基于模型的迭代重建、金属伪影去除和噪声优化的虚拟单能成像在去除腰椎内固定金属伪影效果的正交设计研究

成庆 夏可周 彭宙峰 程亮 郭卫春

腰椎内固定手术因力学强度高、术后效果好等优势,已成为治疗腰椎疾病的常用方法。CT是术后检查的常用方法[1],但由于金属伪影的干扰,严重影响了对椎弓根螺钉及其邻近组织结构的评估。基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction,MBIR)算法、金属伪影去除(metal artifact reduction,MAR)算法和噪声优化的虚拟单能成像(noise-optimized virtual monoenergetic imaging,VMI+)是三种不同的CT图像后处理算法,在去除金属伪影方面的研究已有相关报道[2-4]。然而,关于MBIR、MAR、VMI+在对腰椎内固定金属伪影的去除效果差异和最佳联合方案,国内外鲜有报道。本研究采用正交设计的方法,分析和比较MBIR、MAR、VMI+在去除腰椎内固定高密度和低密度金属伪影的效果差异,并提出可能的最佳联合方案。

对象与方法

一、对象

回顾性收集了我院2022年11月～2023年9月期间,行腰椎内固定术后行CT检查病人的原始数据,共10例,其中男性3例,女性7例,年龄50～69岁,平均年龄59.4岁。纳入标准:(1)腰椎内固定术后CT复查病人;(2)图像无运动伪影。排除标准:(1)图像存在运动伪影;(2)腰椎肿瘤。

二、方法

1.仪器及扫描参数:检查机型为第三代双源SOMATOM Force CT。扫描参数:两个球管管电压分别为100kV 和Sn150 kV,开启智能管电流调制技术 (caredose 4D),旋转时间为0.33 秒,螺距为0.5,探测器准直器宽度为128×0.6 mm,重建层厚、层间距均为1mm,矩阵为512×512。

2.正交设计:本实验以MBIR(ADMIRE,Siemens Healthcare)、MAR(iMAR,Siemens Healthcare)、VMI+(VMI,Siemens Healthcare)为考察因素,以伪影指数(artifact index,AI)为评价指标,采用L8(27)正交实验表设计3因素2水平的实验方案,共进行10次重复实验,同时考虑MBIR、MAR、VMI+三因素之间的交互作用,因素水平见表1,L8(27)正交实验设计方案表见表2。

表1 因素及水平方案

表2 L8(27)正交设计方案表与结果

三、统计学分析

结果

1.直观分析:本实验的指标AI的值越小越好。直观分析显示,在对AI1值的影响中,各因素和因素间交互作用的影响大小顺序为C>B>B×C>A>A×C>A×B。在对AI2值的影响中,各因素和因素间交互作用的影响大小顺序为: B>C>B×C>A>A×B>A×C。A、B、C因素不同水平对AI1值和AI2值的影响,均为k2>k1,即A2>A1、B2>B1、C2>C1。见表2。

2.方差分析:本研究存在空白列,在方差分析过程中,将空白列的离差平方和与误差的离差平方和合并,重新进行数据处理[5]。如表3,方差分析结果显示,在对AI1值的影响中,因素A、因素B、因素C及A×B、A×C、B×C的交互作用两水平差异有统计学意义(P<0.001);在对AI2值的影响中,因素A、因素B、因素C及A×B、B×C的交互作用两水平差异有统计学意义(P<0.001),A×C的交互作用两水平差异无统计学意义(P>0.05)。

表3 方差分析

由于存在交互作用,要确定最佳的联合方案,需进一步分析因素间交互作用的不同水平组合。根据二元表,在对AI1值的影响中,A2B2组合(表4)、A2C2组合(表5)和B2C2组合(表6),优于其他水平组合,为最佳水平组合。在对AI1值的影响中,A2B2组合(表7)和B2C2组合(表8),优于其他水平组合,为最佳水平组合。见图1。

图A～H为该病例原始数据依次按L8(27)正交实验方案表处理的8组后处理图像,如图所示,不同联合方案在去除腰椎内固定金属伪影的效果上存在差异,其中以图H为8号实验方案的后处理图像,金属伪影去除效果最显著,即MBIR 4级、有MAR、130 KeV VMI+联合方案为本实验最佳去除腰椎内固定金属伪影的方案

表4 AI1 A×B的水平搭配表

表5 AI1 A×C的水平搭配表

表6 AI1 B×C的水平搭配表

表7 AI2 A×B的水平搭配表

表8 AI2 B×C的水平搭配表

讨论

近年来,脊柱外科技术迅速发展,腰椎内固定术已广泛应用于治疗腰椎骨折、椎体滑脱、腰椎椎间盘突出和椎管狭窄等多种腰椎疾病[6]。然而,术后可能存在内固定松动及断裂的远期风险,且错误的椎弓根置钉可能导致邻近组织损伤等并发症。因此,准确评估腰椎内固定置入位置,对评估并发症及预后具有重要的意义。CT成像检查是腰椎内固定术后随访的常用检查方法。然而,金属伪影的存在影响对腰椎内固定及其邻近组织结构的观察。CT金属伪影产生原因主要有X线束硬化效应、光子饥饿效应、康普顿散射效应、部分容积效应[7]。由于形成金属伪影的原因不同,金属伪影在CT图像上的表现形式也不同。在腰椎内固定术后病人的CT图像中,表现为内固定周围的高密度伪影、沿椎弓根螺钉长轴的低密度伪影,以及高密度与低密度的混合伪影。

