雙源CT單能譜成像減少脊柱金屬固定器偽影的研究

錢玲玲，李真林，袁元，王紫薇

脊柱金屬內固定術后，影像學檢查的目的在于確定植入物的位置是否恰當，有無影響到椎管和椎間孔而造成壓迫。術后隨訪影像學檢查種類較多，以X線平片最為常用，但X線平片為重疊成像，影響細節的顯示。MRI檢查時由于內固定金屬影響局部磁場均勻性，產生的偽影會嚴重降低脊柱及其周圍結構的圖像質量。多層螺旋CT可對植入金屬的位置、骨質情況及解剖關系進行評估，但常規螺旋CT檢查會在金屬植入物周圍形成線束硬化偽影，嚴重影響對鄰近重要結構的觀察[1]。因此，金屬內固定術后的影像學評估問題一直沒有得到很好地解決。能量成像技術的問世為解決此問題提供了可能。雙源CT（dual－source CT，DSCT）有2套X線管－探測器系統，當X線管能級不同時，可同時得到2套不同的采集數據，稱雙能量（dual energy scan，DE）掃描。具有不同信息的2套數據能夠對成像組織進行區分并計算出該組織的能譜曲線，從而獲得不同于形態學信息的特殊細節信息，開辟了潛在的臨床應用領域。本研究擬對后路脊柱金屬內固定植入術的雙能量CT掃描的臨床應用進行探討，旨在為臨床術后評估及預后評價提供新的影像選擇，并尋求脊柱內固定器去金屬偽影的最佳能量范圍。

材料與方法

1.一般資料

本院2013年7－8月門診或住院行經后路脊柱金屬內固定植入術后復查患者31例，其中男19例，女12例，年齡20～69歲，平均（44±15）歲。其中行頸椎內固定術后9例、胸椎內固定術后7例、腰椎內固定術后15例。

2.雙能量CT掃描方法

所有患者均采用Siemens Somatom Definition Flash炫速雙源CT機對內固定區域進行雙能量掃描。掃描范圍包括整個金屬內固定材料，上下超出固定材料3cm或1個椎體層面，掃描方向為自頭側向足側。采用能譜純化（selected photon shield，SPS）技術，A球管的管電壓100kV，參考管電流量129mAs；B球管的管電壓140kV，參考管電流量124mAs。其它掃描參數：準直器寬度128i×0.6mm，矩陣512×512，螺距0.9，0.5s／r，重組層厚0.75mm，層間距0.50mm。掃描完成后獲得3組自動重建數據，即100和140kV及平均加權120kV圖像（融合系數為0.6）。

3.圖像重建及分析

把獲得的100和140kV及平均加權120kV圖像傳輸至工作站（Syngo MMWP VE36A），其中平均加權120kV圖像用于診斷和攝片。將100和140kV數據載入雙能量軟件內，選擇單能譜（Monoenergetie）軟件進行處理。通過調整單能量值滑動條調節光子能量，軟件所提供的光子能量范圍為40～190keV，分別以64、69、88和105keV的光子能量重建4組圖像。所選keV值分別匹配平均能量為120kV峰值（64keV）、140kV 峰值（69keV）和錫過濾140kV 峰值（88keV）光譜。另外，有學者認為105keV為所有金屬內固定器最佳顯示光譜能量值[2-4]。由1位從事影像后處理5年以上的技師，對載入原始數據進行單能譜處理，得到主觀目測圖像質量最好、金屬偽影最少時的keV 圖像（optimised image quality keV，OPT－keV）。將上述4組重組數據、平均加權120kV數據及OPT－keV數據分別調入3D軟件進行 MPR重組（圖1）。

圖1 同一層面不同能級圖像，可見圖120kV及64和88keV圖像上內固定器邊緣模糊，椎體棘突及脊髓顯示不清，硬化偽影嚴重；88和105keV圖像上內固定器邊緣，椎體棘突及脊髓顯示較清晰，硬化偽影減輕；最佳keV圖像上內固定器邊緣（黑箭），椎體棘突及脊髓顯示清楚，硬化偽影減輕。a）平均加權120kV圖像；b）單能量值64keV圖像；c）69keV圖像；d）88keV圖像；e）105keV后處理圖像；f）OPT－keV圖像。

由2位從事骨關節影像診斷10年以上的醫師分別對上述6組圖像進行圖像質量4分制評分，評價標準[5]：1分，金屬偽影嚴重，周圍骨質不能評價；2分，金屬偽影存在，周圍骨質尚可評價；3分，明顯金屬偽影不明顯，骨質結構顯示良好；4分，無金屬偽影，周圍骨小梁顯示清晰，圖像優秀。意見不一致時協商決定。

4.統計學分析

結 果

31例脊柱骨折金屬內固定術后6組圖像評分見表1。單能譜最佳圖像評分在3分及以上者27例，平均加權120kV圖像3分及以上者僅3例，單能譜成像處理所獲得的OPT－keV組圖像質量明顯優于非處理圖像，檢驗結果顯示兩者間差異有高度統計學意義（F＝118.139，P＜0.01）。與平均加權120kV圖像相比，105keV（V＝0.62，P＜0.001）及 OPT－keV（V＝0.54，P＜0.001）組圖像質量有顯著提高；與105keV圖像相比，OPT－keV 圖像質量更好（V＝0.58，P＜0.001）。Kruskal－Wallis檢驗結果顯示，金屬固定器CT值在不同脊柱節段間差異有統計學意義（P＜0.01）。圖像質量一致性檢驗顯示，兩位醫師之間的一致性較強（Kappa值＝0.871，P＜0.01）。

