不同CT掃描參數與迭代去金屬偽影算法效果的相關性

彭 剛，張志偉，郁 斌，郁仁強

(重慶醫科大學附屬第一醫院放射科，重慶 400016)

圖1 仿真胸部體模(A)及CT定位圖像(B)

CT檢查中，X線穿過金屬植入物時，光子缺乏和射束硬化所形成的金屬偽影可致圖像質量明顯下降，影響診斷準確性[1-2]。迭代去金屬偽影(iterative metal artifact reduction, IMAR)是一種減少金屬植入物偽影的計算機斷層重建技術，采用線性內插正弦修復方法，以未穿過金屬的相鄰投影內插數據來替換因穿過金屬而“損壞”的投影，獲得減少金屬偽影的效果[3]。前期研究[4-5]已通過體模實驗和臨床試驗證實IMAR能有效減少金屬偽影，提高圖像質量。本研究進一步探討不同CT掃描參數對IMAR去除金屬偽影效果的影響。

1 材料與方法

1.1 一般材料 采用“Lungman N1”型多用途男性仿真胸部體模(Kyoto Kagaku公司，圖1)，大小約43 cm×40 cm×48 cm，胸圍約94 cm，質量重約18 kg，具有胸壁、肋骨、脊柱、肺、心臟、氣管支氣管及肺紋理等組織結構，且X線衰減與人體等效，模擬胸部CT掃描時患者雙臂上舉仰臥體位，可從下方將縱隔及肺紋理結構取出，經四腔心水平放置2根40.0 mm×3.5 mm鈦合金螺釘于體模第7胸椎椎體兩側。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Perspective CT掃描儀，分別于植入金屬螺釘前后對體模進行掃描。采用自動管電流調制技術進行分組掃描。不同管電壓組：設定管電流70 mAs，管電壓分別為80 kV、110 kV和130 kV。不同管電流組：設定管電壓130 kV，管電流量20～120 mAs，間隔20 mAs。不同輻射劑量組：經預實驗設定低、中、高輻射劑量，即劑量長度乘積(dose length product, DLP)分別為200、150、100 mGy·cm 條件下掃描參數組合，分別以80、110、130 kV匹配310、68、29 mAs管電流量。其他掃描參數相同，準直128 mm×0.6 mm，轉速0.5 s/rot，螺距1，層厚5 mm，FOV 380 mm。掃描結束對所有數據分別采用迭代重建(iterative reconstruction, IR)等級3和IMAR進行重建。

1.3 圖像分析 ①主觀評價：由3名具有5年以上胸部影像學診斷經驗的主治醫師及副主任醫師對比分析圖像質量，結果不一致時經協商決定。采用4分法根據圖像中金屬偽影程度及鄰近組織結構顯示情況進行評分，0分：金屬偽影嚴重，鄰近組織顯示不清，不能診斷；1分：金屬偽影較多，鄰近組織大體結構尚能顯示，影響診斷；2分：金屬偽影較少，可以診斷；3分：金屬偽影基本消除，診斷明確。②客觀評價：由1名具有8年工作經驗的影像科主管技師選取相同層面圖像測量不同參數IR和IMAR圖像中各組織結構的CT值及其SD，于靠近螺釘金屬偽影較嚴重處勾畫ROI，肺實質ROI面積(0.60±0.02) cm2，椎旁軟組織面積(2.00±0.10) cm2。

表1 不同管電壓組IMAR圖像客觀評價指標比較(±s)

表1 不同管電壓組IMAR圖像客觀評價指標比較(±s)

管電壓(kV)肺實質SDΔHU(HU)椎旁軟組織SDΔHU(HU)8044.1±4.26264.42±5.2328.92±1.6498.44±3.3611032.56±1.09133.38±2.4424.72±0.9444.64±1.2313025.46±1.3474.92±0.4822.64±1.0324.98±1.11F值37.36180.7625.23210.33P值<0.01<0.01<0.01<0.01

