0.005 0.001 0.619

表2 O-MAR 处理前后各ROI 的SD（±s，HU）

表2 O-MAR 处理前后各ROI 的SD（±s，HU）

图像 ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 O-MAR 处理前 79.366±51.06 57.122±72.33 27.334±21.15 10.706±2.93 O-MAR 处理后 31.475±15.54 92.194±126.62 17.291±4.26 10.884±2.81 t 5.920 -3.015 2.748 -0.416 P 0.000 0.005 0.010 0.680

表3 O-MAR 处理前后各ROI 的AI（±s）

表3 O-MAR 处理前后各ROI 的AI（±s）

图像 ROI 1 ROI 2 ROI 3 O-MAR 处理前 78.263±51.59 55.049±73.43 24.085±22.18 O-MAR 处理后 28.455±17.31 90.450±126.94 12.855±5.57 t 6.139 -3.051 2.919 P 0.000 0.005 0.006

2.2 主观评价结果螺钉周围软组织、金属与骨质界面软组织及椎弓根显示方面，去伪影后的图像评分明显高于去伪影前，差异均有统计学意义（P<0.05）；去伪影后椎体及椎间盘显示的图像评分低于去伪影前，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表4。

表4 O-MAR 处理前后影像质量评分（±s）

表4 O-MAR 处理前后影像质量评分（±s）

图像 软组织 金属与骨质界面 椎间盘 椎弓根 椎体O-MAR 处理前 2.76±1.110 2.25±0.718 3.88±1.431 2.31±1.176 3.34±0.937 O-MAR 处理后 4.13±1.078 3.38±0.492 2.63±1.408 3.69±0.965 2.13±0.178 t-3.548 -8.024 4.774 4.684 5.693 P 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000

图1 椎弓根内固定术后CT图像

2.3 典型病例患者，女，39岁，椎弓根内固定术后CT图像见图1A～F。图1中A、B、C 为O-MAR技术处理前图像，金属螺钉周围软组织受高密度及低密度伪影影响难以观察，受高密度伪影影响较重的右侧腰大肌所测得的CT约134.2HU，螺钉与周围骨质界面显示不清；图1中D、E、F 为O-MAR技术处理后图像，高密度及低密度伪影均明显减轻，右侧腰大肌所测得的CT约68.1HU，CT更接近于腰大肌真实CT，同时螺钉与周围骨质界面显示清楚。

3 讨论

近年来，椎弓根螺钉内固定术因其较好的生物力学强度和性能，以及多种内固定形式成为腰椎稳定手术的主要技术[10]。椎弓根螺钉内固定技术具有很多优势，如：矫正脊柱畸形、降低固定失效和骨不连的发生率[11]。因此，椎弓根螺钉内固定术已广泛应用于骨折、肿瘤、退行性疾病等引起的一系列腰椎疾病的治疗中[12，13]。由于植入的金属螺钉具有高衰减的特点，当X 射线通过金属螺钉时，探测器处的光子通量很低，探测器因“缺乏”光子，不会产生信号，从而在重建过程中导致错误的计算，即使探测器接收到足够的光子，但由于金属的高衰减，量子噪声也比不通过金属的投影要高得多，这些噪声投影会在CT图像中产生条纹，同样影响我们对金属螺钉植入是否在位，有无松动、断裂，有无继发感染及对邻近关键结构有无压迫等的观察与判断。通常金属植入物产生伪影的原因主要是吸收低能量光子导致射线束硬化伪影、完全吸收光子导致光子饥饿效应以及散射伪影[14，15]，金属伪影遮挡金属周围重要组织器官，不同程度地影响了对断层结构的判断，使图像质量严重下降，干扰临床诊治。为了减少金属螺钉所造成的金属伪影，近年大量研究分别从不同角度提出不同的方法和理论来减少金属伪影[14，15]，O-MAR技术也因此应运而生。

