能譜CT在鈦籠椎間植骨融合評估中的應用研究

孫才淵，王鳳丹，張燕，薛華丹，金征宇

隨著骨科技術的快速發展，越來越多脊柱側彎、脊柱結核、脊柱骨折、脊柱退行性變及骨腫瘤等患者接受內固定手術。鈦籠具有良好的生物相容性和力學屬性[1]，內置長度可根據手術中病灶范圍以及正常椎體高度適當截取，植骨顆粒可通過鈦籠網眼與骨床融合，減少手術后矯正角度的偏移及前路鋼板所受到的剪切力，因此鈦籠在脊柱截骨融合術中得到越來越廣泛的應用[2]。

金屬內固定物僅能提供短期支持，長期的脊柱力學穩定性需要椎間植骨自身骨橋融合支持。由此，準確判斷鈦籠椎間植骨融合情況對于患者的隨訪及預后有著重要意義。X線是重疊影像，無法顯示植骨細節，普通CT掃描因螺釘、鈦籠等內固定物金屬偽影的存在嚴重影響對椎間植骨融合情況的觀察和評估。近年來國內外研究者在不斷探索去除CT金屬偽影的方法。曾憲春等[3]、潘自兵等[4]報道GE寶石能譜CT掃描可在一次雙能掃描中重建出不同能量級單能圖像，可有效去除人工髖關節等大型金屬植入物產生的金屬偽影。國內錢玲玲等[5]使用Siemens炫速雙源CT的單能譜技術可降低脊柱金屬內固定術后產生的線束硬化偽影，有助于醫師觀察骨折愈合情況。李燕等[6]使用飛利浦骨去金屬偽影技術(orthopedic mental artifact reduction，O-MAR)證明O-MAR可明顯減少脊柱內固定物金屬偽影的同時會對周圍組織產生影響，導致圖像失真。

對于脊柱鈦籠植骨融合術后患者，能譜CT是否能提高圖像信噪比、減少金屬偽影，從而有助清晰顯示和觀察椎間植骨融合情況，這方面的研究尚缺乏，因此本研究中應用能譜CT掃描，通過對單能圖像與常規混合能量CT圖像的比較，探討能譜CT在鈦籠椎間植骨融合評估中的應用價值。

材料與方法

1.一般資料

本研究為前瞻性研究，搜集2013年11月-2015年12月北京協和醫院骨科門診及住院的鈦籠椎間植骨融合術后患者，骨科醫師臨床判斷需要行CT檢查者，經患者及家屬簽署知情同意書后，進行能譜CT掃描。共計28例鈦籠椎間植骨融合術后患者行去金屬偽影CT及三維重建檢查，其中鈦籠位于脊柱頸段1例，頸胸段3例，胸段7例，胸腰段9例，腰段8例。男16例，女12例，年齡3～66歲，平均23.6歲。

2.CT掃描參數

采用GE寶石能譜64排Discovery CT 750 HD，寶石能譜成像(Gemstone Spectral Imaging，GSI)掃描參數：管電壓80～140 kVp瞬時切換，切換時間為0.5 ms，管電流550 mA，層厚0.625 mm，螺距0.984：1，球管旋轉速度為0.8 s/r。

3.圖像處理

掃描后獲得常規混合能量圖像(Mixed組)及單能量圖像(110 keV，GSI組)。骨窗窗寬2000 HU，窗位500 HU；軟組織窗寬350 HU，窗位40 HU。在后處理工作站(GE Volume Share ADW4.6)分別將Mixed圖像和GSI圖像進行矢狀面、冠狀面重建。對同一患者中無偽影層面進行信號值、噪聲、信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)測量，其中信號值為無金屬偽影層面中較均勻肌肉的CT值(CT muscle)，噪聲(standard deviation，SD)為同層面皮下脂肪中相同范圍皮下脂肪CT值標準差(SD fat)，SNR為CT muscle/SD fat比值(圖1)。再由兩位不同年資放射科醫師(Reader 1，11年骨骼肌肉系統影像診斷經驗；Reader 2，5年一般影像診斷經驗)獨立對每位患者鈦籠層面的Mixed圖像及GSI圖像進行主觀評分，評分內容包括三部分：偽影大小、鈦籠內植骨顯示清晰程度、鈦籠內植骨融合情況。其中偽影大小及鈦籠內植骨顯示清晰程度為5分法[7]。偽影大小評分標準：1分，圖像無偽影，圖像質量好；2分，圖像有較少條狀偽影，圖像質量較好；3分，圖像有部分條狀偽影，不影響診斷；4分，圖像有較多條狀偽影，影響診斷；5分，圖像有嚴重偽影，無法診斷。植骨顯示清晰程度評分標準：1分為植骨完全清晰，圖像質量好；2分為植骨較清晰，不影響評價；3分為植骨輕微影響評價；4分為植骨嚴重影響評價；5分為植骨無法評價。鈦籠內植骨融合情況根據Brantigan-Steffee-Fraser(BSF)分級法進行分級，為3分法[8-9]：1分為植骨吸收，鈦籠移位變形、結構塌陷，內固定器斷裂，植骨或鈦籠周圍有松動；2分為植骨部分融合，周圍有透亮線，植骨與椎體終板有骨橋形成；3分為植骨完全融合，至少1/2植骨有骨橋形成。

