MAC技術在降低頸椎金屬內固定術后CT掃描金屬偽影的臨床價值

潘雪琳，洪靜，袁元，楊帆，邵強，李真林

1. 四川大學華西醫院 放射科，四川 成都 610041；2. 重慶醫科大學附屬永川醫院 放射科，重慶 402160；3. 上海聯影醫科科技股份有限公司，上海 201100

引言

頸椎金屬內固定物置入手術廣泛應用于椎間盤突出、膨出、頸椎結核、退行性改變、滑脫、占位性病變、椎體骨折等病變。其影像學檢查主要目的是為臨床醫生手術療效評估和術后復查提供依據，利用多層螺旋CT對置入的金屬材料具體位置、骨質肌肉的解剖毗鄰關系進行精確評估，但在進行CT檢查時金屬植入物會產生放射狀的硬化束偽影，嚴重的偽影會對鄰近重要結構或者病變產生影響，影響診斷準確性及延誤治療[1-2]。雖然減少金屬偽影的方法較多，如采用能譜單能量成像方式提高局部空間分辨率[3]，高keV的單能量圖像有效改善硬化偽影[4]，利用雙能CT進行虛擬單能譜圖像成像[5]，去金屬偽影技術[6]、雙源 CT 雙能量成像技術[7]、迭代去金屬偽影算法技術[8]等，但是，目前關于金屬偽影校正（Metal Artifact Correction，MAC）技術在頸椎金屬內固定術后降低金屬偽影的報道較少。本研究通過對頸椎金屬內固定術后患者行CT復查，對原始數據分別行KARL迭代重建和MAC技術重建，探討MAC技術在降低金屬偽影方面的臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

隨機收集四川大學華西醫院2019年11月至2020年6月頸椎金屬內固定植入術后行頸椎CT復查的患者106例，其中男66例、女40例，年齡32～73歲，平均年齡（55.6±15.3）歲。本研究均取得患者及其家屬同意并簽訂知情同意書。研究對象選擇標準：① 患者均行頸椎CT普通掃描，并且影像學資料完整；② 患者均為頸椎金屬內固定植入術后；③ 頸椎圖像包括整個內固定材料，并且至少超出內固定材料上下緣一個椎體。排除標準：① 妊娠期及哺乳期患者；② 患者合作欠佳、圖像質量不清晰等。

1.2 檢查方法和后處理

采用聯影u780 80排CT設備對所有患者進行頸椎檢查，具體掃描方法為患者取仰臥位，掃描范圍應該包全所有頸椎（C1～C7椎體）。掃描參數：球管電壓為120 kV，管電流180 mAs，螺距0.9750 mm，準直寬度20 mm，層厚1 mm，機架轉速0.8 s/r。

圖像后處理技術:對所有原始數據均用兩種方式重建，A組為對照組，采用KARL迭代重建；B組為實驗組，采用MAC技術重建（圖1）。

每組圖像均選取相同的5個點（圖1，a點：金屬偽影高密度區偽影最重點；b點：金屬偽影低密度區偽影最重點；c點：相同層面偽影較重的脊髓；d點：相同層面偽影影響較大的骨質；e點：軟組織）進行測量，測量時感興趣區（Region of Interest，ROI）面積均為0.11 cm2，對兩組圖像進行觀察、測量和分析。

圖1 A、B兩組重建方式對金屬偽影的顯示

1.3 圖像質量評價

1.3.1 客觀評價

分別對A、B兩組圖像a、b、c、d、e共5點的CT值、噪聲值標準差（Standard Deviation，SD）進行測量，并以頸椎周圍軟組織e點為背景計算出a、b、c、d共4點相對于e點的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。根據公式計算SNR和CNR，SNR=CT/SD，CNR = (CT-CT軟組織)/SD軟組織[9]。其中，CT軟組織為觀測點a、b、c、d點各自的CT值，CT軟組織為軟組織e點的CT值，SD軟組織為軟組織e點的SD值。

1.3.2 主觀評價

由2名有經驗的放射科醫師采用雙盲法對A、B兩組圖像質量分別進行評判，按照5分Likert量表[10]對圖像質量進行主觀評價[11]：5分：圖像中沒有金屬偽影，診斷明確；4分：圖像較好，只在最大偽影層面有很少的偽影，診斷明確；3分：圖像中存在小面積偽影，周圍組織結構受到影響，可以診斷；2分：圖像有明顯的金屬偽影，周圍組織模糊不清,診斷有困難；1分：圖像有嚴重的金屬偽影，無法診斷。放射科醫生進行觀察記錄，結論不同時經討論后達成一致。

