噪声优化的虚拟单能成像技术在口腔金属植入物患者CT图像中的应用价值

卢国雄，姜雨松，颜卓恒，张芳，石广滋，胡辉军

计算机断层扫描（computed tomography，CT）已广泛运用于颌面部肿瘤性病变的检测和定性［1，2］。但随着口腔金属植入物的广泛使用，其所产生的金属伪影严重影响着颌面部病灶的显示［3，4］。目前，常规螺旋CT 常通过提高管电流（mAs）和管电压（kV）等方式来减少伪影，但此类方法会增加辐射剂量，且管电压的增加会降低组织对比度［5］。随着双能CT（dual-energy computed tomography，DECT）的不断发展，其具备的较高keV 和较低keV 的虚拟单能量图像（virtual monoenergetic imaging，VMI）能有效减少金属伪影，但其对比噪声比低［6-7］，一定程度上限制了其运用。近年来，噪声优化的虚拟单能成像（noise-optimized virtual monoenergetic imaging，VMI+）已初步应用于临床，在减少金属伪影的同时，可以显著提高图像质量［8-10］，目前，VMI+技术已在脊柱内固定术后评估中已初步运用［11］。然而应用VMI+技术减少口腔金属伪影并改善口腔癌患者肿瘤显示的研究报道得非常少。本研究拟通过比较DECT 的VMI+技术与VMI 技术在有口腔金属植入物的口腔癌患者中的应用，探索VMI+技术在减少口腔金属伪影并改善图像质量中的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性收集中山大学孙逸仙纪念医院2019年8月至2020年4月行颌面部CT 扫描且有口腔金属植入物口腔癌患者的CT 影像资料。纳入标准：①年龄≥18 岁；②存在人工金属植入物；③病理确诊为口腔恶性肿瘤；④双能模式CT 扫描。排除标准：①存在不属于人工金属植入物的伪影；②严重心、肝、肾功能不全；③碘对比剂过敏。共54 名患者被纳入研究，男女比例16∶11，年龄59.3±12.9岁；其中鳞状细胞癌52 人，疣状癌1 人，淋巴上皮瘤样癌1 人；容积CT 剂量指数（CT dose index volume，CTDIvol）：19.76±3.00 mGy，剂量长度乘积（dose length product，DLP）：449.52±97.09 mGy*cm。

1.2 CT 检查与图像重建方法

CT 扫描在第三代双源CT（SOMATOM Force，德国西门子公司）上采用双能模式完成。扫描参数为：A 球管：70 kVp，70 mAs；B 管：Sn150 kVp，240 mAs；准直192×0.6 mm；转速0.25 s；螺距0.7，开启管电流调制。以4 mL/s 的流速静脉注射1 mL/kg的碘造影剂（碘克沙醇，270 mg I/mL，上海通用电气药业公司），再用30 mL 生理盐水冲洗，于注射造影剂25 s、50 s 后行动脉期、静脉期扫描。扫描完成后采用卷积核Qr40 和自适应迭代重建算法（advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE）分别重建VMI（40～190 keV，10 个keV 为间隔）和VMI+（40～190 keV，10 个keV 为间隔）图像，层厚均为1 mm，层间距均为1 mm。然后将图像数据传输到工作站（Syngo.via version VB 20A；德国西门子公司）进行图像分析。

1.3 图像定量分析

由一名6年CT 诊断经验的放射科医师对图像进行客观分析。选择金属伪影影响最严重的层面，分别在低密度金属伪影区（40 mm2）、高密度金属伪影区（100 mm2）、软腭（40 mm2）、口底（40 mm2）、舌（40 mm2）、颊部软组织（40 mm2）、肿瘤（40 mm2）、颈内动脉（20 mm2）及颈内静脉（20 mm2）九个受金属植入物影响的区域画感兴趣区（region of interest，ROI），另外在不受伪影干扰的颈部皮下脂肪区域画一个ROI（40 mm2）。所有图像中，10 个ROI 以相同的大小分别放置在相同的位置，测量CT 值和噪声（standard deviation，SD）。分别测量两次并对结果取平均值。采用伪影指数（artifact index，AI）来量化金属伪影的严重程度，定义为AI=，其中SDa是邻近金属植入物ROI的SD值，SDb是相同层面皮下脂肪ROI 的SD 值。如果SDa＜SDb，则AI 为0；AI 值越小，表明金属伪影的影响越小。

