应用骨科植入物金属伪影减少术去除碘对比剂硬化伪影的可行性分析

朱维聪 王彬 曾慧芸 范林

临床上胸部疾病最重要的影像学检查手段是CT胸部扫描，对良恶性肿瘤鉴别及纵隔病变、大血管病变则需平扫后行增强扫描。依据解剖结构，右头臂静脉走行短而直，无重要血管邻近，变异和因吸气引起的生理性狭窄均少见，而左头臂静脉走行较长，跨越主动脉弓及其三个属支，吸气后屏气可产生生理性狭窄且左头臂静脉变异常见，因此，胸部CT增强扫描静脉通路首选右侧上肢注射对比剂[1～4]。在快速团注高浓度碘对比剂时，大量对比剂通过并短暂积聚在腋静脉、锁骨下静脉及头臂静脉中，常产生明显的对比剂硬化伪影，影响对断层结构的判断，使图像质量下降，严重时可造成漏诊或误诊[5]，且选择左上肢静脉注射造影剂时伪影往往更加明显。对于非能谱CT设备而言，高管电压扫描可在一定程度上减少硬化伪影[6]，但作用有限且辐射剂量明显增加。本研究探讨应用骨科植入物金属伪影减少术（Metal artifact reduction for orthopedic implants，O-MAR）去除胸部CT增强扫描中患者腋静脉和锁骨下静脉对比剂伪影的可行性。

1 材料与方法

1.1 临床资料 选择2021年6～7月在我院拟行胸部CT增强扫描的患者26例，其中男14例，女12例，年龄34～84岁，平均（58.12±13.39）岁。本研究通过我院伦理委员会批准，所有受检患者均签署知情同意书。

1.2 扫描方案 采用飞利浦128排256层螺旋CT（Philips Brilliance iCT）扫描仪扫描。患者取仰卧位，双臂上举过头顶，同时上臂长轴基本呈平行状，扫描范围自肺尖至肺底。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20的自动管电流调制技术，管电流最大350mAs（开启Z-Modulation和3D-Modulation模式）；矩阵512×512；螺距0.763；球管转速0.33r/s；同时应用iDose4技术，迭代等级Level选3。采用高压注射器团注对比剂（碘佛醇，320mgI/ml），对比剂总量80ml，注射流率3.5ml/s，注射对比剂后20s行动脉期扫描。在胸部增强扫描参数中勾选O-MAR选项，单次扫描可同时得到O-MAR技术处理前后2组图像数据。由同一技师进行扫描操作，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，隐藏扫描参数信息。统一窗宽和窗位，软组织窗窗宽360HU、窗位60HU。由两名高级职称放射医师对O-MAR技术处理前后2组图像分别进行主观质量评分，评价标准为：0分，伪影很重，邻近组织结构无法辨认，不能诊断；1分，伪影较重，邻近组织大体结构尚能显示，图像尚能观察，但诊断比较困难；2分，伪影较少，邻近组织显示欠清晰，图像质量欠佳，但基本可以诊断；3分，伪影很少，邻近组织显示尚清晰，图像质量较好，可以诊断；4分，无伪影，邻近组织显示清晰，图像质量好，可以明确诊断。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 在O-MAR技术处理前后受高浓度造影剂所致伪影影响最严重的横断层面上，选取3个感兴趣区（ROI）分别进行CT值、SD值测量，见图1。其中，ROI1位于注射对比剂侧受高密度伪影影响的胸小肌（或胸大肌）处，测量值记作CT1、SD1；ROI2位于注射对比剂侧受低密度伪影影响的组织处，测量值记作CT2、SD2；ROI3位于同层面对侧胸大肌（或胸小肌）处，测量值记作CT3、SD3；测量时两组图像感兴趣区的位置和大小尽量一致，ROI平均面积为15～80mm2。选取O-MAR技术处理前图像低密度伪影最显著层面测量其伪影长度，并于O-MAR技术处理后相同层面测量该组图像的伪影长度，伪影长度以其最长长径为测量值，单位为mm，见图2。以标准差SD值代表图像的噪声，同时计算伪影区兴趣组织的伪影指数（Artifact index，AI），用于描述伪影严重程度，计算公式为[7]：AI=，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SD1、SD2，SDb取SD3，AI1为高密度伪影区组织的伪影指数值，AI2为低密度伪影区组织的伪影指数值。

图1 ROI测量示意图

图2 伪影长度测量示意图

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组图像的主观评价结果采用两相关样本非参数检验—Wilcoxon带符号秩检验，客观评价结果进行两配对样本t检验，包括各个ROI的CT值、SD值、AI值及伪影长度，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 主观评价结果 选择上肢静脉穿刺注射，其中左侧上肢静脉6例，右侧上肢静脉20例，O-MAR技术处理前图像质量评分平均为（1.19±0.895）分，处理后图像质量评分平均为（2.77±0.587）分，O-MAR技术处理后的图像质量显著高于处理前（Z=-4.264，P<0.05）。