1.4 統計學分析

應用SPSS 23.0軟件進行統計學分析。對兩組計量資料進行正態檢驗；對于不服從正態分布的計量資料，使用中位數（上四分位數，下四分位數）進行描述，并使用非參數檢驗進行差異性分析；2名放射科醫師對A、B兩組圖像的主觀評分一致性采用Kappa分析進行檢驗，Kappa值≥0.75為一致性較好，0.40～0.74為一致性中等，＜0.40為一致性較差。此研究認為P＜0.05為差異有統計學意義，本次檢驗均為雙側檢驗。

2 結果

因本研究樣本量小于2000例，因此使用夏皮洛-威爾克檢驗結果，針對所有指標，P值均＜0.05，說明均不服從正態分布，后續檢驗需做非參數檢驗（符號秩和檢驗）。

2.1 圖像質量客觀評價指標

圖像質量客觀評價結果如表1所示。其中，a點為金屬偽影高密度區偽影最重的點，根據表中CT值、SD值的中位數及其上下四分位數可以推斷A組高于B組；b點為金屬偽影低密度區偽影最重點，根據表中CT值中位數及其上下四分位數可以推斷A組低于B組，根據表中SD值中位數及其上下四分位數可以推斷A組高于B組；而c點、d點的統計結果，根據表中CT值、SD值的中位數及其上下四分位數可以推斷A組均高于B組，其差異均具有統計學意義（P＜0.05）；e點A組和B組CT值、及SD值P值大于0.05，說明二者差異無統計學意義。

表1 A、B兩組圖像CT值、SD值比較

以軟組織e點為背景計算A、B兩組a、b、c、d共4點的SNR和CNR值，根據表中SNR和CNR值的中位數及其上下四分位數可以推斷A組低于B組，差異檢驗P值小于0.05，說明二者差異有統計學意義，見表2。

表2 兩組圖像質量客觀評價指標SNR、CNR比較

2.2 圖像質量主觀評價

對A組的兩位醫生評分一致性檢驗中，Kappa值=0.936，對B組的兩位醫生評分一致性檢驗中，Kappa值=0.930，檢驗P值兩組均小于0.05，說明二者一致性檢驗結果具有統計學意義，且一致性較好（表3），評分比較B組的主觀評分中位數為4分，高于A組中位數3.5分（P＜0.05），見表4。A組的CT圖像（圖2a～2b）和B組圖像（圖2c～2d）相比，B組的圖像金屬偽影面積減小，周圍骨性和軟組織結構更清晰，能夠較好地觀察金屬植入物周圍的骨質、脊髓、軟組織情況。

表3 A、B組兩醫生主觀評分一致性檢驗

表4 兩組CT圖像質量主觀評價評分情況

圖2 FBP和MAC重建圖像

3 討論

隨著脊柱外科金屬植入手術的增多，為了解術后金屬植入物是否在位、松動或斷裂，金屬植入物對鄰近結構是否存在壓迫，金屬植入物有無繼發感染，術后疼痛是否和金屬植入物有關聯等，越來越多的金屬植入物患者會采用CT術后復查以達到療效監測和遠期隨訪的目的。但是CT檢查時金屬植入物會產生金屬偽影，對CT掃描結果產生影響、甚至會影響臨床判斷。金屬偽影的產生主要是由于金屬與人體組織的厚度、密度差異過大[12-13]，導致相應投影數據缺失[14-15]。CT金屬偽影主要包括射束硬化偽影、光子饑餓偽影和散射偽影[16-18]。而這些金屬偽影會遮擋金屬周圍組織器官，對臨床診斷和治療帶來影響。

目前，聯影設備常采用KARL迭代重建技術，是在圖像原始數據的投影空間和圖像空間中運算的模型。該技術根據噪聲模型對選定的噪聲數據進行校對，可以對投影數據進行迭代處理。其迭代過程快速收斂到目標值，加快了重建速度，從而減少了圖像重建所需的迭代步驟。因此，KARL的重建速度與常規FBP相當，可以達到30～40幅圖/s，但它在對金屬植入物掃描時，也忽略了X射線光子的統計學與系統光學波動，沒有考慮投影數據被量子噪聲和電子噪聲的污染，導致圖像噪聲增大、偽影出現，分辨率降低，會覆蓋病變和有價值的診斷信息[19-21]。

CT去金屬偽影的方法較多，如何能最方便有效、最大限度地減少金屬偽影的影響、改善對金屬植入物及其周圍解剖結構的觀察效果，在臨床工作中顯得尤為重要[22-23]。總的來說去金屬偽影的方法可以在掃描前階段、掃描階段及圖像后處理階段起到作用。在掃描前階段，手術時采用低衰減材料如鈦合金；在掃描階段，使用較高的管電壓、自適應管電流、較窄的準直，薄層掃描圖像，擴大掃描范圍，并盡量將金屬植入物長軸垂直于掃描平面，使之產生最小的橫斷面積，采用雙能量、能譜序列進行掃描；在圖像后處理階段，使用較厚層厚、去偽影算法重組及拓展CT值范圍可以減少金屬偽影[24]。常用的去偽影算法包括投影插值算法、迭代重建算法及混合算法[25-28]。

