O-MAR技术在头颈CT检查中去除口腔内金属伪影的应用评估

温齐平,张滨,潘俊,樊文鑫,哈婷婷,常天静

北京大学首钢医院 影像科,北京100144

[摘 要]目的探讨金属伪影去除技术(Orthopedic Metal Artifact Reduction,O-MAR)在头颈CT检查中去除口腔内金属伪影的效果。方法 按照入选条件选取2014年1月~12月间在我院行头颈CT血管造影(Computed Tomographic Angiography,CTA)检查同时口腔内含有钛金属补牙材料植入物的患者65例,扫描后对图像分别进行O-MAR技术重建(A组)与常规技术重建(B组)。以双侧咬肌作为感兴趣区(Region-of-Interest,ROI),比较两组ROI的CT值标准差(Standard Deviation,SD),并对图像质量进行主观评分。采用配对t检验比较两组SD值;图像质量评分的比较采用配对资料的秩和检验和χ2检验。结果两位医师对两组图像质量评分结果:同侧咬肌(z=-6.06,P<0.05);对侧咬肌(z=-4.79,P<0.05),差异具有统计学意义。且评分结果A组平均分较B组高(χ2=34.03,P<0.05),差异具有统计学意义;A、B两组图像测得的SD值结果:同侧咬肌(t=-9.34,P<0.05),对侧咬肌(t=-4.06,P<0.05),差异具有统计学意义;A组双侧咬肌测得的SD值结果(t=1.48,P>0.05)差异没有统计学意义,B组双侧咬肌测得的SD值结果(t=5.38,P<0.05)差异具有统计学意义。结论O-MAR能有效减少高原子序数伪影对图像质量的影响,为临床诊断提供有价值的诊断信息。

[关键词]金属伪影去除技术;迭代算法;CT血管造影;颈动脉疾病;咬肌

引言

目前,金属植入术已经被广泛地应用于临床,当CT扫描部位存在金属植入物时,图像通常伴随大量放射状伪影,影响诊断的准确性。常规的CT图像无法克服金属及高原子序数植入物如齿科金属填充物等引起的伪影[1]

传统方式通过升高管电压来降低金属伪影对于图像的影响,但效果并不令人满意,同时又增加了受检者的辐射剂量。近年来,随着扫描技术以及后处理重建技术的发展,从插值算法到能量减影成像,虽然取得了一定程度的进步,但仍然存在一定的局限性[2-5]。本研究应用CT去金属伪影技术(Orthopedic Metal Artifact Reduction,O-MAR)与传统重建比较金属植入物对CT图像质量的差别。同时结合图像迭代重建技术-iDose4,评价应用O-MAR技术对于图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2014年1月~2014年12月期间在我院行头颈部CT血管造影(Computed Tomographic Angiography,CTA)检查的患者65例,其中男性34例,女性31例,平均年龄(62.58±6.23)岁。入选标准如下:① 临床怀疑头颈部动脉疾病患者;② 检查前口腔内含有金属假牙或牙内填充物;③ 检查前所有患者接受血清肌酐及肾小球滤过率水平测试;排除标准如下:① 肾功能衰竭(eGFR<60 mL/ min/1.73 m2);② 造影剂过敏史;③ 双侧均含有金属填充物的患者;④ 患者配合不佳,图像运动伪影显著。

1.2 造影剂注射、扫描方法及参数

采用128 iCT(Philips)进行头颈部CTA检查,采用双流团注法,300 mg(I)/mL碘海醇45 mL+盐水30 mL,注射速率5.0 mL/s。

感兴趣区(Region-of-Interest,ROI)放在降主动脉上,CT值达到110 HU时自动触发扫描,扫描范围从主动脉弓到颅顶。管电压100 kV,管电流100~300 mAs,应用球管电流实时动态调节技术(Dose Right),根据患者身体厚度自动控制辐射剂量。剂量噪声指数(Dose Right Index,DRI)颈部区域设定为23,头部区域DRI为25。Pitch 1.015,探测器选择64×0.625,FOV 250 mm,管球旋转一周0.5 s,重建算法选Standard B。

1.3 图像重建方法

使用O-MAR迭代重建技术(A组)与常规重建技术(B组)对65例患者扫描图像分别进行重建。具体参数如下:iDose4Level(5),轴位层厚0.9 mm,层间距0.45 mm(窗位40 HU,窗宽350 HU),矩阵512×512。

