IMAR技术在去除腰椎内固定金属伪影中的应用价值＊

陈宗桂 陆思璇 管海辰 张英俊 董晓军,*

1.湖南医药学院 (湖南 怀化 418000)

2.湖南省直中医院 (湖南 株洲 412008)

在腰椎疾病的治疗中，腰椎内固术是一项有效的治疗技术。它主要用以治疗腰椎不稳、脊柱侧凸、退变性椎间盘、腰椎椎管狭窄等疾病[1-3]，对腰椎内固术的随访、疗效评估和术后的影像学复查发挥着重要作用。当前所有影像学检查手段中，CT影像学检查逐渐成为临床上术后评价螺钉植入情况的金标准[4]。但是，在常规CT图像中，腰椎内固定术后影像检查，金属螺钉对X线有较高衰减，CT图像常表现为亮暗条纹，使得术后效果的评估受到严重影响。迭代去金属伪影算法(iterative metal artifact reduction，IMAR)是专门针对金属伪影的一种算法。但是，对IMAR算法去除腰椎内金属伪影的效果鲜有相关研究报道。为此，本文对32例腰椎内固定术后拟行腰椎CT检查病人的影像资料进行回顾性分析，以探讨IMAR技术对消除金属伪影的作用，以期改善术后CT图像质量，并为临床医师提供更多的影像资料。

1 资料与方法

1.1 一般资料收集2021年6月至2022年6月，于我院行腰椎椎弓根内固定术后CT复查患者32例。在临床上，患者被诊断为退变性椎体滑脱、椎管狭窄、退变性椎间盘等。其中，女14例，男18例，年龄范围为24-88岁，平均(55.1±2.9)岁。因本研究为回顾性研究，故而未进行伦理审查。在研究中，研究对象的辐射剂量没有做任何调整，没有伦理上的争论，受检者无需签署知情同意书。

1.2 方法患者取仰卧位，双臂上举，采用西门子Force双源CT进行螺旋扫描，扫描范围为全部腰椎椎体，扫描参数:管电流600mA，管电压130kvP，层厚0.5mm，螺距0.65，间隔0.5mm，固定窗宽/窗位(骨窗1800 HU/600 HU，软组织窗530 HU/65HU)，机架旋转一周的最短时间为0.28s。于常规腰椎扫描参数中，进行IMAR选项勾选，获取IMAR技术处理后的图像资料。在各组图像中，选择腰椎内螺纹钉金属伪影影响最大层面。比较IMAR技术处理前后，两组图像上4个感兴趣区域的AI值、CT值与AG值，并进行统计分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。通过扫描获取的图像，均要保存于后处理工作站。

1.3 图像质量评价

1.3.1 图像主观评价 采用IMAR技术对后处理工作站中的CT金属伪影图像进行处理。为了保护病人隐私，会隐藏CT影像中的病人信息与扫描参数。CT图像显示的参数：软组织窗位为65HU、窗宽为530HU；骨窗的窗位为600HU、窗宽为1800HU。将CT金属伪影处理前后的两组图像采用多平面重建(MPR)和容积再现(VR)，以评价IMAR技术对金属伪影的抑制效果。由三名高职称医生分别对IMAR处理前后的CT图像冠状面、横断面与矢状面进行影像质量评估，评估内容包括金属伪影对椎间盘、软组织、竖脊肌与椎弓根的影响。根据Gondim等[5]公布的评分标准：伪影重，不能辨认正常结构，1分；辨认结构较为困难，2分；可以辨认结构，但缺乏信心，3分；可以辨认结构，自信心中等，4分；可以辨认结构，有较高的信心，5分。

1.3.2 图像客观评价 在IMAR技术处理前后测量并记录ROI内CT值。选择每一组伪影最重层面取4个感兴趣区分别测量其CT值、伪影指数值和平均梯度值，其中ROI1为受金属伪影影响最严重的软组织(即密度最低)区域；ROI2为金属与骨质界面；ROI3为受金属伪影影响的竖脊肌处；ROI4为受金属伪影影响最小的软组织处。对各个ROI进行5次测量，取平均值。在测量过程中，两组图像感兴趣区的大小与位置尽可能保持一致。另外，本文还采用伪影指数值(artifact index，AI) 和平均梯度(average gradient，AG)评价IMAR技术抑制金属伪影的效果。伪影指数的公式(1)：

式中，SDROI是感兴趣区域内的标准差值，SDfat是脂肪区域内的标准差值。伪影指数是定量反映组织受金属伪影影响程度大小，伪影指数越大，图像分辨率越差，CT图像表达的信息越少。平均梯度主要指金属伪影周围的灰度变化情况，也就是灰度变化率，灰度变化率可以用来描述图像的清晰度。公式(2)：

其中，M×N为图像矩阵，ΔIx与ΔIy为分别对图像以水平和垂直方向的结构元素进行形态学处理后，获得的梯度信息。一般图像具有的平均梯度越大，图像表达的信息越全面，图像的清晰度越高。因此，其值越大越好。

1.4 统计学方法对比分析IMAR技术处理前后2组图像，采用SPSS 19.0软件分别对感兴趣区域的AI值、CT值和AG值及影像质量评分等各项评价指标进行配对样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 主观评价结果骨质和金属界面、螺钉周围软组织、椎弓根与竖脊肌显示情况。去伪影后，骨质和金属界面、螺钉周围软组织和竖脊肌区域评分高于去伪影前(P＜0.05)，见表1。

