常规CT 成像、虚拟单能量成像、MARs技术去除金属植入物伪影的对比研究——人工全髋关节置换术后

包卫兵

（甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050）

全髋关节置换术（THR）是严重骨关节炎的有效治疗方式，由此产生的金属伪影（MA）是影响CT 图像质量的一个常见问题。在美国，全髋关节置换术（THR）每年应用于28 万多例患者，其中每年因松动、感染、脱位和溶骨性病变而需要修复的患者多达5 万例[1-4]。全髋关节置换术失效的早发现和早治疗需要可靠的影像学评价，但金属伪影会严重干扰假体及假体周围组织影像学评估[5]。此外，全髋关节置换术后的金属伪影还会干扰腹部盆腔结构的显示，特别是对肿瘤性疾病的分期评估[6]。本研究旨在评估常规临床实践中THR 患者使用能谱虚拟单能图像（Virtual monoenergetic imaging，VMI）技术和（Metal artifacts reduction software，Mars）技术的有效性，以及可适用于周围不同组织诊断评估的能谱重建标准。

1 资料与方法

1.1 研究对象

回顾性分析甘肃省中医院2018 年10 月-2020年12 月，27 例接受能谱CT 检查的THR 患者。34例患者中女性18 例，男性16 例，平均年龄75.6±8.1岁（54-88 岁）。双侧THR14 例，单侧THR20 例。本研究得到了甘肃省中医院伦理委员会的批准，伦理委员会同意放弃知情同意书的填写，受试者的CT 检查均符合临床指征。

1.2 检查及重建方法

CT 数据采集使用GE Revolution HD CT 扫描仪。扫描参数如下：（a）螺距：0.485,（b）准直：64x0.625 mm，（c）旋转时间：0.33 s，（d）管电流：＞116 mAs（剂量调制）,（e）管电压：120 kVp,（f）CT 剂量指数（CTDI）11.9 mGy,（g）重建层厚：2 mm。一次扫描得到常规CT 图像（CI）、MARs 技术重建图像及40～140kev 不同能量级水平的VMI 图像。使用GE 的ASIR-V(40%)迭代重建算法进行临床常规CT 图像重建。此外，使用金属伪影迭代重建算法（MARs）重建图像。虚拟单能图像重建在40～140 keV 下以20 keV 为增量进行客观评估，并在70 keV、110 keV、140 keV 下进行视觉评估。

1.3 客观评价

对轴位图像重建层厚2 mm，软组织窗窗位窗;宽分别是60mm、360mm，伪影宽度在THR 旁伪影最重区域测量（一般选取人工股骨头水平），同时在置换术内侧和外侧测量伪影宽度。测量ROI 区域的平均衰减密度（HU）和噪声（SD），ROI 区域的选择如图1 所示，分别在：（a）伪影最大区域;（b）邻近的臀大肌;（c）邻近耻骨（髋臼前柱）;（d）膀胱。在常规CT、VMI、MARs 图像中手动放置ROI 区域，保持相同大小、位置和层厚。CNR=（|CTlocation|-|CTfat||)/SQRT（SDlocation+SDfat)，对比噪声比（CNR）定义为目标ROI 区域的平均CT 值减去背景脂肪区域的平均CT 值，再除以两个ROI 区域的标准差之和开平方。客观评价由两位高年资放射科医生独立完成，最终结果取其平均值。

图1 客观测量指标ROI 区域的放置示例

1.4 主观评价

对于图像的主观评价应用以下参数：层厚2mm，轴位，软组织窗设置，允许评估人员手动调整窗位设置，特别是在评估骨骼情况的时候。窗宽窗位设置对骨的平滑度、keV 水平和伪影情况都有显著的影响，因此我们让评估者自行决定调整窗位。两位具有4 年和7 年肌骨影像学经验的放射科医生使用Likert 5 分量表法评估金属伪影消除情况：（1）无伪影；（2）较小的伪影；（3）中等伪影；（4）明显伪影；（5）大量金属伪影。骨盆器官、邻近臀大肌和邻近耻骨的视觉评估采用以下Likert 排序评分：（1）完全满足诊断质量；（2）可诊断不受微小条纹的影响；（3）微小伪影对可图像产生轻微影响；（4）诊断可解释性受限；（5）受伪影影响不能诊断。此外，有研究发现，对MARs 可能引入的额外的条纹伪影和图像失真模糊情况评分：（1）图像失真不存在；（2）轻微；（3）中等；（4）明显；（5）大量。对于视觉评估，我们选择了增量较大的重建级别，选取70keV 是因为70keV 的单能量图像最接近常规CT 图像；110 keV提供了足够的能级增加，以允许识别图像评估中的相关变化，并且不会通过重复（太）相似图像的评级来掩盖差异；140 keV 是设备可用的最高keV 值。

