能谱CT 结合MARS 技术在去除膝关节金属伪影的临床研究

朱小忠，朱自淘，肖菊梅，董馥闻

（1 甘肃省中医院放射影像科 甘肃 兰州 730051）

（2 甘肃省妇幼保健院内分泌科 甘肃 兰州 730051）

随着我国人口老龄化的不断加深，膝关节的发病率急剧上升，膝关节疾病成为临床常见病、多发病。如外伤性损伤、关节退行改变和膝关节畸形等[1]。膝关节疾病患者往往出现关节疼痛、肿胀以及活动受限等症状，严重影响日常生活。采用全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）可以改善患者的关节功能，提高他们的生活质量。有文献报道估计到2040 年，全球TKA 总数相对于2020 年将会增加45%[2]。目前，尽管TKA 技术取得了巨大进步，但仍有20%的患者无法获得理想的治疗效果[3]，这主要是由于术后并发症的存在，尤其是术后CT 复查的准确性受到影响。研究如何有效地解决金属伪影问题，成为放射学工作者面临的重要课题，当前，在去除膝关节植入物金属伪影方面的研究较少，特别是在使用金属伪影校正技术的图像质量评价尚无共识。本研究旨在探讨能谱CT 扫描技术（GSI）结合金属伪影消除（metal artifact reduction system，MARS）重建技术在膝关节置换术后金属植入物伪影消除方面的效果，为临床诊疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取甘肃省中医院2021年4 月—2022年9 月进行全膝关节置换手术后需要复查CT 检查的60 例患者，其中30 例采用了能谱CT 扫描技术结合MARS 技术设为A组，另外30 例则采用了单能量扫描设为B 组。60 例患者中男36 例，女24 例，年龄51～83 岁，平均年龄为（61.34±3.19）岁。两组性别、年龄比较，差异无统计学意义（P＞0.05），有可比性。

纳入标准：全膝关节金属植入物材质一致。因本研究没有额外增加患者辐射剂量，无需经医院伦理委员会审核批准。排除标准：①全膝关节植入材质是非金属植入物或不一致；②存在精神类或其他脏器器质性疾病；③临床资料缺失；④不能配合；⑤再次骨折或不能按时来医院复查。

1.2 方法

使用GE Revolution 能谱CT 设备对患者采用GSI 模式进行扫描，扫描参数：管电压60～140 kVp 瞬时切换，转换时间0.5 ms；管电流600 mA（自动mAs 调制）；探测器准直40 mm；层厚1.25 mm；层间距1.25 mm；视野15 cm×15 cm；矩阵512×512；螺距1.25:1；X 射线球管转速0.8 s/r；CT 剂量指数22.29 mGy。扫描方法：从60 kVp 开始，以间隔10 kVp 能量级别进行递增，直到140 kVp 的8 个能量能级，分别对两组患者进行扫描检查，完成扫描后，将获取的图像数据传输至GE AW4.7 工作站，使用专业的GSI Viewer 软件对其进行精确的处理，分析两组图像数据在髓质骨和腓肠肌噪声值分布特点，同时抽取两组70 keV 和110 keV 能级的图像进行横向和纵向比较，分析伪影长度、主观评分。

1.3 观察指标

①客观指标：对不同keV能级扫描下的髓质骨和腓肠肌的图像，在伪影最严重区域进行测量取值分析。②主观指标：所选图像由2 名副主任医师进行评分，用4 分量表法，根据金属伪影对图像质量造成的影响将其记分。图像清晰、质量高，基本无伪影计3 分；图像较清晰，存在少许伪影计2 分；图像伪影严重，但尚能观察计1 分；图像伪影严重，观察困难计0 分。

1.4 统计学方法

采用SPSS 26.0 统计软件分析数据，符合正态分布的计量资料以均数±标准差（）表示，组间比较采用t检验。计数资料以频数（n）、百分率（%）表示，组间比较采用χ2检验。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组图像质量在70 keV 和110 keV 横向和纵向评价

两组患者扫描后重建所获得的图像，其质量均可达到临床诊断要求。相比之下，A 组图像中，假体周围伪影显著减少，假体与骨界面的边界清晰可见。在B 组图像中，金属伪影以膝关节假体为中心，呈放射状高密度线影，周围可见片状低密度干扰影。

抽取70 keV 和110 keV 水平的图像横向和纵向比较分析。发现在70 keV 相同条件下，图1 的去金属伪影效果优于图2；在110 keV 相同条件下，图3 去除金属伪影效果优于图4。从而表明能谱CT 成像扫描（GSI）结合MARS 技术的图1 和图3 假体周围伪影显著减少，假体与骨界面的边界清晰，所获得评分也最高，能更好地消除金属伪影。同时对图1 和图3 比较，发现在相同条件下，图3 去金属伪影效果优于图1，表明110 keV 图像质量最好。见图1～图4。

