去金屬偽影技術(shù)聯(lián)合第四代迭代重建技術(shù)在腰椎內(nèi)固定術(shù)后的應(yīng)用價(jià)值

腰椎內(nèi)固定術(shù)后，影像學(xué)檢查成為準(zhǔn)確定位植入物位置、判斷有無并發(fā)癥，以及后期隨訪觀察療效的主要方法。結(jié)合CT 的影像學(xué)評(píng)估方法逐漸成為檢驗(yàn)螺釘位置的金標(biāo)準(zhǔn)[1～3]。由于金屬螺釘具有高衰減的特點(diǎn)，常規(guī)CT圖像常表現(xiàn)為亮暗條紋，嚴(yán)重影響對(duì)螺釘周圍結(jié)構(gòu)的觀察和術(shù)后效果的評(píng)估。自CT 發(fā)明以來，為了抑制金屬偽影，人們提出了多種方法，并取得了不同程度的成功[4～7]。去金屬偽影技術(shù)（Orthopedic metal artifact reduction，O-MAR）是飛利浦醫(yī)療公司生產(chǎn)的一種商用產(chǎn)品，它通過一種穩(wěn)健而有效的算法來減少CT圖像中金屬偽影。本次研究旨在探討飛利浦Brilliance iCT 256 O-MAR技術(shù)聯(lián)合第四代迭代重建技術(shù)（The fourth generation iterative reconstruction technology，iDose4）在腰椎內(nèi)固定術(shù)后的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料收集2020年6～10月我院腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)后擬行腰椎CT檢查的患者32例，其中男16例，女16例，年齡35～68歲，平均（51.53±10.51）歲。本研究通過本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，研究未額外增加受檢者輻射劑量，無倫理學(xué)爭議，所有受檢患者無需額外簽署知情同意書。

1.2 掃描方案采用飛利浦Brilliance iCT 256層螺旋CT 掃描。患者取仰臥位，雙臂上舉。掃描范圍包括全部腰椎椎體。參數(shù)設(shè)置：準(zhǔn)直寬度128mm×0.625mm；層厚3mm；管電壓120kV；管電流采用固定噪聲指數(shù)（Noise index，NI）為23 的自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)；矩陣512×512；螺距0.925；球管轉(zhuǎn)速0.4r/s；同時(shí)應(yīng)用iDose4 技術(shù)，迭代水平Level=3，進(jìn)行圖像重建。在常規(guī)腰椎掃描參數(shù)中勾選O-MAR 選項(xiàng)，單次掃描可同時(shí)得到O-MAR技術(shù)處理前后圖像數(shù)據(jù)。均由同一技師進(jìn)行掃描操作完成，掃描所得圖像于后處理工作站留存。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1 圖像主觀評(píng)價(jià) 將圖像傳輸至后處理工作站，將O-MAR技術(shù)處理前后得到的薄層圖像進(jìn)行多平面重建（MPR）和容積再現(xiàn)（VR）后處理。隱藏掃描參數(shù)信息。骨窗的窗寬2 000HU、窗位800HU；軟組織窗寬500HU、窗位60HU。由兩位高級(jí)職稱醫(yī)師對(duì)O-MAR技術(shù)處理前后的影像橫斷面、冠狀面及矢狀面圖像進(jìn)行主觀影像質(zhì)量評(píng)價(jià)。取靠近金屬螺釘即受金屬偽影影響最大的層面進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括螺釘周圍軟組織、金屬與骨質(zhì)界面的軟組織、椎間盤、椎弓根和椎體。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參考Gondim 等[8]的研究：1分為偽影很重且無法辨認(rèn)正常結(jié)構(gòu)；2分為辨認(rèn)結(jié)構(gòu)比較困難；3分為能辨認(rèn)結(jié)構(gòu)，但信心較低；4分為能辨認(rèn)結(jié)構(gòu)，信心中等；5分為能辨認(rèn)結(jié)構(gòu)，信心較高。兩名醫(yī)師意見不統(tǒng)一時(shí)通過討論取得一致意見。

1.3.2 圖像客觀評(píng)價(jià)

