高思齊,趙衛(wèi)東,張永紅,李海濤,劉少皇,高 萍,蘇 琳,薛莉雅(山西醫(yī)科大學醫(yī)學影像學院,太原 0000;山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院影像科;山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院骨科;山西醫(yī)科大學第二臨床醫(yī)學院;通訊作者,Email:zwdau@yahoo.com)

創(chuàng)傷、感染、先天畸形及惡性腫瘤常會導致大段長骨骨缺損[1,2]。自體、異體及合成替代物的骨移植[2]、膜誘導技術(shù)[3]和Ilizarov骨搬移技術(shù),是解決骨缺損常用的外科手段。骨搬移技術(shù)利用牽拉成骨原理,促進骨、血管及軟組織再生[4],其優(yōu)點在于完全通過自身的再生修復即可達到治療目的,在臨床上廣泛使用[3,5,6],大大提高了患者的生活質(zhì)量。骨搬移術(shù)中需安置環(huán)形外固定架進行后續(xù)搬移[7],搬移期間要對牽拉區(qū)物質(zhì)組成成分、骨痂礦化量、新骨生長方向、對接點是否契合等[8]進行監(jiān)測。光譜CT在術(shù)后影像檢查中觀察效果優(yōu)于X線,為臨床治療提供了寶貴信息。然而環(huán)形外固定架造成的金屬偽影大大降低了圖像質(zhì)量,影響診斷準確性。光譜CT單能量成像和金屬偽影減少算法(metal artifact reduction,MAR),在不增加輻射劑量的同時,能夠減少多種類型的金屬偽影[9],尤其是內(nèi)固定物所致偽影,但目前對于減少骨搬移外固定架偽影的研究較少。本研究對12例長骨骨缺損搬移術(shù)后患者行光譜CT掃描,評價單能量成像結(jié)合金屬偽影減少算法在去除骨搬移外固定架偽影方面的效果,尋找適合臨床觀察的成像點。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2021年5月至2021年10月在山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院接受Ilizarov骨搬移手術(shù),治療股骨及脛骨骨缺損的患者12例,男9例,女3例,年齡27～53歲,平均(33.7 ±9.4)歲。12例中,左側(cè)骨缺損7例,右側(cè)5例;11例位于脛骨,1例位于股骨。術(shù)后患者均使用環(huán)形外固定架,簽署手術(shù)治療知情同意書。

1.2 檢查方法

所有患者于術(shù)區(qū)行低能量截骨,術(shù)中安置環(huán)形外固定架,術(shù)后12 d通過外固定架進行搬移。搬移開始1個月至搬移結(jié)束過程中使用雙層探測器光譜CT掃描復查。掃描方式:囑患者取仰臥位,雙下肢并攏,貼緊床面,足尖向上,以足先進方式進行掃描。掃描范圍:股骨骨缺損搬移者包含髖臼上緣至脛骨上緣,脛骨骨缺損搬移者包含髕骨上緣至脛骨下緣。掃描參數(shù):管電壓120 kVp,自動管電流,層厚5.0 mm,層間距5.0 mm,轉(zhuǎn)速0.4 s,準直64×0.625 mm,螺距1.234,矩陣512×512。

1.3 圖像分析

將所有患者全息光譜圖像(spectral based image, SBI)數(shù)據(jù)進行重建,層厚、層間距均為1 mm,得到常規(guī)CT圖像和MAR圖像。將兩組圖像的SBI數(shù)據(jù)傳輸至SDCT后處理工作站(IntelliSpace Portal, Philips Healthcare, Best, The Netherlands),使用Spectral CT viewer軟件對圖像進行后處理,把常規(guī)CT圖像(conventional image,CI)及MAR再各自分為11組單能量圖像,能量范圍為40～140 keV,每間隔10 keV為一組。獲得CI、MAR、VMI(40～140 keV)、VMI+MAR(40～140 keV)共24組圖像。

量化分析:在各組圖像上進行感興趣區(qū)(region of interest, ROI)的勾畫,ROI設定于牽拉區(qū)金屬偽影最重層面及無偽影層面,通過復制粘貼,保證各組ROI的大小及位置完全相同,ROI面積為5 mm2。測量各組圖像ROI區(qū)域的CT值、標準差(standard deviation,SD),標為CT偽影、CT無偽影、SD偽影、SD無偽影。量化指標包括ΔCT值、偽影指數(shù)(artifact index,AI)、偽影去除率(hardening artifacts removal rate,BAR),其計算公式如下:

ΔCT=CT偽影-CT無偽影

1.4 主觀評價

由山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院放射科兩位高年資醫(yī)師對各組圖像進行評分,標準為:1分,偽影嚴重,骨痂觀察受阻,圖像質(zhì)量差;2分,偽影較大,骨痂觀察受阻,圖像質(zhì)量差;3分,偽影一般,骨痂顯示可辨,圖像質(zhì)量尚可;4分,偽影少,骨痂顯示明顯,圖像質(zhì)量好;5分,基本無偽影,骨痂清晰,圖像質(zhì)量優(yōu)秀。評分結(jié)果:評分≤2分不符合圖像要求,≥3分符合圖像要求。統(tǒng)計≥4分圖像的后處理方式。