图1 70 keV GSI+MARs 组图像

图3 110 keV GSI+MARs 组图像

图4 110 keV 单能量组图像

能谱CT 成像扫描（GSI）结合MARS 技术的图1 和图3 假体周围伪影显著减少。图1 和图3 比较，图3 优于图1，表明110 keV 图像质量最好。

2.2 不同keV伪影噪声值的评价

研究发现，在60～110 keV 的图像中，随着能级的增加，髓质骨和腓肠肌的伪影噪声水平则呈现出一种逐渐减少的趋势。在110～140 keV 的图像，随着能级的不断提升，髓质骨和腓肠肌的图像伪影噪声值则呈现出一种逐渐上升的趋势。经分析研究发现在110 keV 为界点。因此，110 keV 是最佳单能量扫描成像点，其图像质量最好。在髓质骨水平，A 组与B 组假体周围结构的图像噪声比较诧异有统计学意义（P＜0.001），在腓肠肌水平，A 组与B 组假体周围结构的图像噪声比较差异无统计学意义（P＞0.001），见表1。

表1 不同keV 伪影噪声在髓质骨和腓肠肌比较（）

表1 不同keV 伪影噪声在髓质骨和腓肠肌比较（）

2.3 A 组与B 组图像质量主观评价

在110 keV 进行膝关节去除金属植入物伪影扫描重建，能谱图像质量最好，主观评分最高。CT 能谱图像的伪影长度和主观评分A 组优于B 组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 A 组与B 组图像质量比较（）

表2 A 组与B 组图像质量比较（）

3 讨论

近年来，由于医学影像学检查技术快速发展，为临床诊断提供了客观依据，为疾病的评估也发挥着不可忽视的指导意见。CT 检查在骨外科临床诊断、治疗及预后评估中起着重要的指导作用，同时，CT 检查极易受到金属高密度异物的干扰，产生影响正常组织图像的金属伪影。金属伪影表现为以假体为中心呈放射状分布的高密度影，周围可见片状低密度影。主要原因是金属材质与机体组织之间存在过大的密度差异所引起，其可能会使患者的假体周围并发症难以检测[4]。

金属伪影严重影响了骨科患者术后的评估，为了有效地降低CT 检查中的金属伪影，采取的方法包括：提高管电压和管电流、采用更窄的准直器、采用线性插值，这些措施能够在一定程度起作用，但去除金属植入物伪影的效果有限。随着CT 设备的不断更新和相关重建新技术研发应用，尤其是能谱CT 的问世为伪影消除提供了有力的硬件支持，能谱CT 实现了高低双能量瞬时电压的切换，通过从不同的时间和视角捕捉多种能量水平的单能量图像数据进行重建校正，校正数据替代金属损毁数据，从而使损失数据得以最大程度的恢复。

能谱CT 作为近年来发展起来的一种前沿的检查技术，在临床应用方面展现出了质的突破，尤其在降低金属植入物伪影方面更具优势，保证成像质量[5-6],能谱CT 成像扫描在减少脊柱、髋关节金属植入体中的金属伪影效果较好[7-9]。然而，由于膝关节假体体积较大，造成伪影干扰更明显，能谱CT 成像扫描在膝关节金属植入物伪影消除效果不理想。目前在去除膝关节金属植入物伪影的研究较少。因此，利用能谱CT 扫描技术（GSI）结合MARS 重建技术相结合在去除膝关节金属植入物伪影的深入研究显得尤为价值。

有研究报道能谱CT 最佳keV 范围是100～120 keV[5]。而本研究表明，在110keV 的能谱CT 成像扫描（GSI）结合MARS 技术对金属伪影减少和假体周围骨的评估是最好的，两者研究一致性较好。同时与陶娜等[10]既往研究结果基本相符。能谱CT 成像扫描（GSI）结合MARS 技术的图像中假体周围伪影减少，假体与骨界面的边界清晰，所获得评分也最高，能更好地消除金属伪影。噪声值、伪影长度均优于单能量常规模式的图像，更有利于临床明确诊断。

综上所述，能谱CT 成像扫描（GSI）结合MARS 技术对膝关节金属植入物的伪影消除明显，可以很好地显示组织解剖关系，提高了CT图像对金属植入物的可视性，进一步显示隐藏在金属伪影下的解剖细节，从而更有效地监测术后的病情变化及并发症预防。