1.5 分析方法及统计学处理

使用SPSS 22.0 软件进行统计分析。定量结果用平均值±标准差（`X±SD）表示，定性结果显示为计数资料和百分比表示。数值变量比较使用秩和检验，例如对伪影和图像诊断质量的评价（因相关的非正态分布样本）。采用Fisher 双尾精确检验比较单侧和双侧THR 区别。统计学意义设为P＜0.05。

2 结果

2.1 常规CT 图像、不同能量级水平的VMI 图像及MARs 技术重建图像客观指标对比分析

THR 引起的最强伪影是THR 内侧和外侧的消光伪影。THR 内侧和外侧的消光伪影对比测量了衰减系数HU 和伪影宽度。基于ROI 的HU 测量，关于THR 内侧的消光伪影，在CI 成像时，显示平均CT值为-406.2±212.5HU，平均伪影宽度30.2±7.1mm。在VMI 成像时，平均CT 值随着keV 水平的升高而逐渐增加，直到140Kev 的-301.7±261.2HU（P＜0.05)，而伪影宽度显著降低至16.4±14.8mm（如图1、2 所示，见表1）。关于衰减系数和伪影宽度方面的最佳伪影消除能量级是140keV。与140keV 时的VMI 相比，MARs 重建有更强的伪影消除效果，衰减系数-115.8±101.5HU、伪影宽度16.4±14.8mm。

表1 金属伪影消除效果及周围组织结构的客观评价

在140 keV 的VMI 成像和MARs 重建比较时，5 名患者（16%）伪影宽度减少是可比的（小于5%的差异）。16 例患者（48%）在140keV 时MARs 伪影宽度减小优于VMI（差异大于5%）。在5 个病例中，140keV 的VMI 显示出比MARs 更好的伪影宽度减少（5%以上的差异）。两组比较，在140keV 时MARs和VMI 在伪影宽度减少方面有显著性差异（P＜0.05）。在14 例双侧THR 患者中，7 例MARs 重建在降低伪影宽度方面优于VMI（P＜0.05）。

当双侧人工髋关节存在时，双侧THR 内侧的伪影相互增加，出现强烈的内消光伪影，严重影响骨盆器官的评价。在这些病例中，只有MARs 能够充分减少内侧消光伪影，从而可以对盆腔器官进行评估。

图2a-2e 单侧全髋关节置换术后的患者，图2a’-2e’双侧全髋关节置换术后的患者。图2a、2a’是常规CT 图像，图2b-2d、2b’-2e’ 分别是70,110,140keV 单能量重建的图像，图2e、2e’是MARs 技术处理后图像。

与CI 相比，140keV 的VMI 成像和MARs（图2，表1）均显著降低了肌肉和膀胱内的图像噪声。在消光伪影中，只有MARs（P＜0.001）能显著降低图像噪声。另一方面，与CI 和MAR 相比，VMI 对骨组织图像的降噪效果更好。此外，只有MARs 重建的CNR 值能显著改善肌肉和膀胱图像质量（图2，表1），而骨的CNR 值在70kev 的VMI 中最高。在骨中，70kev 的VMI 和CI 图像的CNR 均显著高于MAR 成像。