4.統計學分析

采用SPSS 18.0對所獲數據進行統計學分析。計數資料(噪聲、信噪比)采用配對樣本t檢驗；計量資料(主觀評分)采用Wilcoxon秩和檢驗，以P<0.05為差異具有統計學意義。采用組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)評估兩位評分者評分一致性：ICC 0.61～0.80，一致性好；ICC 0.81～1.00，一致性非常好[10]。

結 果

1.兩位評分者對圖像評分進行一致性檢驗

Mixed組偽影大小、植骨顯示清晰程度、植骨融合ICC值分別為0.81、0.91、1.00，GSI組偽影大小、植骨顯示清晰程度、植骨融合評分ICC值分別為0.681、0.641、0.955，兩位評分者對兩組圖像評分一致性好，其中兩位評分者對Mixed組偽影大小、植骨顯示清晰程度、植骨融合及GSI組植骨融合評分一致性非常好。

2.客觀指標

GSI組圖像噪聲值11.17±2.27，Mixed組圖像噪聲值16.31±3.31，兩組差異有統計學意義(t=15.292，P<0.001)。GSI組圖像SNR為4.64±1.03，Mixed組圖像SNR為3.81±0.93，兩組差異有統計學意義(t=-7.749，P<0.001)。

圖1 a)Mixed圖像信號值與噪聲值測量；b)GSI圖像信號值與噪聲值測量。 CTmuscle為均勻肌肉CT值 ；SD fat為脂肪標準差。 圖2 a)Mixed圖像中鈦籠、螺釘周圍大量放射狀偽影，周圍透亮線存在，鈦籠內植骨與椎體終板骨橋形成，BSF分級為2分；b)GSI圖像中鈦籠、螺釘周圍放射狀偽影顯著減少，周圍透亮線存在，鈦籠內植骨與椎體終板骨橋形成，BSF分級為2分。 圖3 男，8歲，T11～T12間半椎體切除+椎體間鈦籠植入。a)Mixed圖像鈦籠內植骨周圍透亮線(箭)，植骨融合評分為2分；b)GSI圖像鈦籠內植骨無透亮線，植骨融合評分為3分。 圖4 男，4歲，T12～L1椎體間鈦籠植入。a)Mixed圖像中植骨周圍透亮線(箭)，植骨與椎板骨橋形成，植骨融合評分為2分；b)GSI圖像中植骨周圍無透亮線，植骨與終板骨橋形成，植骨融合評分為3分。

3.主觀評分

Reader 1對Mixed組偽影大小評分為4.32±0.61，對GSI組偽影大小評分為3.00±0.67，兩組評分差異有統計學意義(Z=-4.876，P<0.001)；Reader 2對Mixed組偽影大小評分為4.11±0.63，對GSI組偽影大小評分2.75±0.65，兩組評分差異有統計學意義(Z=-4.818，P<0.001)。Reader 1對Mixed組植骨顯示清晰程度評分為3.46±0.51，對GSI組植骨顯示清晰程度評分為2.61±0.63，兩組評分差異有統計學意義(Z=-4.707，P<0.001)；Reader 2對Mixed組植骨顯示清晰程度評分為3.43±0.63，對GSI組植骨顯示清晰程度評分為2.46±0.64，兩組評分差異有統計學意義(Z=-4.508，P<0.001)。Reader 1對Mixed組植骨融合評分為2.00±0.90，對GSI組植骨融合評分為2.18±0.90，兩組差異沒有統計學意義(Z=-1.633，P=0.102>0.05)；Reader 2對Mixed組植骨融合評分為2.00±0.90，對GSI組植骨融合評分2.11±0.92，兩組差異沒有統計學意義(Z=-1.342，P=0.180>0.05)，見表1。