1.4 图像定性分析

由三名放射科医生（分别有12年、6年和4年的头颈部放射诊断经验）在双盲状态下采用5分法对所有图像进行图像质量评估：①低密度和高密度金属伪影的程度：5分为几乎没有金属伪影；4分为轻微金属伪影；3分为中度金属伪影；2分为明显金属伪影；1分为大量金属伪影；②评估软腭、口底、舌头、颊部软组织、皮下脂肪、肿瘤、颈内动脉（internal carotid artery，ICA）和颈内静脉（internal jugular vein，IJV）和整体图像质量：5分为可完全诊断；4分为可诊断，存在不影响诊断的轻微金属伪影；3分为可诊断，存在轻微影响诊断的金属伪影；2分为诊断受限；1分为无法诊断［6］。

1.5 统计学分析

使用统计软件SPSS 26.0 进行数据分析，计量资料以平均值±标准差（±s）表示。用Kolmogorov-Smirnov 检验验证数据的正态分布。符合正态分布用方差分析（analysis of variance，ANOVA）检验，组间比较采用LSD分析。不符合正态分布采用Friedman 检验，两两比较采用配对Wilcoxon 检验。观察者间图像质量评分的一致性用内相关系数（ICC）表示：ICC＜0.40，一致性差；ICC 为0.41～0.60，一致性中等；ICC 为0.60～0.80，一致性强；ICC 为0.81～1.0，一致性极强。P＜0.05 认为有统计学意义。

2 结 果

2.1 伪影指数

低密度伪影、高密度伪影、软腭、口底、舌、颊部软组织、肿瘤、ICA 和IJV 的最小AI 值分别为130 keV VMI+、190 keV VMI+、190 keV VMI+、120 keV VMI+、120 keV VMI+、160 keV VMI+、130 keV VMI+、150 keV VMI+和120 keV VMI+。除低密度伪影最低AI 值与80～120 keV VMI（0.431≥P≥0.079），颊部软组织的AI 值与80～140 keV VMI（0.272≥P≥0.050）和肿瘤的AI值与90～100 keV 的VMI（0.110≥P≥0.087）无明显的统计学差异外，其余所有的VMI+系列与相同水平的VMI 系列相比明显较低（0.000≤P≤0.047）。（表1）

表1 40～190 keV 重建图像感兴趣组织AI 值

2.2 图像噪声

VMI 系列的图像噪声从40 keV 到80 keV 或90 keV 明显下降，并在最低水平后逐渐增加。在140 keV（低密度伪影）、160 keV（口底）、130 keV（舌和肿瘤）和180 keV（ICA）之后，VMI+系列的图像噪声与VMI 系列有相同的趋势。但是高密度伪影、软腭、颊部软组织和IJV 的图像噪声随着能量水平的增加持续下降。除60、70 keV 的VMI/VMI+系列外，VMI+的图像噪声均明显低于相同能量水平的VMI 图像（P＜0.05）。

2.3 图像质量主观评价

观察者主观评分的一致性检验显示绝大多数为一致性强或极强（ICC＞0.60）。低密度伪影、口底、舌、肿瘤、ICA 和IJV 在130keV VMI+中图像评分最高，且明显高于VMI 图像系列（P≤0.026）。颊部软组织、软腭和高密度伪影在160 keV VMI+、180 keV VMI+和190 keV VMI+评分最高，且都明显高于其他VMI 图像系列（P＜0.019）。整体图像评分在130 keV VMI+得分最高，且都明显高于其他VMI 图像系列（P＜0.05），但与130 keV VMI 相比没有显著差异（P=0.692）。（表2）