1.5 統(tǒng)計學分析

2 結(jié)果

2.1 ΔCT值的比較

40～60 keV VMI圖像的ΔCT值較CI圖像低,MAR、70～140 keV VMI及40～140 keV VMI+MAR圖像的ΔCT值較CI圖像高。MAR、110～140 keV VMI及40～140 keV VMI+MAR圖像的ΔCT值顯著增加,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05,見表1);且MAR、40～140 keV VMI+MAR圖像較110～140 keV VMI圖像的ΔCT值更高。40～100 keV VMI圖像與CI圖像之間的ΔCT值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05,見表1)。各相同能級的VMI與VMI+MAR圖像相比,VMI+MAR圖像的ΔCT值均顯著增加,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05,見表2)。脛骨骨折患者骨搬移術(shù)后雙層探測器光譜CT掃描典型圖像見圖1。

表1 CI圖像、MAR圖像、VMI圖像和VMI+MAR圖像的ΔCT、AI和BAR值的比較

2.2 AI值的比較

與CI圖像相比,40～90 keV VMI圖像的AI值高,MAR、100～140 keV VMI及40～140 keV VMI+MAR圖像的AI值低。MAR、50～140 keV VMI+MAR圖像的AI值顯著減低,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05,見表1)。與CI圖像相比,各能級VMI及40 keV VMI+MAR圖像的AI值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05,見表1)。各相同能級的VMI與VMI+MAR圖像相比,VMI+MAR圖像的AI值顯著降低,且差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05,見表2)。

雙層探測器光譜CT掃描軟組織窗窗寬360 HU,窗位60 HU;a.CI圖像,牽拉區(qū)見明顯低密度偽影(箭頭指示處);b.MAR圖像,較CI相比金屬偽影明顯減少;c1～11.分別對應40～140 keV VMI圖像,隨著能量級增加,金屬偽影逐漸減少,但仍可見偽影存在;d1～11.分別對應40～140 keV VMI+MAR圖像,金屬偽影明顯減少,50～140 keV VMI+MAR圖像噪聲明顯減低,110～140 keV VMI+MAR圖像骨痂邊緣清晰,軟組織顯示良好,可滿足臨床診斷需要圖1 一例31歲脛骨骨折男性患者骨搬移術(shù)后雙層探測器光譜CT掃描圖像Figure 1 Dual-layer spectral detector CT scanning of a 31-year-old male patient after tibia fracture bone transport

表2 相同能量級VMI圖像與VMI+MAR圖像的ΔCT和AI值比較

2.3 BAR的比較

40～90 keV VMI圖像的BAR為負值,MAR、100～140 keV VMI及40～140 keV VMI+MAR圖像的BAR均為正值。MAR圖像的BAR為68.41%。在40～140 keV VMI圖像中,140 keV VMI的BAR最高,達23.69%。在40～140 keV VMI+MAR圖像中,140 keV VMI+MAR的BAR最高,達88.48%。且MAR與40～140 keV VMI+MAR圖像的BAR均高于40～140 keV VMI圖像。BAR隨著能量級的增加而增加(見表1)。

2.4 主觀評分比較

2分以下圖像為CI、40～100 keV VMI圖像;2～3分(包含2分)圖像為110～140 keV VMI、40～60 keV VMI+MAR圖像;3～4分(包含3分)圖像為70～100 keV VMI+MAR圖像;4分及以上圖像為MAR圖像、110～140 keV VMI+MAR圖像;兩位醫(yī)師評分的一致性較好(見表3)。

3 討論

3.1 骨搬移技術(shù)及影像學應用

對于長骨骨缺損,通常需要外科干預治療。當骨缺損面積較大、伴有軟組織感染及長骨畸形時,可優(yōu)先考慮骨搬移治療[4]。骨搬移技術(shù)依據(jù)牽拉成骨原理,在牽拉區(qū)形成新骨,可有效治療大段骨缺損及肢體長度不均[2]。該技術(shù)操作過程大致為:將環(huán)形外固定架與受損長骨固定,在長骨近端或遠端行低能量截骨,產(chǎn)生搬移骨段。經(jīng)1～2周潛伏期后,以1 mm/d的速率,分2～4次/d緩慢牽拉搬移骨段,直至對接到骨殘端。依靠新生骨填充缺損區(qū),達到治療目的。該手術(shù)不僅創(chuàng)傷小,而且對糾正下肢短縮畸形具有較好療效。