既往的研究表明,MBIR、MAR、VMI+在去除金属伪影方面效果显著,这在Ishikawa等[8]和Zeng等[9]的研究中亦得到证实。本研究显示,MBIR、MAR、VMI+是去除腰椎内固定金属伪影的显著因素,对高密度和低密度金属伪影均具有显著的去除效果,与前述研究一致。此外,卢国雄等[4]的研究显示,高keV VMI+能有效减少金属伪影的同时兼顾良好的组织对比。Wellenberg等[10]的研究显示,MBIR在较高强度等级的迭代水平上,具有更好的金属伪影去除效果。本研究结果显示,相对较低强度等级的MBIR、低能级的VMI+、无MAR,高强度等级的MBIR、高能级的VMI+,MAR表现出更好的腰椎内固定金属伪影去除效果,与前述研究结果一致。

由于不同算法的原理不同,在去除金属伪影效果上也存在一定差异。 Anhaus等[11]的研究表明,对高原子序数或大型金属伪影,MAR相较于VMI表现更佳;然而,对于脊柱内固定金属伪影,VMI则优于MAR。Ishikawa等[8]的研究显示,MAR是减少CT低密度金属伪影最有效方法,而MBIR和VMI则是减少高密度金属伪影最有效的方法。与传统的VMI不同, VMI+采用分频方法从低能量图像中提取高对比度图像信息,从最优能级重建的图像中提取低噪声信息,将二者结合以获得质量更高的图像[12]。相比传统的迭代重建(IR),MBIR是新一代迭代重建算法,通过对CT图像系统建模,考虑了系统噪声、X线束硬化、X线散射、探测器特性等因素的影响,能够更有效去除X线束硬化和康普顿散射造成的金属伪影[13]。迄今为止,国内外尚少见比较MBIR、MAR、VMI+在去除腰椎内固定金属伪影方面的报道。本研究表明,MBIR、VMI+、MAR在腰椎内固定金属伪影去除方面存在显著差异。在去除高密度金属伪影方面,VMI+>MAR>MBIR;而在去除低密度金属伪影方面,MAR>VMI+>MBIR。这些差异可能与MAR、VMI+、MBIR的原理有关。腰椎内固定的高密度金属伪影主要位于螺钉两侧,主要由X线束硬化和康普顿效应引起,而VMI+在去除X线束硬化引起来的高密度金属伪影的效果更好。同时,MBIR在去除X线束硬化和康普顿效应形成的金属伪影具有一定的优势。腰椎内固定的低密度金属伪影主要位于螺钉长轴方向,主要由光子饥饿效应引起,MAR在去除光子饥饿效应引起的金属伪影方面的表现更为优越。这也说明了针对不同类型的金属伪影,形成的原因不同,应该采取差异化的处理方法。

以往的研究多数采用单因素分析法,鲜有运用多因素分析法,导致研究结果相对孤立,未能揭示各因素之间的关联。本研究运用正交设计,克服了以往单因素分析的局限,可以深入分析因素之间的内在联系和相互影响。有报道显示,不同算法联合应用可能对算法性能产生影响。李杰等[14]的研究结果表明,相比单独使用VMI,MAR与VMI的联合应用,在较低能级水平即可达到在高能级条件下同等的金属伪影去除效果,提示了算法间的性能存在相互影响的可能。本研究结果表明,在MBIR、MAR、VMI+联合应用以去除腰椎内固定金属伪影的条件下,存在明显的交互作用,其中以MAR与VMI+的交互作用最显著,表明MAR与VMI+联合使用能够增强算法的性能,得以更有效地去除腰椎内固定金属伪影。这也提示了多算法联合有望增强算法性能,具有更强的金属伪影去除效果。同时,本研究发现,MBIR 4级、130KeV VMI+及MAR的联合方案为本研究的最佳的方案,提示了较高强度等级的MBIR、较高能量水平的VMI+以及MAR的联合方案可以更有效的去除腰椎内固定金属伪影。

在低剂量条件下,Fukushima等[15]的研究显示,与MAR相比,MBIR可以更有效去除腰椎内固定金属伪影。然而,本研究发现,在对低密度和高密度金属伪影去除效果方面,MAR明显优于MBIR。这一差异可能归因于MAR算法的性能受到剂量水平的影响,这在Grandmougin等[3]的研究中得到证实。MAR算法在原始数据处理过程中,涉及一个对金属伪影区域数据分割的步骤,在低剂量条件下,原始数据的噪声增加导致对金属伪影区域数据的分割不准确,因而导致低剂量条件下MAR的金属伪影去除效果不理想。

综上所述,MBIR、MAR、VMI+是去除腰椎金属内固定金属伪影的显著因素。在对高密度伪影的去除效果上, VMI+>MAR>MBIR;在对低密度金属伪影的去除效果上, MAR> VMI+> MBIR。MBIR、MAR、VMI+在联合应用于去除腰椎内固定金属伪影中,存在交互作用,其中以MAR和VMI+的交互作用最为显著。MBIR 4级、130KeV VMI+、MAR为本研究的最佳的联合方案。同时,本研究也存在一定的局限性。第一,本研究定量评价了金属伪影,但未进行主观评价。第二,本研究的腰椎内固定都是钛合金,未对其他材质金属进行探讨。第三,只在单一的CT制造商进行研究,不同CT平台的后处理算法可能存在差异。第四,未对MBIR和VMI+各个水平分别进行研究。第五、样本量较小。