表1 Mixed組和GSI組主觀評分比較

Mixed圖像中鈦籠、螺釘周圍可見大量放射狀偽影，鈦籠內植骨部分融合，與鄰近椎體終板骨橋形成，周圍有透亮線，BSF分級為2分(圖2a)；GSI圖像中鈦籠、螺釘周圍放射偽影顯著減少，鈦籠內植骨與鄰近椎體終板骨橋形成，BSF分級為2分(圖2b)。有兩名患者的BSF在Mixed圖像和GSI圖像中不一致，分別為患者1(男，8歲，T11～T12間半椎體切除+椎體間鈦籠植入，圖3)和患者2(男，4歲，T12～L1椎體間鈦籠植入，圖4)，Mixed圖像中BSF分級為2分，GSI圖像中BSF分級為3分。

討 論

近年來相關研究報道寶石能譜CT在減少金屬偽影的臨床應用價值[11-13]，因此可進一步探討能譜CT在鈦籠椎間植骨融合評估中的應用價值。

有相關研究認為高能級射線丟失低能級電子信息，提高背景噪聲，從而降低SNR[6]。另有研究者已經證明在能譜CT掃描中，GSI可減少來自脊柱螺釘、鈦板、大型髖關節假體等內固定物產生的金屬偽影[12-13]。寶石能譜CT利用能譜曲線可快速有效獲得單能量圖像，在高電壓區可有效減少金屬植入物偽影[15-16]，最佳能量成像區間為100～120 keV。吳建國等[16]研究報道單源能譜CT成像能量級升高到一定程度(130 keV以上)，對應圖像的SNR隨之減小，圖像質量下降，因此本研究采用110 keV能量級進行GSI掃描，對Mixed組和GSI組圖像中噪聲值、SNR進行測量，結果顯示GSI組較Mixed組噪聲值降低，SNR增加，且差異有統計學意義(P<0.05)，證明110 keV能譜成像能有效降低噪聲，提高SNR。

近年來國內外報道顯示能譜CT成像能夠有效減少骨科內固定物相關金屬偽影，使金屬內固定術后細微結構顯示更為清晰[17]。本研究中兩位評分者對Mixed組和GSI組偽影大小、植骨顯示清晰程度評分差異有統計學意義(P<0.001)。Mixed圖像中鈦籠、螺釘、植骨周圍見大量放射狀偽影，鈦籠內植骨受偽影影響使得閱片者無法作出準確判斷，GSI圖像中放射狀偽影顯著減少，鈦籠、螺釘邊緣以及植骨內結構清晰可見，閱片者能作出準確評估。閱片者對兩組圖像的評分差異有統計學意義，表明能譜CT可有效減少鈦籠椎間植骨中的偽影，使鈦籠內椎間植骨顯示更為清晰。

以往文獻中對脊柱鈦籠植骨融合術后研究尚缺乏，僅王俊波等[18]使用雙源CT探討頸椎鈦網植骨融合術后的應用價值，文中未對植骨融合狀態分級做詳細統計學分析。本研究結果顯示Mixed圖像和GSI圖像的植骨融合BSF分級評分差異沒有統計學意義，Mixed圖像中鈦籠、螺釘周圍存在大量放射狀偽影，鈦籠內植骨有融合，與鄰近椎體終板骨橋形成，植骨周圍有透亮線。與Mixed圖像相比，GSI圖像中鈦籠、螺釘周圍放射偽影顯著減少，但鈦籠內未見更多植骨融合，故BSF分級無變化，說明GSI圖像減少金屬偽影，對BSF分級無影響。值得注意的是本研究中有2名患者BSF分級在兩組圖像中發生變化，Mixed圖像中金屬偽影影響對骨橋的觀察，植骨周圍顯示為透亮線，GSI圖像減少鈦籠內植骨中的偽影，周圍無透亮線存在，清晰顯示骨橋及更多植骨融合的存在，使得患者BSF分級發生變化，GSI技術對鈦籠內植骨融合BSF分級評估可能有一定的臨床意義，有進一步研究的價值。

本研究的局限性：①本研究樣本量較小，一共28例入組患者，待樣本量充足后可進一步驗證；②本研究參照其他研究報道的去除骨關節金屬偽影最佳能量級110 keV，沒有使用其他能量級圖像作為對比，在鈦籠植骨融合CT評估中110 keV是否為最佳能級還需進一步驗證，同時本研究中患者術中所使用的內固定器型號與偽影的關系亦不明確；③本研究沒有評估患者臨床融合的情況，無法使用手術探查(金標準)與CT的BSF分級進行對照，未來可與骨科醫師合作進一步論證植骨影像學融合與臨床融合的關系。

綜上所述，GSI能降低CT圖像噪聲，提高CT圖像信噪比，減少金屬偽影，使鈦籠內植骨顯示更清晰，從而對鈦籠椎間融合情況的評估更為準確可靠。