基于模型的迭代重建、金屬偽影去除和噪聲優化的虛擬單能成像在去除腰椎內固定金屬偽影效果的正交設計研究

成慶 夏可周 彭宙峰 程亮 郭衛春

腰椎內固定手術因力學強度高、術后效果好等優勢,已成為治療腰椎疾病的常用方法。CT是術后檢查的常用方法[1],但由于金屬偽影的干擾,嚴重影響了對椎弓根螺釘及其鄰近組織結構的評估。基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction,MBIR)算法、金屬偽影去除(metal artifact reduction,MAR)算法和噪聲優化的虛擬單能成像(noise-optimized virtual monoenergetic imaging,VMI+)是三種不同的CT圖像后處理算法,在去除金屬偽影方面的研究已有相關報道[2-4]。然而,關于MBIR、MAR、VMI+在對腰椎內固定金屬偽影的去除效果差異和最佳聯合方案,國內外鮮有報道。本研究采用正交設計的方法,分析和比較MBIR、MAR、VMI+在去除腰椎內固定高密度和低密度金屬偽影的效果差異,并提出可能的最佳聯合方案。

對象與方法

一、對象

回顧性收集了我院2022年11月～2023年9月期間,行腰椎內固定術后行CT檢查病人的原始數據,共10例,其中男性3例,女性7例,年齡50～69歲,平均年齡59.4歲。納入標準:(1)腰椎內固定術后CT復查病人;(2)圖像無運動偽影。排除標準:(1)圖像存在運動偽影;(2)腰椎腫瘤。

二、方法

1.儀器及掃描參數:檢查機型為第三代雙源SOMATOM Force CT。掃描參數:兩個球管管電壓分別為100kV 和Sn150 kV,開啟智能管電流調制技術 (caredose 4D),旋轉時間為0.33 秒,螺距為0.5,探測器準直器寬度為128×0.6 mm,重建層厚、層間距均為1mm,矩陣為512×512。

2.正交設計:本實驗以MBIR(ADMIRE,Siemens Healthcare)、MAR(iMAR,Siemens Healthcare)、VMI+(VMI,Siemens Healthcare)為考察因素,以偽影指數(artifact index,AI)為評價指標,采用L8(27)正交實驗表設計3因素2水平的實驗方案,共進行10次重復實驗,同時考慮MBIR、MAR、VMI+三因素之間的交互作用,因素水平見表1,L8(27)正交實驗設計方案表見表2。

表1 因素及水平方案

表2 L8(27)正交設計方案表與結果

三、統計學分析

結果

1.直觀分析:本實驗的指標AI的值越小越好。直觀分析顯示,在對AI1值的影響中,各因素和因素間交互作用的影響大小順序為C>B>B×C>A>A×C>A×B。在對AI2值的影響中,各因素和因素間交互作用的影響大小順序為: B>C>B×C>A>A×B>A×C。A、B、C因素不同水平對AI1值和AI2值的影響,均為k2>k1,即A2>A1、B2>B1、C2>C1。見表2。

2.方差分析:本研究存在空白列,在方差分析過程中,將空白列的離差平方和與誤差的離差平方和合并,重新進行數據處理[5]。如表3,方差分析結果顯示,在對AI1值的影響中,因素A、因素B、因素C及A×B、A×C、B×C的交互作用兩水平差異有統計學意義(P<0.001);在對AI2值的影響中,因素A、因素B、因素C及A×B、B×C的交互作用兩水平差異有統計學意義(P<0.001),A×C的交互作用兩水平差異無統計學意義(P>0.05)。

表3 方差分析

由于存在交互作用,要確定最佳的聯合方案,需進一步分析因素間交互作用的不同水平組合。根據二元表,在對AI1值的影響中,A2B2組合(表4)、A2C2組合(表5)和B2C2組合(表6),優于其他水平組合,為最佳水平組合。在對AI1值的影響中,A2B2組合(表7)和B2C2組合(表8),優于其他水平組合,為最佳水平組合。見圖1。

圖A～H為該病例原始數據依次按L8(27)正交實驗方案表處理的8組后處理圖像,如圖所示,不同聯合方案在去除腰椎內固定金屬偽影的效果上存在差異,其中以圖H為8號實驗方案的后處理圖像,金屬偽影去除效果最顯著,即MBIR 4級、有MAR、130 KeV VMI+聯合方案為本實驗最佳去除腰椎內固定金屬偽影的方案

表4 AI1 A×B的水平搭配表

表5 AI1 A×C的水平搭配表

表6 AI1 B×C的水平搭配表

表7 AI2 A×B的水平搭配表

表8 AI2 B×C的水平搭配表

討論

近年來,脊柱外科技術迅速發展,腰椎內固定術已廣泛應用于治療腰椎骨折、椎體滑脫、腰椎椎間盤突出和椎管狹窄等多種腰椎疾病[6]。然而,術后可能存在內固定松動及斷裂的遠期風險,且錯誤的椎弓根置釘可能導致鄰近組織損傷等并發癥。因此,準確評估腰椎內固定置入位置,對評估并發癥及預后具有重要的意義。CT成像檢查是腰椎內固定術后隨訪的常用檢查方法。然而,金屬偽影的存在影響對腰椎內固定及其鄰近組織結構的觀察。CT金屬偽影產生原因主要有X線束硬化效應、光子饑餓效應、康普頓散射效應、部分容積效應[7]。由于形成金屬偽影的原因不同,金屬偽影在CT圖像上的表現形式也不同。在腰椎內固定術后病人的CT圖像中,表現為內固定周圍的高密度偽影、沿椎弓根螺釘長軸的低密度偽影,以及高密度與低密度的混合偽影。

