同源動態能譜CT掃描在骨折金屬內固定術后的初步應用

顏森森　岑秀雅　羅　敏▲　張　雷.溫州醫科大學附屬第三醫院 浙江省瑞安市人民醫院放射影像科，浙江瑞安　3500；.溫州醫科大學附屬第三醫院浙江省瑞安市人民醫院骨科，浙江瑞安　3500

同源動態能譜CT掃描在骨折金屬內固定術后的初步應用

顏森森1岑秀雅1羅敏1▲張雷2
1.溫州醫科大學附屬第三醫院 浙江省瑞安市人民醫院放射影像科，浙江瑞安325200；2.溫州醫科大學附屬第三醫院浙江省瑞安市人民醫院骨科，浙江瑞安325200

目的探討金屬內固定術后病例同源動態能譜CT與多層螺旋CT掃描的圖像質量及其輻射劑量的差異，評價同源動態能譜CT在去除金屬內固定偽影中的應用價值。方法收集2013年4月～2014年9月80例骨折金屬內固定術后復查患者，隨機分為能譜CT掃描組、常規CT掃描組各40例，其中均包括脊柱12例，肱骨10例，脛腓骨18例，分別使用單源64層機器行同源雙電壓動態掃描模式和多層螺旋掃描模式。其中雙能掃描程序獲得的原始數據，使用雙能量軟件中的單能譜技術（Monoenergetic）處理，獲得6組不同光子能級圖像，由兩位有經驗的放射科主治以上醫師按照四分法對圖像質量進行評分，對兩位醫師評分的一致性采用Kappa分析。選擇其中能譜最優圖像組與常規組成像中的內固定釘偽影長度進行測量對比，并行配對t檢驗分析，測量并使用容積CT劑量指數（CT dose index vo1ume，CTDIvo1），行配對t檢驗分析評價輻射劑量情況。結果40例能譜掃描圖像，主觀評價顯示單源能譜消除金屬內固定偽影最優為130 keV能級，能譜組130 keV和多層螺旋CT掃描組的內固定釘偽影長度比較，顯示能譜組金屬內固定偽影更短，差異有統計學意義（P＜0.05），能譜組與多層螺旋CT掃描組初步對照，顯示能譜組輻射劑量更小，差異有統計學意義（P＜0.05）。結論同源動態能譜CT掃描與多層螺旋CT掃描技術對照，能夠有效消除金屬偽影，顯示骨折金屬內固定術后細微結構更清晰，輻射劑量減少。

體層攝影術；X線計算機；單源雙能；能譜；輻射劑量

［Abstract］Objective To eva1uate the c1inica1 app1ication of sing1e source dua1-energy（SSDE）CT within the meta1 fixed imaging by comparing image qua1ity and radiation dose with conventiona1 mu1ti-s1ice spira1 CT（MSCT）.Methods 80 cases of patients after interna1 fixations with meta1 inc1uded in the study were co11ected from Apri1 2013 to September 2014，were divided into energy spectrum CT scanning group and conventiona1 CT scanning group，each group 40 cases. Each group had 12 cases of spine，10 cases of humerus，18 cases of tibiofibu1a.Homo1ogous doub1e vo1tage dynamic scanning mode and mu1ti s1ice spira1 scanning mode were underwent by the sing1e source 64 1ayer machine 1ine.The origina1 data obtained by the dua1 energy scanning program was treated by sing1e energy spectrum（Monoenergetic）of dua1 energy software，6 different photon 1eve1 images were obtained，the image qua1ity was eva1uated by two experienced radio1ogists attending the above four points，Kappa ana1ysis was used to ana1yze the consistency of the two physicians.The 1ength of the interna1 fixation nai1 artifact in the image group and the conventiona1 composition image was measured and compared，para11e1 paired t test ana1ysis，vo1ume CT dose index was measured and used to eva1uated genera1 radiation dose through para11e1 paired t test ana1ysis.Results 40 cases of sing1e source dua1-energy（SSDE）CT，images of 130 keV had the best image qua1ity artifacts，compared with conventiona1 MSCT，meta1 artifacts in energy spectrum CT scanning group was more shorter（P＜0.05）.The radiation dose of energy spectrum CT scanning group was sma11er，and the difference was statistica11y significant（P＜0.05）.Conclusion Sing1e-source dua1-energy CT scanning techno1ogy can effective1y remove meta1 artifacts，c1ear1y show the meta1 interna1 fixation of fracture fine structure.