表2 不同管電流量組IMAR算法圖像客觀評價指標比較(±s)

表2 不同管電流量組IMAR算法圖像客觀評價指標比較(±s)

管電流量(mAs)肺實質SDΔHU(HU)椎旁軟組織SDΔHU(HU)2028.74±2.07167.54±9.3525.4±0.4830.24±2.574026.9±1.12175.42±5.4321.24±0.4733.02±1.876026.56±3.94154.26±3.8720.8±0.1233.06±2.28033.38±2.56143.3±2.2716.3±0.4632.8±0.4210026.24±3.75143.5±1.7820.52±0.9733.06±1.3312036.78±4.5993.58±3.4317.28±2.0336.26±2.36F值9.0174.6254.243.44P值<0.01<0.01<0.01<0.05

表3 不同輻射劑量組IMAR圖像客觀評價指標比較(±s)

表3 不同輻射劑量組IMAR圖像客觀評價指標比較(±s)

DLP(mGy·cm) 參數組合管電壓(kV)/管電流(mAs)肺實質SDΔHU(HU)椎旁軟組織SDΔHU(HU)100130/2964.4±4.26161.1±5.2335.8±1.6433.85±3.36150110/6850.5±1.09224.4±2.4427.3±0.9443.22±1.2320080/31091.2±1.34380.6±0.4828.3±1.0380.1±1.11F值-437.666684.1352.38874.77P值-<0.01<0.01<0.01<0.01

CT圖像客觀評價指標：噪聲(CT值的標準差，standard deviation, SD),CT值偏差ΔHU(ΔHU=HU金屬-HU無金屬),即相同ROI植入金屬螺釘前后CT值之差。每個ROI測量5次，以均值為最后結果。

1.4 統計學分析 采用SPSS 22.0統計分析軟件。計量資料以±s表示。采用Kruskal-Wallis檢驗比較不同參數圖像的主觀評分，并行多重比較；以方差分析比較不同參數圖像SD及ΔHU的差異，以LSD檢驗行兩兩比較；采用線性回歸分析及Pearson相關分析觀察圖像質量客觀評價指標與掃描參數的相關性，|r|<0.5為低度相關，0.5≤|r|<0.8為中度相關，|r|≥0.8為高度相關。P<0.05為差異有統計學意義，P<0.01為差異有顯著統計學意義。

2 結果

2.1 不同管電壓組圖像質量比較 管電壓80、110、130 kV條件下，圖像中位主觀評分分別為1.0分、1.5分、2.0分，差異有統計學意義(χ2=11.49，P<0.01)。相同管電流量條件下，隨管電壓從80 kV增加至130 kV，金屬偽影不斷減少，鄰近結構清晰度不斷改善(圖2)。IMAR圖像肺實質和錐旁軟組織SD、ΔHU隨管電壓增加而減小，兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)，見表1。肺實質SD及ΔHU與管電壓均呈高度負相關(r=-0.91、-0.99，P均<0.01)，椎旁軟組織SD及ΔHU與管電壓亦呈高度負相關(r=-0.85、-0.97，P均<0.01),各客觀評價指標與管電壓相關性好。

2.2 不同管電流組圖像質量比較 不同管電流組圖像主觀評分差異無統計學意義(χ2=0.63，P>0.05)。相同管電壓條件下，隨管電流量從20 mAs逐漸增加至120 mAs，金屬偽影變化不明顯；IMAR圖像中肺實質及錐旁軟組織SD、ΔHU差異均有統計學意義(P均<0.05)，見表2。管電流量為40、60、100 mAs時，肺組織SD及椎旁軟組織SD和ΔHU兩兩比較差異均無統計學意義(P均>0.05)；管電流量80 mAs與100 mAs時肺組織ΔHU、管電流量80 mAs與120 mAs時椎旁軟組織SD差異均無統計學意義(P均>0.05)，余多重兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)。肺實質SD及椎旁軟組織ΔHU與管電流量低度相關(r=0.20、0.29，P均<0.01)，肺實質ΔHU及椎旁軟組織SD與管電流量呈中等負相關(r=-0.59、-0.56，P均<0.01)。