既往的研究表明,MBIR、MAR、VMI+在去除金屬偽影方面效果顯著,這在Ishikawa等[8]和Zeng等[9]的研究中亦得到證實。本研究顯示,MBIR、MAR、VMI+是去除腰椎內固定金屬偽影的顯著因素,對高密度和低密度金屬偽影均具有顯著的去除效果,與前述研究一致。此外,盧國雄等[4]的研究顯示,高keV VMI+能有效減少金屬偽影的同時兼顧良好的組織對比。Wellenberg等[10]的研究顯示,MBIR在較高強度等級的迭代水平上,具有更好的金屬偽影去除效果。本研究結果顯示,相對較低強度等級的MBIR、低能級的VMI+、無MAR,高強度等級的MBIR、高能級的VMI+,MAR表現出更好的腰椎內固定金屬偽影去除效果,與前述研究結果一致。

由于不同算法的原理不同,在去除金屬偽影效果上也存在一定差異。 Anhaus等[11]的研究表明,對高原子序數或大型金屬偽影,MAR相較于VMI表現更佳;然而,對于脊柱內固定金屬偽影,VMI則優于MAR。Ishikawa等[8]的研究顯示,MAR是減少CT低密度金屬偽影最有效方法,而MBIR和VMI則是減少高密度金屬偽影最有效的方法。與傳統的VMI不同, VMI+采用分頻方法從低能量圖像中提取高對比度圖像信息,從最優能級重建的圖像中提取低噪聲信息,將二者結合以獲得質量更高的圖像[12]。相比傳統的迭代重建(IR),MBIR是新一代迭代重建算法,通過對CT圖像系統建模,考慮了系統噪聲、X線束硬化、X線散射、探測器特性等因素的影響,能夠更有效去除X線束硬化和康普頓散射造成的金屬偽影[13]。迄今為止,國內外尚少見比較MBIR、MAR、VMI+在去除腰椎內固定金屬偽影方面的報道。本研究表明,MBIR、VMI+、MAR在腰椎內固定金屬偽影去除方面存在顯著差異。在去除高密度金屬偽影方面,VMI+>MAR>MBIR;而在去除低密度金屬偽影方面,MAR>VMI+>MBIR。這些差異可能與MAR、VMI+、MBIR的原理有關。腰椎內固定的高密度金屬偽影主要位于螺釘兩側,主要由X線束硬化和康普頓效應引起,而VMI+在去除X線束硬化引起來的高密度金屬偽影的效果更好。同時,MBIR在去除X線束硬化和康普頓效應形成的金屬偽影具有一定的優勢。腰椎內固定的低密度金屬偽影主要位于螺釘長軸方向,主要由光子饑餓效應引起,MAR在去除光子饑餓效應引起的金屬偽影方面的表現更為優越。這也說明了針對不同類型的金屬偽影,形成的原因不同,應該采取差異化的處理方法。

以往的研究多數采用單因素分析法,鮮有運用多因素分析法,導致研究結果相對孤立,未能揭示各因素之間的關聯。本研究運用正交設計,克服了以往單因素分析的局限,可以深入分析因素之間的內在聯系和相互影響。有報道顯示,不同算法聯合應用可能對算法性能產生影響。李杰等[14]的研究結果表明,相比單獨使用VMI,MAR與VMI的聯合應用,在較低能級水平即可達到在高能級條件下同等的金屬偽影去除效果,提示了算法間的性能存在相互影響的可能。本研究結果表明,在MBIR、MAR、VMI+聯合應用以去除腰椎內固定金屬偽影的條件下,存在明顯的交互作用,其中以MAR與VMI+的交互作用最顯著,表明MAR與VMI+聯合使用能夠增強算法的性能,得以更有效地去除腰椎內固定金屬偽影。這也提示了多算法聯合有望增強算法性能,具有更強的金屬偽影去除效果。同時,本研究發現,MBIR 4級、130KeV VMI+及MAR的聯合方案為本研究的最佳的方案,提示了較高強度等級的MBIR、較高能量水平的VMI+以及MAR的聯合方案可以更有效的去除腰椎內固定金屬偽影。

在低劑量條件下,Fukushima等[15]的研究顯示,與MAR相比,MBIR可以更有效去除腰椎內固定金屬偽影。然而,本研究發現,在對低密度和高密度金屬偽影去除效果方面,MAR明顯優于MBIR。這一差異可能歸因于MAR算法的性能受到劑量水平的影響,這在Grandmougin等[3]的研究中得到證實。MAR算法在原始數據處理過程中,涉及一個對金屬偽影區域數據分割的步驟,在低劑量條件下,原始數據的噪聲增加導致對金屬偽影區域數據的分割不準確,因而導致低劑量條件下MAR的金屬偽影去除效果不理想。

綜上所述,MBIR、MAR、VMI+是去除腰椎金屬內固定金屬偽影的顯著因素。在對高密度偽影的去除效果上, VMI+>MAR>MBIR;在對低密度金屬偽影的去除效果上, MAR> VMI+> MBIR。MBIR、MAR、VMI+在聯合應用于去除腰椎內固定金屬偽影中,存在交互作用,其中以MAR和VMI+的交互作用最為顯著。MBIR 4級、130KeV VMI+、MAR為本研究的最佳的聯合方案。同時,本研究也存在一定的局限性。第一,本研究定量評價了金屬偽影,但未進行主觀評價。第二,本研究的腰椎內固定都是鈦合金,未對其他材質金屬進行探討。第三,只在單一的CT制造商進行研究,不同CT平臺的后處理算法可能存在差異。第四,未對MBIR和VMI+各個水平分別進行研究。第五、樣本量較小。