1.4 图像处理及分析方法

同屏同层面显示A、B两组数据的轴位图像,分别找到受金属植入物影响最严重的层面截图,上传至阅片系统备用。主观评价:两名具有诊断经验的医师参照一定标准对两组图像中的双侧咬肌进行评分,并记录所有评分结果。如遇意见分歧,由两位医师共同确定最终评分结果,根据条纹伪影的程度、图像的锐利度、纹理的自然程度和口腔的结构显示情况[6]进行综合评分。评分标准:0分(见图1a)。金属植入物周边放射状伪影重,图像锐利度差,纹理不自然,影响口腔结构及周围组织的观察;1分(见图1b)。金属植入物周边放射状伪影较重,图像锐利度较差,纹理不自然,口腔结构及周围组织的观察欠清晰;2分(见图1c)。金属植入物周边放射状伪影尚可,图像锐利度较好,纹理较自然,口腔内结构显示正常,周围组织尚可分辨;3分(见图1d)。金属植入物周边无放射状伪影,图像锐利度良好,纹理自然,口腔内结构清晰显示,周围组织清晰分辨。

图1 四种分值图像对比

注:a.0分图像;b.1分图像;c.2分图像;d.3分图像。

客观评价:根据美国材料与试验协会推荐的伪影测量方法进行测量和分析。在金属伪影植入物同侧及对侧分别勾画感兴趣区域,测定ROI SD值。ROI位置的选取原则为:轴位图像上,金属植入物同侧咬肌上选取受金属伪影影响比较严重的区域,对侧选取伪影影响较小的区域。ROI面积选(30.46±0.5)mm2,并分别记录A、B两组的SD值。

1.5 统计学方法

使用SPSS 16.0统计学软件进行分析,评分结果的比较采用配对设计的秩和检验和χ2检验,SD值的比较采用配对t检验,P<0.05时认为差异具有统计学意义。

2 结果

两位医师对A、B两组图像噪声的主观评分及统计分析结果,见表1。

表1 A、B两组图像同侧与对侧咬肌噪声的评分统计分析结果 (例)

注:*采用配对秩和检验。

A组患者图像质量评分的平均分为(2.35±0.43)较B组平均分(1.28±0.31)高,差异具有统计学意义(χ2=34.03,P<0.05)。

2.1 两种不同的重建方式,双侧咬肌SD值的差别

A组同侧咬肌SD值(11.26±4.25)明显低于B组(18.26±6.97),t=-9.34,P<0.05,差异具有统计学意义(图2a同侧咬肌与图2b同侧咬肌对比)。A组对侧咬肌SD值(11.47±2.98)明显低于B组(13.23±4.15),t=-4.06,P<0.05,差异具有统计学意义(图2a对侧咬肌与图2b对侧咬肌对比)。

2.2 同一种重建方式双侧咬肌SD值的差别

A组同侧咬肌SD值(11.26±4.25)与对侧咬肌SD值(11.47±2.98)的差异没有统计学意义(t=1.48,P=0.15,>0.05),可以认为A组双侧咬肌SD值相同,图像信噪比相同。说明受金属伪影影响较大的同侧咬肌经O-MAR重建后有效果(图2a,A组双侧咬肌对比)。B组同侧咬肌(18.26±6.97)与对侧咬肌SD值(11.47±2.98)的差异具有统计学意义(t=5.38,P=0.00,<0.05),说明未经O-MAR重建的图像双侧咬肌信噪比不同,信噪比是有差别的(图2b,B组双侧咬肌对比)。

图2 OMAR重建的(A组)与普通重建的(B组)图像双侧SD值比较

注:a.OMAR重建的(A组)图像,双侧咬肌上测得的SD值明显低于b(B组);b.普通重建的(B组)图像,双侧咬肌上测得的SD值明显高于a(A组)。

3 讨论

CT图像的伪影是指各种不同类型的干扰在图像中的体现,主要来源于两大类:① 来自于CT机本身的技术原因;② 来自于被扫描的物体或人。后者包括运动伪影和金属伪影[7]。金属伪影主要包括:射束硬化、光子饥饿效应。这类伪影严重降低了图像质量,影响了临近结构的显示与观察[8],给影像诊断带来困难,甚至导致无法诊断。

减少金属伪影的方法有物理前置过滤、水校正、双能量扫描等,也有许多不同的后处理算法来校正这些金属带来的伪影[9-12]。如能量成像技术是相对高级的重建技术,可以减轻射线硬化伪影,但是对于光子饥饿产生的条索状伪影却无能为力[13]

口腔植入物造成的伪影直接影响了双侧咬肌及周围软组织的观察,本研究通过测量A、B两组双侧咬肌的SD值来客观判断去除伪影的效果,同时采用主观评分来评估两组图像的质量,以此来衡量O-MAR重建技术的优劣。结果显示O-MAR重建技术有效果,可以提高同侧咬肌周围组织的信噪比并可以显著减少金属植入物造成的伪影,使关键结构可视化[14]。本研究使用常规技术重建的图像(B组),植入物中心向四周的放射状伪影严重,植入物中心及周围的软组织缺失,形成黑色团块状伪影,掩盖了周围的组织,影响临床医师对病变的观察与判断。使用O-MAR技术重建后的图像(A组),植入物中心向四周的放射状伪影变淡,且植入物中心及周围缺失的组织被填充,能够清晰显示双侧的咬肌,尽管O-MAR没有完全消除金属伪影,但它能够减少这些伪影对CT图像的影响,并且能够显著增加图像的信噪比,为临床提供更多的诊断信息。主观与客观评价结果均充分说明O-MAR重建技术去除金属伪影有效,且图像质量普遍提高。