1.3.2.1 CT值及SD值測量 在O-MAR技術(shù)處理前后偽影最重層面取3個(gè)ROI點(diǎn)及對(duì)照區(qū)域1個(gè)ROI點(diǎn)共4個(gè)感興趣區(qū)分別測量其CT及SD，其中ROI 1為低密度金屬偽影最嚴(yán)重（即密度最低）區(qū)域軟組織處，ROI 2為螺釘長軸中心處，ROI 3為受偽影影響右側(cè)腰大肌處，ROI 4 為受偽影影響最小軟組織區(qū)域（即對(duì)照區(qū)域），以標(biāo)準(zhǔn)差SD代表圖像的噪聲，每個(gè)ROI均測量3次取平均值，ROI面積50～60mm2，測量時(shí)兩組圖像感興趣區(qū)的位置和大小盡量一致。

1.3.2.2 偽影指數(shù)（Artifact index，AI）的計(jì)算 在很多情況下，消除背景噪聲的偏差比嚴(yán)格使用測量的SD較非O-MAR 和O-MAR 圖像更為準(zhǔn)確。一個(gè)更恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估涉及到一個(gè)原則：即由偽影引起的噪聲由以下指標(biāo)控制[9]：AI 用于定量描述金屬偽影的嚴(yán)重程度，其中，SDa是存在偽影的測量噪聲，SDb是背景噪聲。在本研究中，SDa分別取ROI 1、ROI 2、ROI 3 所 測得CT的SD均值，SDb 取ROI 4 所測得CT的SD。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用SPSS 26.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。分別對(duì)O-MAR技術(shù)處理前后2組圖像的不同評(píng)價(jià)項(xiàng)目進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，包括影像質(zhì)量評(píng)分、4個(gè)ROI 的CT、SD、AI，以P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1.1 CT的比較 去偽影后ROI 1的CT大于去偽影前（P<0.05）；去偽影后ROI 2 和ROI 3 的CT值小于去偽影前（P<0.05）；ROI 4 的CT在去偽影前后差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。見表1。

2.1.2 SD的比較 去偽影后ROI 1 和ROI 3 的SD值均小于去偽影前（P<0.05）；去偽影后ROI 2的SD大于去偽影前（P<0.05）；ROI 4 的SD在去偽影前后差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。見表2。

2.1.3 AI的比較 去偽影后ROI 1 和ROI 3 的AI值均小于去偽影前（P<0.05）；去偽影后ROI 2的AI值大于去偽影前（P<0.05）。見表3。

表1 O-MAR 處理前后各ROI 的CT（±s，HU）

表1 O-MAR 處理前后各ROI 的CT（±s，HU）

圖像 ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 O-MAR 處理前 -350.991±157.88 3020.991±73.04 96.606±54.54 42.59±22.21 O-MAR 處理后 -61.603±54.35 2993.325±118.53 67.831±38.52 40.18±15.71 t-11.175 3.033 3.846 0.250 P 0.000 0.005 0.001 0.619

表2 O-MAR 處理前后各ROI 的SD（±s，HU）

表2 O-MAR 處理前后各ROI 的SD（±s，HU）

圖像 ROI 1 ROI 2 ROI 3 ROI 4 O-MAR 處理前 79.366±51.06 57.122±72.33 27.334±21.15 10.706±2.93 O-MAR 處理后 31.475±15.54 92.194±126.62 17.291±4.26 10.884±2.81 t 5.920 -3.015 2.748 -0.416 P 0.000 0.005 0.010 0.680

表3 O-MAR 處理前后各ROI 的AI（±s）

表3 O-MAR 處理前后各ROI 的AI（±s）

圖像 ROI 1 ROI 2 ROI 3 O-MAR 處理前 78.263±51.59 55.049±73.43 24.085±22.18 O-MAR 處理后 28.455±17.31 90.450±126.94 12.855±5.57 t 6.139 -3.051 2.919 P 0.000 0.005 0.006

2.2 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果螺釘周圍軟組織、金屬與骨質(zhì)界面軟組織及椎弓根顯示方面，去偽影后的圖像評(píng)分明顯高于去偽影前，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；去偽影后椎體及椎間盤顯示的圖像評(píng)分低于去偽影前，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。見表4。