2.3 不同輻射劑量組圖像質量比較 低輻射劑量條件掃描圖像質量主觀評分高于中、高輻射劑量條件(χ2=8.58，P<0.05)，以高管電壓聯合低管電流量條件掃描圖像金屬偽影較低管電壓聯合高管電流量條件減少。不同輻射劑量組IMAR圖像肺實質及椎旁軟組織SD、ΔHU差異均有顯著統計學意義(P<0.01)；中、高輻射劑量條件掃描圖像椎旁軟組織SD差異無統計學意義(P>0.05)，余兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.05)，見表3。

圖2 不同管電壓組胸部CT金屬螺釘周圍偽影 A.管電壓80 kV圖像； B.管電壓110 kV圖像； C.管電壓130 kV圖像

3 討論

CT圖像中常見金屬植入物產生的偽影，嚴重影響周圍組織結構的顯示[6-7]。各大醫療儀器公司研發了不同技術用于減少金屬偽影，如雙能量CT去金屬偽影[8-9]、去金屬偽影軟件(MARs)[10]及去骨植入物金屬偽影(OMAR)迭代技術[11-12]等。IMAR聯合射線束硬化校正、線性內插標準化正弦圖修復和分頻去金屬偽影各種技術[3]，以未穿過金屬的相鄰投影的內插數據替換因穿過金屬而“損壞”的投影，獲得減少金屬偽影的效果，有效解決了金屬去偽影技術對硬件設備要求高以及產生新偽影等問題[3]。

本研究所用仿真胸部體模各組織結構與人體等效，結果具有可參考性。優化掃描參數需要進行重復掃描，而以體模為研究對象避免了倫理問題。本研究采用主觀及客觀評價法綜合分析圖像質量，主觀評分以4分法評價圖像質量，客觀評價以CT值的SD表示圖像噪聲水平，反映金屬螺釘產生偽影所致圖像質量下降程度，以CT值的偏差ΔHU反映金屬偽影對組織真實CT值的影響。

本研究結果顯示，以不同管電壓獲得圖像的主觀評分及客觀評價差異均有統計學意義，表明在相同管電流量條件下，以IMAR算法獲得圖像的質量隨管電壓增加而改善，且管電壓與圖像客觀評價指標的相關性好，提示IMAR算法中，管電壓是改善圖像質量的重要因素。相同管電壓條件下，隨管電流量增加，圖像質量無明顯改善，圖像質量客觀指標不斷波動，與管電流量的相關性欠佳。管電流量主要決定X線束光子的數量，管電壓主要決定X線束光子的能量及穿透能力，而金屬偽影的產生主要是由于X線穿過致密物質后過度衰減導致光子缺乏及線束硬化。因此，采用IMAR時，調整管電壓比改變管電流量對改善圖像質量更有效。

本研究分別于低、中、高輻射劑量下進行管電壓和管電流組合，發現低輻射劑量圖像質量優于中、高輻射劑量，高管電壓聯合低管電流量掃描圖像質量較低管電壓條件明顯改善，提示在不增加輻射劑量的情況下，可通過增加管電壓、減少管電流量來減輕金屬偽影對圖像質量的影響，值得臨床參考。

綜上所述，管電壓是影響IMAR效果的主要因素，采用IMAR去除金屬偽影時，增加管電壓對于改善圖像質量效果更佳，而在增加管電壓的同時減少管電流量可減輕金屬偽影對圖像質量的影響，并降低輻射劑量。

本研究僅為體模研究，結果有待臨床驗證；僅針對80、110、130 kV 3組管電壓進行觀察，有待進一步研究。