［Key words］Tomography；X-ray computed；Sing1e source dua1-energy；Energy spectrum；Radiation dosage

金屬內固定已經被廣泛應用于骨折的治療，其術后可能有各種后遺癥的發生，如感染、脫位、愈合不良等，需要對骨折固定術后患者進行療效監測和遠期隨訪。金屬會在磁共振掃描中產生偽影，導致周圍信號缺損，術區的骨形態、結構及其周邊軟組織情況成為盲區，X線檢查是一種前后疊加的圖像，在金屬內固定及骨折細節顯示上有一定困難。所以目前評估骨折金屬內固定術后情況，以多層螺旋CT掃描方式為主。但是夏春潮［1］、賈永軍等［2］認為，多層螺旋CT成像技術產生的金屬內固定植入圖像偽影大，在顯示金屬內固定物的位置及形態的整體性較差，評價術后的細微結構不夠精確。臨床醫生需要一種更全面、直觀的影像技術評價金屬內固定植入術后情況。近幾年，國內外一些研究報道中顯示，雙源能譜或寶石能譜CT在消除金屬內固定偽影有效，能清楚顯示術區骨形態、結構及周圍軟組織情況和金屬內固定物的結構，有較高圖像質量，在此基礎上拓展，本文討論了西門子64排同源動態能譜CT與常規多層螺旋CT在骨折金屬內固定術后患者中圖像細節質量的差別，并且使用容積CT劑量指數（CT dose index vo1ume，CTDIvo1），評價其在實際應用上的輻射劑量情況及是否可常規應用于臨床。現報道如下。

1　資料與方法

1.1一般資料

收集2013年4月～2014年9月本院骨折金屬內固定術后患者80例，經倫理學委員會批準，研究對象均知情同意并簽署知情同意書，隨機分成兩組，同源動態能譜組40例，其中男28例，女12例，年齡25～70歲，平均47.75歲，常規多層螺旋CT組40例，男24例，女16例，年齡20～72歲，平均42.6歲；兩組病例均包括脊柱12例，肱骨10例，脛腓骨18例。

1.2檢查方法

1.2.1同源動態能譜CT組 使用最新的Siemens SOMATOM Definition AS 64排能譜CT機，采用同源雙電壓（80 kVp、140 kVp）動態掃描模式，檢查范圍包括骨折術區及完整的金屬內固定物，兩次檢查參數為：管電壓分別為80kVp、140kVp，管電流分別為165mAs、55 mAs，開啟實時動態曝光劑量調節（CARE Dose 4D），螺距1.0，S1ice 0.75 mm（128×0.6 mm），Rotation time 1.0 s，increment 0.5 mm，圖像重建算法為標準算法，采用濾波反投影（fi1tered back projection，FBP）重建，選用B70重建核；需要著重關注的是，兩次檢查不能移動被檢查部位。

1.2.2常規多層螺旋CT組 亦使用Siemens SOMATOM Definition AS 64排螺旋CT機，使用多層螺旋掃描方式，檢查范圍包括骨折術區及完整的金屬內固定物，檢查參數為：管電壓120 kVp，管電流150 mAs，CARE Dose 4D技術，螺距1.0，S1ice 0.75 mm（128×0.6 mm），Rotation time 1.0 s，increment 0.5 mm，圖像重建算法為標準算法，采用濾波反投影重建。

1.3分析方法

同源動態能譜組患者檢查結束后，得到兩組計算機重組數據，即同源動態能譜組的數據（80 kVp、140 kVp），將其導入工作站，使用Dua1 Energy軟件中的單能譜成像（Monoenergetic）技術，行數據處理，即可得到范圍40～190 keV的不同能量級圖像，取40、70、100、130、160、190 keV的不同光子能量點對圖像進行金屬偽影去除，每組不同光子能量圖像均重建為層厚、層距均1.0 cm的圖像，再使用同一工作站的3D后處理軟件，對圖像進行各種重建。

