雙層探測器光譜CT虛擬單能量成像聯(lián)合去除植入物金屬偽影用于減少置換髖關(guān)節(jié)假體金屬偽影

孫彤彤,黃熙菎,羅騰龍 ,楊德金,閆 東*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京積水潭醫(yī)院放射科,2.矯形骨科,北京 100035)

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療髖部疾病(如晚期骨性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死)的主要方法之一,術(shù)后可利用CT觀察有無無菌性炎癥、骨吸收溶解及假體周圍骨折等,但假體金屬偽影嚴重影響圖像質(zhì)量。既往多以骨科去除植入物金屬偽影(orthopedic metal artifact reduction, O-MAR)算法去除CT圖像中的偽影[1]。隨著能譜CT的發(fā)展,虛擬單能量成像中的高能級圖減輕金屬偽影技術(shù)逐漸普及。以單一O-MAR和虛擬單能量圖(virtual monoenergetic image, VMI)及二者聯(lián)合去除金屬偽影已有報道[2],但少見基于雙層探測器光譜CT的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后在體研究。本研究基于雙層探測器光譜CT觀察VMI聯(lián)合O-MAR去除髖關(guān)節(jié)假體金屬偽影的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性納入2021年7月—2022年4月20例于北京積水潭醫(yī)院接受髖關(guān)節(jié)雙層探測器光譜CT掃描的單側(cè)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者,男7例、女13例,年齡38～67歲、平均(53.5±15.7)歲,體質(zhì)量指數(shù)20.26～25.02 kg/m2、平均(22.50±4.10)kg/m2。納入標準:①置換關(guān)節(jié)假體為鈦合金材質(zhì)臼杯和股骨柄、陶瓷材質(zhì)股骨頭、聚乙烯或陶瓷材質(zhì)臼杯內(nèi)襯;②術(shù)后3年平掃CT資料完整。排除標準:①掃描范圍內(nèi)除置換關(guān)節(jié)假體外存在其他金屬;②圖像中存在其他偽影。本研究經(jīng)院倫理委員會批準(積倫科審字第202107-07號)。

1.2 儀器與方法 采用Philips IQon Spectral CT機。囑患者仰臥接受髖關(guān)節(jié)掃描,管電壓120 kVp,管電流250 mAs,螺距1,準直器寬度64×0.625 mm,球管轉(zhuǎn)速0.5 s/rot,矩陣512×512,掃描層厚5 mm,重建層厚1 mm;對圖像進行重建,以混合迭代法獲得的常規(guī)120 kVp混合能量圖(polyenergetic image, PI)、加入O-MAR的PI(MAR圖)、基于投影空間光譜重建法的不同能級(70～200 keV,間隔10 keV)VMI和加入O-MAR的VMI(VMI-MAR圖)。

1.3 圖像分析 由2名具有5年以上診斷經(jīng)驗的影像科醫(yī)師于Philips Intellispace portal工作站進行圖像分析。

1.3.2 主觀評價 調(diào)節(jié)窗寬、窗位,觀察圖像偽影嚴重程度及假體周圍組織(盆腔內(nèi)器官如膀胱、直腸,關(guān)節(jié)周圍肌肉如臀大肌、臀小肌、恥骨肌、閉孔內(nèi)肌及股直肌等)清晰度,采用Likert量表5分法[2]進行評分:1分,偽影嚴重,無法觀察假體周圍組織;2分,中度偽影,假體周圍組織觀察受限;3分,輕度偽影,可觀察假體周圍組織;4分,幾乎無偽影,假體周圍組織可觀察程度良好;5分,完全無偽影,假體周圍組織清晰可見[2]。取2名醫(yī)師評分的平均值為最終結(jié)果。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 23.0統(tǒng)計分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計量資料,組間行配對t檢驗;以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示不符合正態(tài)分布者,組間行Wilcoxon檢驗。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intra-class correlation coefficient, ICC)評價2名醫(yī)師測量結(jié)果的一致性;以ICC<0.20為一致性較差,0.20～0.40為一般,0.41～0.60為中等,0.61～0.80為較強,>0.80為強。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 客觀測值 2名醫(yī)師測量AI及SD的一致性較強或強(ICC=0.73～0.91),故針對醫(yī)師1的測量結(jié)果進行后續(xù)分析;對VMI及VMI-MAR圖組內(nèi)不同能級間測值未予比較。

2.1.1 AI 4組圖像之間,低密度AI兩兩比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.001);除MAR圖與110 keV VMI、150 keV VMI及70 keV VMI-MAR圖外,其余2種圖像間高密度AI差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)。見表1。

表1 髖關(guān)節(jié)PI、MAR圖、VMI和VMI-MAR圖的AI及SD

隨能級升高,VMI及VMI-MAR圖中多數(shù)AI下降,且能級越高越趨于平穩(wěn);VMI圖中部分AI先降低后升高。圖1。

圖1 髖關(guān)節(jié)VMI及VMI-MAR圖中AI隨能級變化的曲線圖(不同顏色的線代表不同患者) 圖2 髖關(guān)節(jié)VMI及VMI-MAR圖中SD隨能級變化的曲線圖(不同顏色的線代表不同患者)