表1 不同能量條件對脊柱骨折金屬固定術后圖像質量的比較

對脊柱不同節段金屬固定術后單能譜成像的最佳能量值進行了優化（表2），結果顯示（135±6）keV可為頸椎金屬內固定提供最佳的圖像質量，（127±8）keV可提供胸椎金屬內固定最佳的圖像質量，而（129±5）keV可提供腰椎金屬內固定最佳的圖像質量。

表2 不同脊柱水平金屬內固定器OPT－keV值

討 論

X線穿過高密度的金屬物質后發生衰減，導致對應的投影數據缺如，周圍組織信息喪失而產生金屬偽影。傳統混合能量CT圖像因射線硬化、部分容積、光子量不足等效應產生的黑白條狀或星狀偽影可降低金屬周圍結構顯示的清晰度。脊柱金屬內固定術后，手術醫師最關心的術后情況是內固定器狀態、骨折愈合情況及并發癥等，常常需要通過CT檢查來明確斷。傳統橫軸面CT無法全面反映骨折處的空間解剖關系，目前廣泛使用的CT三維重組技術由于線束硬化偽影的存在，對于骨折處細微結構的顯示也不盡人意，因此更為直觀、立體、全面地影像技術就顯得尤為重要。

近年來，CT雙能量技術成為CT研究的熱點，在肺栓塞、顱內動脈瘤檢測方面已體現出其優勢[5-10]。與常規CT相比，Somatom Definition Flash雙源CT機擁有2套X線管－探測器系統，每次掃描可以獲取層厚為0.6mm的重疊圖像，機架旋轉一周最短時間僅0.28s。本研究采用100和140kV兩種不同能量的X線進行數據采集，由于X線的衰減決定于X線的能量，用100和140kV的X線對同一組織進行掃描時，其X線衰減會有差異。金屬固定物對低能量X線的衰減系數最大，在高能量X線條件下，其衰減系數則相應減小[5，6，8-13]。雙源 CT 單能譜技 術 正 是利用了 X線的此種特性，通過特殊計算后，雙能量數據可得到不同keV下的圖像。

X線通過高密度的金屬時會被大量吸收，發生嚴重的衰減現象，金屬固定術后CT掃描成像會產生金屬放射狀偽影。盡管低窗位、高窗寬有助于降低金屬偽影，但還遠不足以去除線束硬化偽影，常常需要借助特殊的三維重組技術加以補充，但這些技術對骨折部位的解剖細節顯示不夠清晰。本研究中CT掃描采用了能譜純化技術，可以有效減少高能射線中無效的低能成分，同時，運用Monoenergetic軟件的單能譜重組成像技術，能最大限度的減少金屬偽影。在此基礎上經過計算機軟件重組產生的三維影像，彌補了X線和常規螺旋CT存在線束硬化偽影的不足，能更清晰地顯示病變及其與周圍結構的關系，有助于脊柱金屬內固定術后的療效評價。本研究中，評價了雙能量CT單能譜技術在31例金屬內固定術后的應用價值，結果顯示平均加權120kV圖像質量優良者僅3例，遠低于單能譜重建后圖像質量優良者的27例，由此可見雙能量CT的單能譜技術能夠改善脊柱金屬內固定術后CT的圖像質量，其提供的解剖細節足以滿足骨科醫師對患者療效、并發癥及預后的評價。

本研究還優化了不同脊柱節段金屬固定器單能譜成像的最佳能量值（OPT－keV）。Bamberg等[3]認為105keV為金屬固定器最佳單能量成像值，而周長圣等[14]則認為130keV為最佳值。上述研究所得最佳單能譜值都是針對所有金屬內固定器而言，并未對固定器的安裝部位、材料構成和幾何尺寸等進行進一步的論證，而本研究主要針對脊柱內固定器，同時還將脊柱不同節段納入了研究范圍，結果顯示對于脊柱金屬內固定器，其OPT－keV值為123～144keV平均（136±8）keV，具體數值隨脊柱節段不同而存在差異。由此可見，OPT－keV值具有個性化特征。由于本研究樣本分層后，每組樣本含量更小，將來的研究中可以納入更多的患者樣本，使研究結果更加準確和具有說服力；同時，由于本研究所收集病例均為術后隨訪病人，盡管能確定所有內固定器才均為鈦合金，但大部分內固定生產廠家和型號已難以確認，可能導致所得的最佳keV值不夠準確，還須進一步研究論證。此外，本例研究所納入的研究對象均采用脊柱后路術式，所得OPTkeV值對于前路術式者是否適用，仍有待考證。

由于本研究樣本分層后，每組樣本含量更小，將來的研究中可以納入更多的患者樣本，使研究結果更加準確和具有說服力；另一方面，未對軟組織的成像質量進行評估。同時，由于本研究所搜集病例均為術后隨訪患者，大部分病例所用金屬內固定材料與型號難以考證，可能導致所得的最佳keV值不夠準確，還須進一步研究論證。

綜上所述，雙源CT的單能譜技術能消除金屬偽影，從而能夠清晰地顯示脊柱金屬內固定術后骨質的細微結構，極大程度上降低了線束硬化偽影對圖像質量的影響，能全面的觀察骨折愈合情況，使圖像質量更符合臨床工作的需要。

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