對常規掃描組掃描完成獲得的圖像行重建，獲得一組層厚、層距均為1.0 cm的多層螺旋CT掃描圖像，保存并使用同一工作站的3D后處理軟件，對圖像進行各種重建。

利用最大密度投影（maxima1 intensity projection，MIP）、容積顯示（vo1ume rendering，VR）、多平面重建技術（mu1ti-p1anner reformation，MPR）等重建技術，分別對同源動態能譜組和常規螺旋CT組的不同組圖像進行后處理重建。

同源動態能譜掃描的骨折術后金屬內固定植入患者所獲得的各組圖像均由兩名高年資的影像科主治醫師采用雙盲法對各組不同能級圖像質量及金屬偽影去除效果進行評分，包括金屬植入物的形態、位置、偽影大小及骨折處微小細節的顯影能力，采用四分法評分，評分標準［3］如下：1分：金屬內固定有明顯偽影，圖像無法觀察；2分：金屬內固定偽影較多，圖像細節尚可顯示；3分：金屬內固定有較少偽影，圖像細節顯影優良；4分：金屬偽影不明顯，能清楚顯示圖像微小細節。兩位醫師在意見不統一的情況下，通過協商達成一致。

能譜圖像最優組（130 keV）和多層螺旋CT掃描組中，選擇長度相同、植入部位相近、與橫斷位掃描大致平行的內固定釘，根據美國材料與實驗協會（American Society of Testing Materia1s，ASTM）推薦的偽影測量方法，通過工作站的后處理軟件，在同樣的窗寬、窗位條件下測量偽影的最大長度。

1.4統計學分析

使用SPSS19.0統計學軟件對所獲得的數據行分析。使用Kappa檢驗分析兩位醫師對圖像質量評價的一致性。其中Kappa值為0.81～1.00時，表示兩位醫師主觀評分吻合度非常強；Kappa值為0.61～0.80時，表示兩位醫師主觀評分吻合度強；Kappa值為0.41～0.60時，表示兩位醫師主觀評分吻合度一般；Kappa值≤0.4時，表示兩位醫師主觀評分吻合度差。利用配對t檢驗分析最佳能級能譜圖像和多層螺旋CT組圖像偽影有無差異，P＜0.05為差異有統計學意義。利用配對t檢驗分析能譜組圖像和多層螺旋CT組圖像的容積CT劑量指數（CT dose index vo1ume，CTDIvo1），評價其在實際應用中的輻射劑量情況。

2　結果

2.1能譜組不同光子能量主觀評分

40例金屬內固定植入患者6組不同光子能量下兩位醫師主觀評分見表1，檢驗結果顯示兩位醫師之間的一致性較強，Kappa值均＞0.85（P＜0.01），單能譜最佳圖像評分均分布在130 keV能級。見表1。

表1　不同光子能量條件下主觀評分（n）

2.2能譜組（130 keV）及常規組不同部位螺釘偽影長度比較

對不同部位金屬內固定植入患者的能譜掃描最佳能級（130 keV）及常規多層螺旋CT掃描圖像內固定螺釘偽影進行測量和分析。兩組患者中相同部位者，取相同長度、相近位置，并且長軸大致平行于掃描層面的螺釘，以相同窗寬窗位條件下測量其前方偽影的最大長度，不同部位偽影長度均存在顯著性差異（P＜0.05）。見表2。

表2　能譜組13O keV和常規組螺釘偽影長度比較（，mm）

表2　能譜組13O keV和常規組螺釘偽影長度比較（，mm）

組別　n 脊柱組（n=12）（釘長60 mm）肱骨組（n=10）（釘長26 mm）脛腓骨組（n=18）（釘長15 mm）能譜組（130 keV）常規組t值P值40 40 20.62±2.19 53.73±2.19 -46.45 ＜0.05 3.96±0.35 11.22±0.75 -18.83 ＜0.05 3.12±0.27 10.38±0.46 -35.72 ＜0.05