2.1.2 SD 除MAR圖與110 keV VMI、150 keV VMI、190 keV VMI外,其余圖像間膀胱SD兩兩比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.001);4組圖像間臀大肌SD兩兩比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)。見表1。

隨能級升高,VMI及VMI-MAR圖中多數(shù)SD下降,且能級越高越趨于平穩(wěn); VMI中部分膀胱SD先降低后升高。見圖2。

2.2 主觀評價 PI主觀評分為結(jié)果為1(1,1),MAR圖為3(2,3),70、110、150及190 keV VMI分別為1(1,1)、2(2,2)、2(1,2)及2(1,2),70、110、150及190 keV VMI-MAR圖分別為2.5(2,3)、4(3.25,4)、4(3,4)及4(3,4);以VMI-MAR圖的主觀評分最高(圖3)。除PI與70 keV VMI、MAR圖與70 keV VMI-MAR圖外,其余圖像間主觀評分兩兩比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.01)。

圖3 患者男,54歲,左髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后 A.左髖關(guān)節(jié)PI; B.左髖關(guān)節(jié)MAR圖; C.左髖關(guān)節(jié)110 keV VMI; D.左髖關(guān)節(jié)110 keV VMI-MAR圖

3 討論

本研究雙層探測器光譜CT采用單球管、單電壓,上層探測器可捕獲低能量光子,下層則能捕獲高能量光子,具有同源、同時、同向的特點;基于探測器能譜成像的高、低能投影數(shù)據(jù)完全匹配,生成的VMI在消除噪聲和減輕線束硬化效應(yīng)方面更為出色,有助于促進聯(lián)合應(yīng)用VMI與O-MAR[3-4]。

CT圖像中出現(xiàn)金屬偽影的主要原因在于線束硬化效應(yīng)(射線透過金屬后低能量光子大部分被吸收,到達探測器的光子能量較高,主要形成高密度偽影)、光子饑餓效應(yīng)(射線透過金屬后低能和高能光子均被吸收,到達探測器的光子量不足以產(chǎn)生信號,導(dǎo)致圖像重建過程中出現(xiàn)錯誤,主要形成低密度偽影)及散射(金屬與周圍組織對射線的衰減差異較大而形成偽影)[3,5]。金屬偽影常表現(xiàn)為低、高密度偽影共存。有學(xué)者[2]分析髖關(guān)節(jié)CT圖像中的金屬偽影,發(fā)現(xiàn)O-MAR可減輕光子饑餓效應(yīng),有助于減少低密度偽影;而高能級VMI可減輕線束硬化效應(yīng),對減少高密度偽影更有優(yōu)勢;本研究結(jié)果與之相符。既往研究[6]認為O-MAR可有效去除CT腦深部刺激電極偽影,而與VMI聯(lián)合應(yīng)用并不能提升O-MAR去除偽影效果。本研究結(jié)果顯示,VMI-MAR圖去除金屬偽影效果最為顯著、優(yōu)于MAR圖,與上述研究[6]結(jié)果有所不同,原因可能在于該研究所用電極材質(zhì)、尺寸及生理環(huán)境均與本研究所用髖關(guān)節(jié)假體存在差異。以上結(jié)果提示,對于O-MAR聯(lián)合VMI去除CT圖像金屬偽影效果,需要根據(jù)金屬所在部位、材質(zhì)及尺寸等加以具體分析[7-8]。

金屬偽影可影響置換假體周邊組織成像,而對于盆腔內(nèi)器官的成像效果直接影響診斷腫瘤復(fù)發(fā)或轉(zhuǎn)移,清晰顯示肌肉有助于判斷其有無萎縮和水腫。本研究結(jié)果表明,VMI聯(lián)合O-MAR可最大限度降低髖關(guān)節(jié)假體周邊組織噪聲;VMI噪聲值隨能級升高而下降,但其軟組織對比度亦隨能級升高而變差[9-10]?；赩MI觀察周邊組織情況時,切勿為降低噪聲而僅針對高能級圖像,以免對比度過低而引起漏、誤診。

O-MAR和高keV VMI可因像素分割和分類不準確致CT圖像出現(xiàn)新偽影[1,11-12]。本研究發(fā)現(xiàn)部分VMI中AI和膀胱SD隨能級升高而先下降后升高,主要原因在于70 keV圖的高密度偽影可于100 keV圖中大幅減少,而于130 keV圖中變?yōu)榈兔芏葌斡?圖4)。對于去除金屬偽影,并非能級越高VMI越好,應(yīng)基于原始圖像進行對比觀察,以免出現(xiàn)新偽影而影響診斷。

圖4 患者男,49歲,左髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后同層面VMI A.ROI為高密度偽影,SD=154.9 HU;B.ROI處偽影大幅度減少,SD=21.3 HU; C.ROI為低密度偽影,SD=59.8 HU (綠圈為ROI)

本研究的主要局限性:①樣本量小;②未納入雙側(cè)和部分髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者;③未針對假體材質(zhì)進行分類觀察。

綜上,雙層探測器光譜CT VMI聯(lián)合O-MAR有助于去除髖關(guān)節(jié)假體金屬偽影、降低周邊組織噪聲。