2.2 客观评价结果 O-MAR技术处理后高密度伪影区（ROI1）的CT值较处理前显著降低，更接近正常组织（ROI3）CT值（P<0.05）；低密度伪影区（ROI2）CT值较处理前显著增高（P<0.05），更接近正常组织（ROI3）CT值；参考区域（ROI3）CT值在图像处理前后差异无统计学意义（P>0.05）；处理后重建图像伪影长度较处理前显著降低（P<0.05），见表1。O-MAR技术处理后伪影区（ROI1、ROI2）SD值及AI值均低于处理前（P<0.05）；参考区域（ROI3）SD值在处理前后比较差异无统计学意义（P>0.05），见表2。

表1 O-MAR技术处理前后两组图像兴趣区组织CT值及伪影长度比较（±s）

表1 O-MAR技术处理前后两组图像兴趣区组织CT值及伪影长度比较（±s）

时间 CT1（HU） CT2（HU） CT3（HU） 伪影长度（mm）处理前 162.335±39.384 -284.035±117.229 54.012±10.511 36.423±12.753处理后 110.123±26.820 -104.388±68.191 53.158±12.692 9.819±10.127 t 8.176 -8.455 0.750 9.337 P 0.000 0.000 0.461 0.000

表2 O-MAR技术处理前后两组图像兴趣区组织SD值及AI值比较（±s）

表2 O-MAR技术处理前后两组图像兴趣区组织SD值及AI值比较（±s）

时间 SD1（HU） SD2（HU） SD3（HU） AI1 AI2处理前 31.773±12.635 61.550±38.788 8.808±1.767 30.306±13.010 60.476±39.430处理后 20.504±6.889 39.508±22.947 9.208±1.802 17.756±8.135 37.732±24.126 t 4.674 3.567 -1.721 4.868 3.650 P 0.000 0.001 0.098 0.000 0.001

3 讨论

伪影产生的原因各不相同，且具有不同的CT值及伪影形状，均不同程度地影响组织结构及病变的观察，从而影响诊断。其中，射线束硬化伪影和金属伪影对CT图像质量的影响最为显著[8]。X线管发出的X线束是具有不同高低能量的混合射线束，在穿透人体组织过程中，低能量射线比高能量射线衰减快，使得透过物体后射线束平均能量增加，称为射线束的硬化效应，这种现象主要出现在两种组织密度差异过大的交界区[9～12]。胸部增强CT扫描时，经静脉注射的大量高浓度造影剂进入心肺循环之前，会在腋静脉和锁骨下静脉内短暂积聚或部分残留，从而产生明显的射线束硬化伪影，掩盖邻近正常解剖结构或病变，影响诊断[5]。虽然右侧上肢静脉回流较左侧通畅，阻力较小，腋静脉和锁骨下静脉内积聚或残留的对比剂较少，但选择右侧上肢注射对比剂也不能完全消除硬化线束伪影[13～17]。因此，在最大程度地减少造影剂引起射线束硬化伪影的同时保证图像质量成为工程学家与影像学医生的共同目标。

为了减少射线束硬化伪影，相关研究提出不同的方法和理论。传统CT成像可以采用补偿滤线器、优化采集方案及改变重建算法参数设置等减轻硬化伪影，如增加管电压和管电流、更精确的准直、薄层扫描和更大的层厚观察、优化重建滤波参数、调整窗宽窗位等[18]。增加管电流和管电压减少伪影的程度有限，同时也会增加患者的辐射剂量，因此不能广泛应用于临床扫描。传统CT成像对伪影减少效果比较有限，随着CT设备硬软件的快速发展，为满足临床诊断要求，研究者进行了各种尝试争取最大程度地减少射线束硬化伪影，如应用能谱成像技术被证实能很好地去除射线束硬化伪影[19～21]，但能谱成像在一定程度上会增加辐射剂量。

本研究所探讨的O-MAR技术是一项去金属伪影的迭代后处理算法，这个复杂过程被嵌入CT扫描仪的重建系统中。运算关键是从原始输入图像中减去输出校正图像的迭代循环，所得图像随后可以成为新的输入图像，并且可以重复处理。该技术的第一步是对图像内物质结构投影进行重新分类和定义，再通过对新分类和定义的组织投影数据进行循环迭代运算，直到金属数据点被完全识别并移除，从而去除金属伪影[22，23]。如果图像中不存在大的金属像素簇，则不执行进一步处理，因此，O-MAR对非金属图像没有影响。以往认为，使用O-MAR技术仅针对体内存在金属植入物的患者，而高浓度碘对比剂产生射线束硬化伪影的机制与金属相似。本研究表明，O-MAR技术对高浓度碘对比剂产生的硬化伪影也有很好的去除效果。可以看出，应用O-MAR技术可显著减轻胸部CT增强扫描中患者腋静脉和锁骨下静脉对比剂射线束硬化伪影，O-MAR技术处理后高密度伪影区及低密度伪影区组织CT值均更接近正常组织CT值，并且伪影区的噪声值及伪影指数均显著降低，图像质量显著提高，为疾病的诊断提供更多帮助。另外，O-MAR技术处理前后对照组织区域（ROI3）的CT值及SD值差异无统计学意义，表明O-MAR技术对非伪影区域图像没有影响，正常组织影像得到充分保留。

综上所述，应用O-MAR技术可有效去除高浓度碘对比剂产生的硬化伪影，提高图像质量。由于系统在选择O-MAR时重建两组图像，因此图像容易获得，临床工作中可根据需要结合O-MAR技术处理前后图像共同进行诊断，以提高因造影剂硬化伪影的存在而受到负面影响的CT图像可视化程度。