2.3能譜組（130 keV）及常規組不同部位圖片比較

圖1～3為多層螺旋CT掃描MPR重建圖像，圖4～6為同源動態能譜CT掃描130 keVMPR重建圖像，顯示同源動態能譜CT掃描技術能夠明顯消除線束硬化偽影，改善骨折金屬內固定術后的圖像質量，可以清晰顯示骨折金屬內固定術后的骨折線等細微結構，其中130 keV可以提供最佳圖像質量，比常規多層螺旋掃描成像明顯更優。

圖1～3　常規螺旋CT掃描MPR重建圖片，金屬內固定偽影明顯，臨近骨折線顯示模糊不清

圖4～6　同源能譜CT掃描13OkeV（能級）MPR重建圖像，金屬內固定偽影明顯消除，骨折細節顯影清晰

2.4常規組和能譜組容積CT劑量指數比較

容積CT劑量指數（CT dose index vo1ume，CTDI-vo1）是表征在重建層面內輸出的平均輻射劑量的一個指數，由掃描后機器自動生成，因同源動態能譜技術是80 kVp和140 kVp兩次掃描，記錄并計算兩項CTDIvo1值之和。記錄常規螺旋CT掃描的CTDIvo1值。在不考慮體重指數等個體差異情況下，常規組和能譜組CT劑量指數比較見表3，脊柱及肱骨部位常規組容積CT劑量指數明顯大于能譜組，脛腓骨組容積CT劑量指數兩組差別不大，表明能譜CT掃描在不同部位的輻射劑量，不大于常規螺旋掃描。

表3　常規組和能譜組容積CT劑量指數比較（，mGy）

表3　常規組和能譜組容積CT劑量指數比較（，mGy）

組別　脊柱　肱骨　脛腓骨能譜組常規組t值P 6.77±0.56 17.22±2.75 13.88 ＜0.05 5.65±0.31 16.68±4.36 7.79 ＜0.05 7.27±0.59 7.80±0.91 3.09 ＞0.05

3　討論

隨著交通工具的發展，各種外傷事故頻發，骨折事件增多，骨科手術各種金屬植入物廣泛應用，包括髓內釘、內固定鋼板等，術后可能的各種并發癥、后遺癥等發生率仍然較高，臨床醫生最關心的術后問題，均需要通過相關的影像學檢查得以明確。內固定植入術后的圖像準確評價顯得越來越重要［4，5］。多層螺旋CT的問世，有著優良的密度分辨率，在微小細節骨折改變各種征象顯示及各種三維重建技術在骨質結構、形態、骨折等征象的顯影上有著明顯優勢，可以對植入金屬的位置、骨質情況及解剖關系進行評估，對于骨質結構和軟組織顯示來說，都不失為一種良好的重建技術，但是金屬植入物周圍形成的線束硬化偽影，與軸位圖像一樣有明顯的金屬偽影，即使適當增加MPR的厚度，也只是使偽影略微減少［6，7］，仍然明顯影響鄰近重要結構的觀察、評估。近年來隨著能譜CT發展，在金屬內固定偽影消除上取得了良好的成果［8］。

常規CT圖像是由各種不同混合能量的光子而成的線束成像。經過較高密度的物質吸收衰減后，高能量的光子比低能量的光子被衰減吸收的少，因此穿透物體后的光子被“硬化”，從而產生線束硬化偽影。能譜CT成像能提供一組不同能級的單能譜圖像，成為其突出優勢。物質本身密度決定了單一能量水平的物質衰減系數，能保持同一物質的恒定衰減系數，能夠選擇性得出體現所謂組織特性的雙能量圖像［9，10］，從而減少線束硬化偽影的產生［11］。