本研究運用的MAC重建算法，是聯影公司最新研發的金屬偽影校正技術，是在圖像后處理階段起作用。MAC技術基本原理是先通過圖像域分割從原始圖像中提取產生偽影的金屬物體，再對金屬圖像進行正投影，找到被金屬干擾及破壞的投影數據，結合插值、迭代算法的優勢，通過插值和加權的方法盡可能地修復投影數據，最后通過矯正后對該投影數據進行反投影，得到校正圖像。MAC通過考慮金屬物體的密度和形狀設計算法，以充分保留金屬邊緣信息，同時抑制偽影和噪聲。

金屬植入術后CT復查時MAC技術的應用使得金屬與骨質的界面、金屬與軟組織的界面、頸椎間盤、椎弓根與椎體、脊髓等顯示有明顯的改善，尤其是金屬偽影影響較重的骨質、脊髓等的顯示。金屬植入物在CT成像中的偽影常表現為放射狀的高密度影和條狀的低密度區，高密度偽影產生的主要原因是光子饑餓效應和散射效應，低密度偽影產生的主要原因是嚴重衰減的結構之間產生的光束硬化效應[29]。然而在CT成像過程中形成的金屬偽影區域，金屬植入物相鄰的低對比度結構很容易被偽影遮擋，MAC通過數據校準、去噪，能減少光子饑餓引起的細小條紋偽影，使金屬高密度偽影區CT值降低，圖像噪聲降低。同時，利用原始數據進行插值補償，消除了大部分陰影，提高金屬低密度偽影區的CT值。因此，本文通過對測量金屬偽影的高低密度區、脊髓、骨質層面來量化評估MAC對金屬偽影的影響。

本研究通過將常規KARL迭代重建的圖像和MAC重建的圖像進行對照比較，結果發現，金屬高密度偽影區MAC重建后CT值、噪聲均較KARL迭代重建降低；金屬低密度偽影區MAC重建后CT值較KARL迭代重建增加，噪聲卻降低；受金屬偽影干擾的骨質和脊髓區域MAC重建后CT值、噪聲均較KARL迭代重建降低，而參照的肌肉組織MAC重建后CT值、噪聲和KARL迭代重建后差異不大。因此，MAC圖像中金屬高密度偽影區和金屬低密度偽影區的CT值均有改善，圖像中噪聲明顯降低，此結果與劉穎等[30]、Li等[31]的研究結果相似。通過對金屬偽影的去除，醫生結合原始圖像和去金屬偽影的圖像，能最大限度地減少誤診和誤治。

本研究通過對MAC組、KARL重建組所測量組織的CT值進行比較，MAC組骨骼和軟組織的CT值（骨骼CT值在1000 HU，軟組織CT值范圍30～70 HU）更接近于實際的CT值，能夠更為真實地反映組織狀態，對于術后可能發生的植入物周圍組織的水腫、出血、炎癥及壞死等情況，能夠更早期及時發現，為臨床提供具有更多診斷信息的圖像。并且MAC重建后頸椎金屬植入物鄰近的骨組織、脊髓以及軟組織的SNR和CNR均高于KARL重建組，差異具有統計學意義，表明通過抑制偽影和噪聲，MAC能夠保護和恢復頸椎金屬植入物相鄰的骨組織、脊髓及軟組織的對比度，使得整體圖像質量得到改善。MAC組的圖像質量主觀評分優于KARL重建組，也進一步印證了MAC重建后SNR、CNR得到改善（P＜0.05）。

本研究存在一些不足：① 頸椎金屬植入物的材料較多，該文章未考慮材料的因素、材料的分類等；② 頸椎金屬物植入方式和方向較多，未對金屬植入物的長徑、斷面進行單獨分析；③ 該研究納入的樣本量較少。

綜上所述，MAC技術是一種后處理算法，和其他去金屬偽影的方法不同的是數據采集的過程和常規掃描序列相同，但不需要使用特殊序列或者特殊硬件設備支持，也不會增加患者檢查的輻射劑量。即使在掃描前未能準確了解患者有無金屬植入物，或者無法評估該金屬植入物對周圍組織結果的影響，也可以在后處理時對原始圖像采用MAC技術進行回顧性地去金屬偽影重建，這個優勢可以大大地提高CT影像檢查的流通量。在頸椎金屬植入術后的CT復查中可以有效去除金屬植入物的偽影，使金屬植入物周圍的骨質、脊髓、軟組織顯示清晰，改善整體圖像質量，在評估術后并發癥方面具有重要的臨床價值，在臨床工作中值得進一步推廣。