表3 CI圖像、MAR圖像、VMI圖像和VMI+MAR圖像的主觀評分及一致性分析

骨搬移過程依賴持續(xù)的影像學評估,對觀察骨痂形態(tài)及礦化量、調(diào)整搬移速度、預估外固定架移除時間等至關重要。超聲聲波僅能穿透低密度骨質(zhì),所以只適用于骨痂生成早期的觀察;普通X線掃描只能提供定性判斷,且外固定架的存在嚴重影響對接區(qū)域的顯示;光譜CT可以準確評估愈合進程,及時識別并發(fā)癥,從而優(yōu)化治療方案。但外固定架造成的偽影降低了圖像質(zhì)量,影響了診斷的準確性。如何去除金屬偽影是放射科醫(yī)師和臨床醫(yī)師共同面臨的一項難題。

3.2 金屬偽影的產(chǎn)生機制及解決方法

由金屬植入物引起的偽影是CT圖像中偽影的主要來源[10],它由多種機制產(chǎn)生,包括光子饑餓、線束硬化、散射、噪聲、部分容積效應、欠采樣和患者運動等,其中最主要因素是光子饑餓和線束硬化。當X射線束通過金屬硬件,部分光子吸收,較少數(shù)量光子到達探測器,即光子饑餓產(chǎn)生[11]。常規(guī)CT使用多能量X射線束,在穿透物體過程中低能光子優(yōu)先衰減,導致X線束能譜發(fā)生變化,其平均能量增加[12],即線束硬化產(chǎn)生。

光譜CT使用VMI及MAR可有效減少線束硬化和光子饑餓導致的偽影。光譜CT采用雙層探測器,由釔基閃爍體構(gòu)成的上層選擇性吸收低能光子,稀土陶瓷組成的下層吸收高能光子[13],從而獲取兩種能量數(shù)據(jù),通過集合后處理得到虛擬單能量圖像,從根源上避免了線束硬化的產(chǎn)生。本文中使用的MAR技術(shù),基本原理是:首先檢測并分割金屬植入物相對應的被破壞的投影數(shù)據(jù),然后用校正后的估計值替換被破壞的數(shù)據(jù),通過多次迭代過程,提高MAR每一步質(zhì)量,減少金屬偽影。

3.3 VMI及MAR的優(yōu)勢

本研究分析顯示,VMI及MAR可不同程度地減少骨搬移外固定架偽影。兩者優(yōu)勢為:前者糾正線束硬化偽影,后者糾正光子饑餓偽影。本研究中VMI、VMI+MAR的能量范圍為40～140 keV,隨著能量級的增加,CT值逐漸改善,偽影指數(shù)降低。同時Wellenberg等[14]研究發(fā)現(xiàn),高能量級圖像能夠降低金屬植入物的噪聲值,顯著減少條紋偽影。這是由于圖像噪聲值是根據(jù)SD值進行計算的,隨著能量級升高,SD值逐漸降低,圖像噪聲逐漸減小。SD值同時與AI、BAR相關聯(lián),這與本研究中高能量級的VMI及VMI+MAR圖像AI更低、BAR更高相印證。

本研究結(jié)果還觀測到,單獨應用MAR就可有效減少偽影。在其他不同種類的骨科硬件(包括髖關節(jié)、膝關節(jié)及肩關節(jié)假體)中,MAR能夠提高診斷性能的有效性已被證明[15-17]。這是由于MAR是在組織分類圖像上進行組織分割,而不是在原始圖像上分割,低能量級引起的原始圖像偽影并不會影響組織分割的準確性[15]。

3.4 VMI及MAR的局限性

本研究表明,單獨應用VMI在減少骨搬移外固定架偽影效果方面不如MAR及VMI+MAR。這是由于VMI對減少高密度線束硬化偽影較有效,低密度光子饑餓偽影效果較差[18,19]。而骨搬移外固定架偽影主要由低密度光子饑餓偽影組成,即便使用高能級的VMI,仍會保留部分偽影。

MAR的局限性在于可能產(chǎn)生新的偽影。Wayer等[20]對脊柱術(shù)后成像進行研究,觀測到的新偽影包括:硬件透明帶、脊髓造影中蛛網(wǎng)膜下腔物質(zhì)產(chǎn)生以及骨水泥的錯誤顯現(xiàn),造成硬件松動、斷裂,蛛網(wǎng)膜炎、腫瘤,骨水泥碎裂、填充不均的假象。

使用VMI結(jié)合MAR算法可以進一步減少金屬偽影,提高圖像質(zhì)量;這一觀點在部分研究中得到證實[21-23]。與本研究中,VMI+MAR較CI、MAR及VMI主客觀圖像質(zhì)量更好的結(jié)論相一致。

綜上所述,與常規(guī)CT圖像相比,光譜CT使用單能量成像結(jié)合金屬偽影減少算法能夠有效減少骨搬移環(huán)形外固定架偽影,更好地顯示骨痂及周圍軟組織情況。其中110～140 keV VMI+MAR在減少偽影方面效果較好,140 keV VMI+MAR可作為最佳成像點,應用于臨床實踐中。本研究的不足在于,僅針對去除骨搬移外固定架的低密度偽影進行了分析,今后還會對不同金屬植入物的低密度及高密度偽影做更細化的研究。