現今在臨床中應用的能譜成像技術有雙kVp成像、雙X線管技術、瞬時雙kVp技術、雙掃描技術［11］，其中單球管機器實現能譜成像技術包括瞬時雙kVp技術和雙掃描技術。瞬時雙kVp掃描技術，因受物理條件限制，不易實現自動毫安功能，不能隨意選擇管電流，研究顯示其輻射劑量較常規多層螺旋CT掃描的輻射劑量略高或相近［12，13］。本組研究采用的是雙掃描模式，其中主要缺點是由于能量時間分辨率不足引起的運動偽影，但對于骨折內固定病例來說，由呼吸和器官蠕動等引起的偽影影響較小。本次研究中采用同源動態能譜掃描技術，即雙掃描技術，在同一次檢查中進行80 kV和140 kV兩次不同管電壓掃描，具有高達27 928次/s的采樣率，對比其他同源能譜CT 的7131次/s的采樣率，多達4倍信息量；此外還擁有40～190 keV的151個寬能級的單能譜圖像，為臨床提供了更多細節結構的信息量；由于其掃描時采用了能譜純化技術，利用雙能后處理軟件的（Monoenergetic）單能譜重建成像技術，可以有效減少高能中無效的低能成分，消除金屬內固定偽影，使其三維重建后的圖像能夠實現真正的各向同性，利用計算機軟件行三維重建產生更加直觀、優質、多角度及多方位的重建圖像，對X線檢查圖像重疊及多層螺旋CT檢查金屬內固定所致X線束硬化偽影的缺點進行彌補，更加清楚顯示骨折術后金屬內固定及其周圍結構的細節改變，有利于骨折金屬內固定術后的療效評估［14］。此外掃描過程中使用的4D CARE Dose技術是一種劑量調節管理軟件，通過實時X線管電流的調節，有效地控制劑量［15，16］，排除體重指數等個體差異，不同部位的能譜CT掃描輻射劑量小于或接近于常規CT掃描，可以大致看出單源能譜的雙掃描并不增加輻射劑量，Mac Douga11等［17］報道過多的輻射劑量會導致癌癥幾率明顯增加，此項技術可以作為常規檢查應用于臨床。

本研究的不足之處，首先在于該研究的樣本量較小，其次未對金屬內固定物的材質加以區分、比較，對不同部位的輻射劑量評估，未考慮體重指數等是否存在明顯差異，屬于粗略性的評估，可能存在誤差，希望今后能參與更多樣本的研究，有更客觀的評價標準，從而進一步研究論證結果的可靠性。另外，本研究中使用的Siemens SOMATOM Definition AS 64排CT機僅配置FBP標準算法，常規多層螺旋CT掃描的相關研究顯示，基于模型的迭代重建（VEO）和自適應統計迭代重建較濾波反投影重建算法（ASiR）在保證圖像質量的前提下，將能使CT掃描過程中的輻射劑量進一步下降［18-21］。受到目前濾波反投影算法（FBP）的局限性限制，不能進一步降低掃描劑量，否則明顯增加圖像噪聲，圖像質量降低明顯［22］。相信隨著今后的單源能譜CT機的發展，采用更先進的算法，能更進一步降低輻射劑量。

本研究基于64排同源動態能譜CT對骨折金屬內固定術后圖像質量評估，隨著在各種等級醫院的使用，檢查費用低，較常規多層螺旋CT輻射劑量不增加，能明顯消除金屬內固定的偽影，提供更高質量的影像信息，能為更多醫院骨折術后患者提供更加直觀、方便、安全的影像評價技術，對于骨折術后金屬固定植入患者的療效監測和遠期隨訪，提供更多更準確的信息，在骨折術后金屬內固定植入患者中的隨訪復查中可以推廣應用。

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Preliminary aPPlication of single-source dual-energy CT in the evaluation of metal fixation of fractures

YAN Sensen1CEN Xiuya1LUO Min1ZHANG Lei2
1.Department of Radio1ogy，the Third Affi1iated Hospita1 of Wenzhou Medica1 University（Rui'an Peop1e's Hospita1），Rui'an325200，China；2.Department of Orthopedics，the Third Affi1iated Hospita1 of Wenzhou Medica1 University （Rui'an Peop1e's Hospita1），Rui'an325200，China

R816.8

B

1673-97O1（2O16）11-OO96-O5

浙江省科技計劃項目（2015C33287）▲

2016-01-29）