表2 40～190 keV 重建图像感兴趣组织和整体图像主观评分比较

图1 右侧舌鳞状细胞癌患者，口腔内见明显金属植入物，在130 keV VMI+上得到了低金属伪影及最佳图像质量

3 讨 论

CT 在口腔癌的诊断、鉴别诊断及疗效评估中发挥着重要的作用。然而，随着口腔金属植入物的广泛使用，其所产生的金属伪影严重影响着口腔癌病灶的显示，一定程度上限制了其临床运用。目前，部分研究通过增加CT 扫描中的管电压和管电流，使用窄的准直器和增加图像的重建层厚及后处理算法等方法减少金属伪影，然而，这些方法减低金属伪影的能力非常有限，同时管电压和管电流的提高会大大增加患者的辐射剂量［12］，限制了其临床上的广泛运用。近年来，随着DECT的广泛应用，其在减少金属伪影方面展示了一定的运用前景。DECT在不同的管电压下使用两个正交定位的球管-探测器，同时采集两套不同的CT 图像数据，通过处理分析可以重建出不同keV 能级下的虚拟单能量图像［8］。研究表明VMI 图像中的高keV 能量图像由于穿透力高，更少受射线硬化伪影的影响，能够明显减少图像的金属伪影。目前，DECT已初步运用于脊柱及骨关节内固定术后、血管支架术后金属伪影的减少及消除［11，13，14］，但采用DECT 的VMI 技术应用于口腔癌的相关研究仍非常少。本研究结果也提示，DECT 中的高KeV 能级图像较低KeV 能级具备更低的AI 值，提示其能够减少口腔金属植入物的伪影；同时，与VMI 相比，VMI+具备更低的AI 值，更能够提高病灶的显示，这些结果提示能谱成像技术对于减少口腔癌患者金属植入物伪影方面具备常规CT 所无法比拟的优势。另一方面，高KeV 能级图像在减少金属伪影的同时，其图像的对比度减弱，软组织的层次对比欠佳，一定程度上影响了图像质量，不利于病灶的显示。VMI+技术能够在一定程度上克服上述的不足，VMI+技术在减少金属伪影的同时，能够较VMI 技术更显著提高图像的对比噪声比和信噪比［15-18］，明显改善图像质量。本研究中，VMI+的图像噪声均低于VMI 图像，绝大部分VMI+的图像噪声均明显低于相同能量水平的VMI 图像，提示VMI+不仅能减少图像的金属伪影，而且能够明显增加图像的质量。

不同能级的VMI+在减少金属伪影和增加图像对比方面有着不同的优劣。低能级图像金属伪影大，图像对比好，而高能级的图像刚好相反。因此，寻求最佳能级平衡图像质量与图像显示的对比度是提高病灶显示的关键及难点。本研究结果表明，在具有金属植入物的口腔癌患者中推荐采用130 keV 能级，能够在最大程度地减少患者的金属伪影的同时，获得病灶显示的最佳图像质量。既往关于金属植入物的最佳能级的推荐方面依据金属内固定物的种类及部位有所不同，Laukamp等［19］认为200 keV 是观察全髋置换术后的最佳能级、Stehli 等［20］认为140 keV 是测量冠脉非钙化内腔直径的最佳能级、邓凯等［21］认为130 keV 是观察腰椎金属内固定的最佳能级，我们的研究均等于或低于上述研究所推荐的能量水平，分析原因可能与不同的机器及扫描参数、内固定器金属的材料及部位等有关。此外，本研究重点为观察口腔肿瘤的轮廓和与周围组织的关系，而上述研究均主要为观察内固定周围的骨质情况，也导致了本研究的最佳keV 低于上述的最佳能级。

本研究存在局限性，虽然纳入了各种口腔金属植入物的患者，但是无法明确大部分金属植入物的材料，无法研究不同材料金属下应用VMI+技术的好处。确定伪影较少的金属植入物类别将会是我们未来的研究方向。此外，我们的样本量较少。但是我们进行了详细的主客观分析，并且主观分析证实了客观分析的结果。随着口腔金属植入物越来越普遍，未来需要更好地减少伪影方法。在其他方法中，减少伪影专用的重建算法似乎很有前景，特别是将这些算法与VMI/VMI+技术相结合［22］。

综上所述，能谱CT 的VMI+技术能够有效地减少口腔癌患者金属植入物所产生的金属伪影，提高病灶的显示。在具有金属植入物的口腔癌患者中推荐采用130 keV 作为最佳能级，能保持最佳的伪影去除效果及整体图像质量，为口腔颌面外科提供更好的术前评估。