本研究所使用的O-MAR技术实现的关键是从原始输入图像中减去输出校正图像的迭代循环，使图像生成新的输入图像，并且可以重复处理。该技术的第一步是设置输入图像的阈值，以创建仅含金属的图像；仅含金属的图像由设置为零的所有像素组成，但归类为金属的像素除外。如果图像中不存在大的金属像素簇，则不进行进一步处理，因此，O-MAR技术对非金属图像没有影响。然后将输入图像分割为组织像素和非组织像素来创建组织分类图像，Hounsefield 单位（HU）范围内接近0 的所有像素都被归类为组织，对金属、组织分类和输入图像进行反复对比迭代运算，最终将金属伪影对应的投影数据从原始数据中剔除，从而达到减少金属伪影的效果[16]。临床工作中，操作者通过CT图像采集控制台上的一个简单复选框来调用O-MAR 功能，当选择O-MAR 时，系统将执行O-MAR 算法来处理原始数据，系统除了对O-MAR 处理后的图像进行重建和存储外，还会对未经校正的图像进行重建和存储。因此医生可将O-MAR 图像与常规数据集进行比较。

本研究可见在低密度金属伪影最严重（即密度最低处）的软组织区域（ROI 1），经O-MAR技术处理后CT为（-61.603±54.35）HU，明显大于O-MAR技术处理前的（-350.991±157.88）HU，更接近于正常组织的CT，同时，该区域噪声值也显著降低，O-MAR技术处理后SD较O-MAR技术处理前SD下降了60.34%，AI下降63.64%，差异均有统计学意义（P<0.05）；在高密度金属伪影区（ROI 2、ROI 3），CT明显降低（P<0.05），受高密度伪影影响较重的右侧腰大肌（ROI 3）经O-MAR技术处理后的CT（67.831±38.52）HU，更接近正常腰大肌的CT。另外，O-MAR技术处理前后同层面受伪影影响最小的软组织区域（ROI 4）的CT及SD的差异无统计学意义（P>0.05），表明O-MAR技术对非金属图像没有影响，正常组织影像得到充分保留。在螺钉周围软组织、金属与骨质界面软组织及椎弓根显示方面，去伪影后的图像评分明显高于去伪影前（P<0.05），这对金属螺钉植入是否在位，有无继发感染及对邻近组织结构病变的观察等具有极大帮助；而在椎体及椎间盘显示方面，去伪影后的图像评分低于去伪影前（P<0.05），因此临床医生有必要将O-MAR技术处理前的图像与O-MAR 处理后的图像一起观察，以获得最确切诊断。

尽管使用O-MAR技术处理后，并没有完全消除金属螺钉所带来的金属伪影，但它能够减少其对CT图像的影响，从而显著提高图像的诊断质量。参照结果中所述39岁女性患者的椎弓根内固定采用O-MAR技术处理前后的图像发现，即使在存在严重金属伪影的情况下，O-MAR技术也能显著改善图像质量，在O-MAR技术处理前的图像上，金属螺钉周围软组织受高密度及低密度伪影影响难以观察，受高密度伪影影响较重的右侧腰大肌所测得的CT约134.2HU，明显高于正常腰大肌的CT，且螺钉与周围骨质界面软组织显示不清；而O-MAR技术处理后的图像上，高密度及低密度伪影均明显减轻，右腰大肌所测得的CT约68.1HU，更接近正常腰大肌CT，同时螺钉与周围骨质界面显示清楚。我们在实验中发现，在O-MAR技术处理后的图像中，接近螺钉的骨骼会发生轻微或较严重的退化，这与以往研究结果一致[17，18]，这可能与O-MAR技术复杂的处理程序有关，由于使用O-MAR技术可能会导致图像中出现异常，因此临床医生有必要将去伪影前和去伪影后两组图像进行综合分析。

综上所述，应用O-MAR技术联合iDose4 技术可以减轻腰椎椎弓根内固定术后金属螺钉引起的金属伪影，有助于准确地观察螺钉的位置及周围的组织结构，对腰椎内固定术后的评估具有较大的应用价值。