表4 O-MAR 處理前后影像質(zhì)量評(píng)分（±s）

表4 O-MAR 處理前后影像質(zhì)量評(píng)分（±s）

圖像 軟組織 金屬與骨質(zhì)界面 椎間盤 椎弓根 椎體O-MAR 處理前 2.76±1.110 2.25±0.718 3.88±1.431 2.31±1.176 3.34±0.937 O-MAR 處理后 4.13±1.078 3.38±0.492 2.63±1.408 3.69±0.965 2.13±0.178 t-3.548 -8.024 4.774 4.684 5.693 P 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000

圖1 椎弓根內(nèi)固定術(shù)后CT圖像

2.3 典型病例患者，女，39歲，椎弓根內(nèi)固定術(shù)后CT圖像見圖1A～F。圖1中A、B、C 為O-MAR技術(shù)處理前圖像，金屬螺釘周圍軟組織受高密度及低密度偽影影響難以觀察，受高密度偽影影響較重的右側(cè)腰大肌所測得的CT約134.2HU，螺釘與周圍骨質(zhì)界面顯示不清；圖1中D、E、F 為O-MAR技術(shù)處理后圖像，高密度及低密度偽影均明顯減輕，右側(cè)腰大肌所測得的CT約68.1HU，CT更接近于腰大肌真實(shí)CT，同時(shí)螺釘與周圍骨質(zhì)界面顯示清楚。

3 討論

近年來，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)因其較好的生物力學(xué)強(qiáng)度和性能，以及多種內(nèi)固定形式成為腰椎穩(wěn)定手術(shù)的主要技術(shù)[10]。椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，如：矯正脊柱畸形、降低固定失效和骨不連的發(fā)生率[11]。因此，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)已廣泛應(yīng)用于骨折、腫瘤、退行性疾病等引起的一系列腰椎疾病的治療中[12，13]。由于植入的金屬螺釘具有高衰減的特點(diǎn)，當(dāng)X 射線通過金屬螺釘時(shí)，探測器處的光子通量很低，探測器因“缺乏”光子，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，從而在重建過程中導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算，即使探測器接收到足夠的光子，但由于金屬的高衰減，量子噪聲也比不通過金屬的投影要高得多，這些噪聲投影會(huì)在CT圖像中產(chǎn)生條紋，同樣影響我們對(duì)金屬螺釘植入是否在位，有無松動(dòng)、斷裂，有無繼發(fā)感染及對(duì)鄰近關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有無壓迫等的觀察與判斷。通常金屬植入物產(chǎn)生偽影的原因主要是吸收低能量光子導(dǎo)致射線束硬化偽影、完全吸收光子導(dǎo)致光子饑餓效應(yīng)以及散射偽影[14，15]，金屬偽影遮擋金屬周圍重要組織器官，不同程度地影響了對(duì)斷層結(jié)構(gòu)的判斷，使圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，干擾臨床診治。為了減少金屬螺釘所造成的金屬偽影，近年大量研究分別從不同角度提出不同的方法和理論來減少金屬偽影[14，15]，O-MAR技術(shù)也因此應(yīng)運(yùn)而生。

本研究所使用的O-MAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是從原始輸入圖像中減去輸出校正圖像的迭代循環(huán)，使圖像生成新的輸入圖像，并且可以重復(fù)處理。該技術(shù)的第一步是設(shè)置輸入圖像的閾值，以創(chuàng)建僅含金屬的圖像；僅含金屬的圖像由設(shè)置為零的所有像素組成，但歸類為金屬的像素除外。如果圖像中不存在大的金屬像素簇，則不進(jìn)行進(jìn)一步處理，因此，O-MAR技術(shù)對(duì)非金屬圖像沒有影響。然后將輸入圖像分割為組織像素和非組織像素來創(chuàng)建組織分類圖像，Hounsefield 單位（HU）范圍內(nèi)接近0 的所有像素都被歸類為組織，對(duì)金屬、組織分類和輸入圖像進(jìn)行反復(fù)對(duì)比迭代運(yùn)算，最終將金屬偽影對(duì)應(yīng)的投影數(shù)據(jù)從原始數(shù)據(jù)中剔除，從而達(dá)到減少金屬偽影的效果[16]。臨床工作中，操作者通過CT圖像采集控制臺(tái)上的一個(gè)簡單復(fù)選框來調(diào)用O-MAR 功能，當(dāng)選擇O-MAR 時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行O-MAR 算法來處理原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)除了對(duì)O-MAR 處理后的圖像進(jìn)行重建和存儲(chǔ)外，還會(huì)對(duì)未經(jīng)校正的圖像進(jìn)行重建和存儲(chǔ)。因此醫(yī)生可將O-MAR 圖像與常規(guī)數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較。