2.2 图像质量的主观评价

在主观评价中，MA 在CI 中最为明显（平均Likert 评分4.6±0.6，见表2），而VMI 和MARs 均显著减少了这些伪影。VMI 的MA 降低随着keV 值的增加而稳步改善，在140keV 时最佳（见表2）。与CI相比，MARs 显示出最强的视觉伪影减少，平均评分为2.8±0.7。与CI 相 比，70～140 keV 的VMI 和MARs 显著改善了对盆腔器官和邻近肌肉的评估（如图2 所示，见表2）。与客观图像评估一致，骨的诊断最佳评估范围在110～140keV（见表2）。MARs可提高骨结构显示效果，但略低于VMI。同时，主观评价时发现通过MARs 重建减少伪影会导致额外的条纹伪影，从而导致明显的图像失真。但是在VMI 成像中没有这种情况。MARs 的失真度在5 分Likert 量表上评定，平均值为2.7±0.6（2=轻微；3=中度失真）,有68%的病例发现了MARs 导致的图像失真。

表2 金属伪影去除效果及周围组织的主观评价（X±SD）

3 讨论

金属植入物会导致三种不同类型的CT 成像伪影：低能光子吸收导致光束硬化伪影、光子完全吸收导致光子匮乏或光子饥饿效应、由于金属植入物和邻近软组织的衰减差异很大造成的散射伪影，这些伪影会造成严重的干扰，妨碍对植入物本身及其周围组织的评估[7]。影响伪影严重程度的因素主要有以下三条：（1）金属植入物的成分；（2）图像采集方法；（3）图像重建参数。与已知会产生强烈伪影的不锈钢相比，由钛构成的植入物产生的伪影要少得多。通过对采集协议和重建参数的优化，可以减少传统混合能量CT 成像（CI）中的伪影[8]。此外，高管电压（kV）、高管电流（mAs）、窄准直器、增加层厚和合适的重建滤波算法可显著降低MA，此外，有几种专用的迭代后处理算法可用于减少MA。在本研究中应用的专用去金属伪影算法（MARs 技术）使用从原始输入数据中减去输出修正资料的迭代回路算法。迄今为止，MARs 技术在THR 和椎体螺钉的临床前期体模研究以及涉及齿科植入物的临床应用中显示了很好的应用的结果[9-10]。

自从双能量CT 技术应用以来，双能CT 已被作为去除金属伪影的新思路。基于球管和探测器的双能CT 技术可用于生成高能和低能数据集。4 个基于球管的双能概念目前已应用于临床：（1）双自旋，在不同的管电位下使用两个旋转;（2）双源，在不同的管电位下使用两个正交定位的球管-探测器;（3）分裂或双光束，通过光束滤波器分裂一个x 射线源的输出，产生两个高能量和低能量的部分光束;（4）kVp 切换，利用一个x 射线源在一个旋转过程中管电位的瞬时切换。临床应用中唯一可用的基于检测器的变体是双层光谱检测器CT（SDCT）方法。它使用一个单一的x 射线源和一个双层探测器，其中上层吸收低能光子，而下层吸收更高能量的光子。虚拟单能量图像（VMI）依赖于两次能量图像采集使其看起来类似于真实的单能数据采集模式（40～200kev）VMI 虚拟单能量成像的高kev 能量水平已经被用来消除图像的金属伪影，因为他们更少受射线束硬化伪影的影响。此外，它旨在确定可适用于周围不同组织的诊断评估能谱重建标准。先前的研究已经探讨了体外实验时光谱CT 降低MA 的作用[2,3]，然而，据作者所知，在人体内关于THR 患者消除金属伪影的VMI 和MARs 的研究仍然缺乏。

先前的研究已经探讨了体外实验时光谱CT 降低MA 的作用，然而，在人体内关于THR 患者消除金属伪影的VMI 和MARs 的研究仍然缺乏[11]。与传统的CT 成像相比，能谱单能量重建和MARs 技术都可以显著减少THR 引起的伪影。虚拟单能图像对于评估和描绘种植体附近的骨结构尤其有利，因为它们造成其他额外的伪影。相比之下，由于软组织对比度高于常规成像和VMI，MARs 可以更好地评估盆腔器官和邻近肌肉。此外，MARs 在减轻严重的MA（如双侧THR 所致）方面更为优越，因为在常规CT 图像上，双髋关节置换术后的伪影严重损害了盆腔器官的评价。因此，推荐的最佳虚拟单能量去伪影和THR 术后组织的最优显示图像质量的单能量级范围在110～140keV 之间。

综上所述，140keV 的VMI 成像和MARs 技术显著降低了全髋关节置换术后的金属伪影，VMI 技术和MARs 技术在骨结构和周围软组织的评估上有各自的优势。