金属与骨质界面和竖脊肌处的主观评分表1 比较FBP组和FBP+IMAR中伪影最重的软组织区域、

2.2 客观评价结果将图像传送到后处理工作站，利用IMAR技术对处理前后的薄层图像进行多平面重建(MPR)，如图1所示。其中图1A表示IMAR处理前的影像，由于在金属螺钉与骨质界面产生的高密度伪影，使得金属螺钉周围的软组织和螺钉与周围骨质界面显示不清；螺钉在竖脊肌上产生低密度的金属伪影导致无法通过CT图像评判金属螺钉的植入情况。图1B为IMAR处理后的影像，软组织上的低密度与高密度伪影显著减轻。螺钉与周围骨质界面显示清楚，同时金属螺钉对竖脊肌的影响明显减弱。经VR重建后，获得CT图像的三维成像，见图2。在图2上可以明显观察到采用IMAR技术使螺钉在椎弓根上产生的金属伪影得到抑制，图像细节显示良好，周围结构清晰可见。在伪影最重层面，测量感兴趣区域的CT值，见表2～表5。FBP+IMAR组中金属螺纹钉附近软组织和竖脊肌的CT值和AG值较FBP组均提高，差异有统计学意义(P＜0.05)。而FBP+IMAR组的伪影指数比FBP组低(P＜0.05)。IMAR处理后结果提示经过IMAR技术校正后，组织的CT值更接近正常组织的CT值，图像细节显示更清晰和伪影更小，CT图像更加真实可靠。FBP+IMAR组中金属与骨质界面的CT值和伪影指数比FBP组小，两组对比均有统计学意义(P＜0.05)。而FBP+IMAR组的AG值比FBP组高，差异有统计学意义(P＜0.05)。IMAR处理后结果提示经过IMAR技术校正后，金属与骨质界面的CT值更接近正常组织CT值，图像质量更高且能提供更多信息。FBP+IMAR组中受伪影影响最小软组织的CT值、AG和伪影指数较FBP组没有明显区别(P＞0.05)。结果表明IMAR技术对非金属伪影区域的影响较小，并且正常组织解剖细节能够有效保留。

表2 IMAR处理前后各ROI1的CT值(HU)、AI值和AG值

表3 IMAR处理前后各ROI2的CT值(HU)、AI值和AG值

表4 IMAR处理前后各ROI3的CT值(HU)、AI值和AG值

表5 IMAR处理前后各ROI4的CT值(HU)、AI值和AG值

3 讨论

椎弓根螺钉内固定术在腰椎疾病，如腰椎不稳、腰椎滑脱、退行性疾病等方面得到了广泛的应用[6-8]。金属伪影在CT图像的表现为星状或者黑白条状伪影，可减少金属周围组织结构的清晰度，不利于术后骨质破坏、腰椎细微骨折、椎管内结构等情况的显示，严重影响手术疗效的评价。尽管调整窗宽和窗位有助于抑制金属伪影，但是其不能完全去除X线束硬化伪影，常常需要借助容积再现技术加以补充，但这些技术对细微骨折部位的解剖细节显示不够清晰。针对CT图像中金属伪影，常用的方法有双源CT和能谱CT等[9-10]。但是，采用以上方法需要重复扫描或采用两束不同能量X线束快速扫描，这必然会导致患者受到更多辐射的剂量。

目前已有相关研究提出了不同的方法以抑制CT扫描中金属植入物的影响，并且取得不同程度的效果[11-13]。郁仁强等[14]研究表明IMAR技术会使得噪声明显降低，提高CT图像的质量，使组织CT值与真实值更接近，对术后观察更加有利。郁斌等[15]的研究表明IMAR技术可使得金属伪影的严重程度得到显著改善，并对组织CT值进行校正，使之与真实CT值更加接近。在本研究中，FBP+IMAR组靠近金属伪影区域(软组织和竖脊肌)的AI值均小于FBP组和AG值与CT值均大于FBP组，这说明了IMAR技术能显著降低金属伪影的严重程度，并对组织CT值进行校正，使之与组织真实CT值更加接近。这与郁仁强和郁斌等人的研究结果相似，但并不完全一致。针对IMAR技术对于金属与骨质界面的CT值、AI值和AG值的影响不大。其原因可能是IMAR技术对金属区域分割过程中，未能准确将金属区域分割出来导致残留数据提高了校正后组织的CT值，这部分残留的数据仍旧会使图像细节失真和界限不清等。Yu L等[16]研究表明经过校正后的CT图像，金属植入物周边残留伪影可能是金属与组织分割不完整，使得两种组织交界处的数据插值错误，从而导致重建后CT图像在两种组织的交界存在失真，这与本研究的结果一致。在远离金属伪影区域的软组织FBP+IMAR组和FBP组的CT值、AI值和AG值无显著差异。这说明了对于没有金属伪影存在的组织IMAR技术不会对其有影响。本研究对于CT图像的主观评分进一步说明IMAR技术在抑制CT金属伪影的有效性。

由此可见IMAR技术能够改善腰椎金属内固定术后CT图像质量，为骨科医师提供更全面的信息，让医师对患者疗效、并发症及预后做出准确地评价。同时，所得到的影像更具真实感，可为临床提供更精确、更多的影像信息。