本研究使用的O-MAR重建技术是基于迭代算法的重建技术,在不增加辐射剂量的前提下实现更加优秀的去金属伪影成像。O-MAR技术实施的关键在于,首先进行组织分离,将原始图像分离出全部的金属像素,其余组织的像素均设置为零;再通过反复对比迭代运算,将金属及高原子序数造成的伪影数据从原始数据中剔除,并开始O-MAR的迭代循环,直至图像里没有出现较大簇的金属像素,最终得到满意的重建图像[15]

O-MAR的图像不是直接来自于原始非校正图像,而是将金属数据从正弦投影中识别并完全移除而得到的。O-MAR技术对图像的迭代重建是只针对图像中的金属像素而不会影响非金属图像[16]。O-MAR技术具备以下优势:① 可以同时减轻条索状伪影和硬化伪影;② 可以全FOV成像,解决能量成像技术因为患者体型大或摆位不正无法去除金属伪影的问题;③ 不会增加患者接受的辐射剂量,同时保持较高的对比度;④ 是第一个用迭代重建的处理方法,其重建速度能够满足临床应用。

本研究重点关注评价各组图像之间的图像质量,而没有关注诊断准确性的评估,所以具有一定的局限性;其次,用ROI的SD值作为评价图像噪声指标,已广泛用于图像质量的评估(一般来说,降低图像噪声意味着更好的图像质量),但不能排除定量参数可能并没有真正衡量图像的质量。在目前的研究中,O-MAR重建技术可以减少金属植入物引起的图像噪声,经O-MAR重建技术修正后的图像比未修正的图像更为合理。然而,O-MAR图像没有参考标准(如核磁共振、手术)。因此,可能需要进一步临床研究证明O-MAR图像描述的准确性。

4 结论

O-MAR技术能够有效的抑制噪声和金属伪影对图像的影响,使金属植入物周围的组织结构能够清晰显示,因此能有效地减少金属伪影对图像质量的影响,为临床诊断提供有价值的诊断信息。

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本文编辑 聂孝楠

Application Evaluation of Orthopedic Metal Artifact Reduction Technique in Reducing Dental Metallic Artifacts in Head and Neck CT Examination

WEN Qi-ping, ZHANG Bin, PAN Jun, FAN Wen-xin,
HA Ting-ting, CHANG Tian-jing Department of Radiology, Peking University Shougang Hospital, Beijing 100144, China

Abstract:ObjectiveTo explore the effect of Orthopedic Metal Artifact Reduction (O-MAR) technique in reducing dental metallic artifacts in head and neck CT examination. Methods 65 patients with dental titanium prosthesis were conducted head and neck CT angiography scan. The patients were selected from Jan. to Dec. in 2014 of our hospital. The images were reconstructed by two different algorithms of O-MAR technique (group A) and traditional technique (group B). The regions of interest were placed in bilateral masseter muscles. Two groups’ standard deviation of the regions of interest was measured with paired t-test and image quality was subjectively scored. The image quality scores and demonstration of the oral cavity were conducted between two doctors, and analyzed with rank sum test and χ2test.ResultsThe results of two doctors’ image quality scores are: ipsilateral masseter (z=-6.06, P<0.05); contralateral masseter (z=-4.79, P<0.05), the difference is statistically significant. Image quality score in group A is higher than that of group B (χ2=34.03, P<0.05), the difference is statistically significant; The standard deviation results are ipsilateral masseter (t=-9.34, P<0.05) and contralateral masseter (t=-4.06, P<0.05), the difference is statistically significant. There is no significant difference of bilateral masseter standard deviation in group A (t=1.48, P>0.05), while the difference of bilateral masseter standard deviation in group B (t=5.38, P<0.05) is statistically significant.ConclusionO-MAR technique is superior in decreasing the effect of high atomic number artifacts on image quality, and provides valuable information for clinical diagnosis.

Key words:orthopedic metal artifact reduction technique; iterative algorithm; CT angiography; carotid artery disease; masseter muscle

[中图分类号]R814.42

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.012

[文章编号]1674-1633(2017)01-0050-04

收稿日期:2016-05-04

通讯作者:张滨,主任医师,主要研究方向为CT诊断。