本研究可見在低密度金屬偽影最嚴(yán)重（即密度最低處）的軟組織區(qū)域（ROI 1），經(jīng)O-MAR技術(shù)處理后CT為（-61.603±54.35）HU，明顯大于O-MAR技術(shù)處理前的（-350.991±157.88）HU，更接近于正常組織的CT，同時(shí)，該區(qū)域噪聲值也顯著降低，O-MAR技術(shù)處理后SD較O-MAR技術(shù)處理前SD下降了60.34%，AI下降63.64%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；在高密度金屬偽影區(qū)（ROI 2、ROI 3），CT明顯降低（P<0.05），受高密度偽影影響較重的右側(cè)腰大肌（ROI 3）經(jīng)O-MAR技術(shù)處理后的CT（67.831±38.52）HU，更接近正常腰大肌的CT。另外，O-MAR技術(shù)處理前后同層面受偽影影響最小的軟組織區(qū)域（ROI 4）的CT及SD的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），表明O-MAR技術(shù)對(duì)非金屬圖像沒有影響，正常組織影像得到充分保留。在螺釘周圍軟組織、金屬與骨質(zhì)界面軟組織及椎弓根顯示方面，去偽影后的圖像評(píng)分明顯高于去偽影前（P<0.05），這對(duì)金屬螺釘植入是否在位，有無繼發(fā)感染及對(duì)鄰近組織結(jié)構(gòu)病變的觀察等具有極大幫助；而在椎體及椎間盤顯示方面，去偽影后的圖像評(píng)分低于去偽影前（P<0.05），因此臨床醫(yī)生有必要將O-MAR技術(shù)處理前的圖像與O-MAR 處理后的圖像一起觀察，以獲得最確切診斷。

盡管使用O-MAR技術(shù)處理后，并沒有完全消除金屬螺釘所帶來的金屬偽影，但它能夠減少其對(duì)CT圖像的影響，從而顯著提高圖像的診斷質(zhì)量。參照結(jié)果中所述39歲女性患者的椎弓根內(nèi)固定采用O-MAR技術(shù)處理前后的圖像發(fā)現(xiàn)，即使在存在嚴(yán)重金屬偽影的情況下，O-MAR技術(shù)也能顯著改善圖像質(zhì)量，在O-MAR技術(shù)處理前的圖像上，金屬螺釘周圍軟組織受高密度及低密度偽影影響難以觀察，受高密度偽影影響較重的右側(cè)腰大肌所測得的CT約134.2HU，明顯高于正常腰大肌的CT，且螺釘與周圍骨質(zhì)界面軟組織顯示不清；而O-MAR技術(shù)處理后的圖像上，高密度及低密度偽影均明顯減輕，右腰大肌所測得的CT約68.1HU，更接近正常腰大肌CT，同時(shí)螺釘與周圍骨質(zhì)界面顯示清楚。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在O-MAR技術(shù)處理后的圖像中，接近螺釘?shù)墓趋罆?huì)發(fā)生輕微或較嚴(yán)重的退化，這與以往研究結(jié)果一致[17，18]，這可能與O-MAR技術(shù)復(fù)雜的處理程序有關(guān)，由于使用O-MAR技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)異常，因此臨床醫(yī)生有必要將去偽影前和去偽影后兩組圖像進(jìn)行綜合分析。

綜上所述，應(yīng)用O-MAR技術(shù)聯(lián)合iDose4 技術(shù)可以減輕腰椎椎弓根內(nèi)固定術(shù)后金屬螺釘引起的金屬偽影，有助于準(zhǔn)確地觀察螺釘?shù)奈恢眉爸車慕M織結(jié)構(gòu)，對(duì)腰椎內(nèi)固定術(shù)后的評(píng)估具有較大的應(yīng)用價(jià)值。