Clinical Value of Spectral Imaging Combined with MAR for CTA after Embolization of Intracranial Aneurysms
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摘要:
目的：评价颅内动脉瘤栓塞术后能谱CTA联合去金属伪影技术（MAR）的应用价值。方法：收集37例颅内动脉瘤栓塞术后需行能谱头颈CTA检查患者的CT原始数据，分别重建出70～140 keV单能级图像、120 kVp-like混合能量图像及70～140 keV MAR处理图像和120kVp-like MAR图像；感兴趣区（ROI）放置在伪影最严重层面的线圈附近，测量CT值及标准差（SD），计算伪影指数（AI）及信噪比（SNR）；在主观分析方面，由两名诊断医生采用Likert 5分量表法对所有图像的伪影程度和血管显示能力进行评估；比较MAR组和非MAR组图像的主观评分和客观参数。采用Wilcoxon秩和检验、配对样本t检验及独立样本t检验比较各组图像之间的差异。结果：8组单能量图像上，MAR图像的AI明显低于非MAR图像；在80～110 keV条件下，MAR图像SNR高于非MAR组，差异具有统计学意义；相同keV下，与非MAR组相比，MAR组图像的伪影评分及周围血管显示主观评分得分均更高。对于非MAR处理图像，AI值与周围血管显示评分在植入不同直径弹簧圈的患者图像上没有统计学差；对于MAR图像，较大直径弹簧圈组（>8.79 mm）患者图像的AI值明显高于常规直径组，而周围血管显示主观评分明显低于常规直径组。结论：能谱CTA成像联合MAR可有效减少颅内动脉瘤栓塞植入物伪影，改善周围血管显示，对于小直径的弹簧圈MAR减少伪影效果最为显著。
Abstract:Objective: To evaluate the application value of combining spectral imaging and metal artifact reduction (MAR) in head and neck CTA after the embolization of intracranial aneurysms. Methods: We collected 37 patients who experienced embolization of intracranial aneurysms then received spectral imaging of head and neck CTA. Monochromatic images with energy ranging from 70～140 keV, 120 kVp-like mixed energic images, 70～140 keV MAR images, and 120 kVp-like MAR images were generated. The region of interest was placed on the area near the coil and with the most serious metal artifact. CT attenuation and standard deviation were measured, and artifact index (AI) and signal-noise ratio (SNR) were calculated. Two radiologists independently subjectively evaluated the metal artifact and the display of surrounding vessels using Likert 5 scales. The subjective scores and objective parameters between MAR and non-MAR images were compared. The Wilcoxon ranking test, paired sample t test, and independent sample t test were utilized to compare parameters between the groups. Results: MAR images had significantly lower AI than did non-MAR images for all eight monochromatic energies. When energies ranged from 80~110 keV, SNR was higher for MAR images than for non-MAR images, and the difference was statistically significant. With same energies, MAR images had higher artifact and vessel display scores than did non-MAR images. For non-MAR images, the different coil diameters did not make a statistical difference in AI and vessel display scores. For MAR images, a larger coil diameter (>8.79 mm) led to higher AI and lower vessel display scores than did normal diameters (≤8.79 mm). Conclusion: The combination of spectral imaging and MAR could effectively reduce the metal artifact of implants for the embolization of intracranial aneurysms and improve the surrounding vessel display. Moreover, the metal artifact reduction effect was more significant for the coils with smaller diameters.
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血管内弹簧圈栓塞术逐渐成为治疗颅内动脉瘤的主流治疗策略[1]，头颈CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）因其无创性常被用于颅内动脉瘤栓塞术后复查[2]，但弹簧圈造成的严重金属伪影会降低图像质量，影响载瘤血管及周围血管情况的评估。既往研究表明能谱CT在不同keV条件下联合金属伪影校正（metal artifact reduction，MAR）技术可有效地减少脊柱金属物伪影[3-4]。尽管有研究表明单能图像和MAR的单独使用对于头颈CTA的图像质量有较大提升，但少有研究探讨能谱CTA成像联合MAR在颅内动脉瘤栓塞术后的应用价值，尤其是对于植入不同直径弹簧圈的情况甚少涉及。
本研究旨在探讨能谱CTA联合MAR技术对颅内动脉瘤栓塞术后植入有不同直径弹簧圈患者复查的应用价值。
1. 材料与方法
1.1 研究对象
本研究收集2020年7月至2022年8月行头颈能谱CTA成像者37例。所有患者均经数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）证实为颅内动脉瘤者且已接受弹簧圈栓塞术，男性15例，女性22例，平均年龄为（61.0±5.2）岁。37例患者植入弹簧圈平均直径为（8.79±3.63）mm，其中最大者为14.00 mm，最小者为5.20 mm。
根据中位数原则，以8.79 mm为界，将患者分为常规直径组（≤8.79 mm，n=19）A组及直径较大组（>8.79 mm，n=18）B组。
本研究均取得患者同意并签署知情同意书。
1.2 扫描方案
采用GE Revolution 256排CT扫描仪GSI模式完成头颈能谱CTA检查。扫描范围自主动脉弓至颅顶。扫描参数：管电压80/140 kVp瞬时切换，管电压375 mA，准直器宽度80 mm，螺距0.992∶1，转速0.6 s/r，扫描层厚5 mm，使用ASiR-V 60％ 进行图像重建。
使用自动触发扫描技术，将监测ROI置于颈总动脉分叉部或颈内动脉颈段，触发阈值设置为100 HU，当ROI达到阈值后，延迟3 s开始扫描。造影剂注射方案：经肘静脉以4.5 mL/s流率注入60 mL碘帕醇（370 mgI/mL），随后以相同流速注入20 mL生理盐水。
1.3 图像分析
将原始数据导入GE AW4.7后处理工作站。对于单个病例，分别生成8组70～140 keV联合MAR图像（间隔10 keV）和单能非 MAR图像，120 kVp-like混合能量图像和MAR处理的120 kVp-like图像。对图像进行容积再现、多平面重建、最大密度投影、曲面重建等后处理。
1.3.1 客观测量
于120 kVp-like轴位图像上测量获得弹簧圈的最大直径，记录作为植入弹簧圈直径。分别于弹簧圈附近伪影最严重区域（区域a）及同层未受伪影影响的脑实质区域（区域b）放置ROI，并将ROI复制到各能级图像及120 kVp-like图像相同位置，记录各ROI的衰减值（CT值）及其标准差（standard deviation，SD），计算出伪影指数（artifact index，AI）及信噪比（signal to noise ratio，SNR），其中
${\rm{AI}}=({\rm{SD}}_{\rm{a}}^2-{\rm{SD}}_{\rm{b}}^2) ^{1/2}$ ，SDa为区域 a内ROI的标准差值，SDb为区域 b内ROI的标准差值；${\rm{SNR}}={\rm{CT}}_{{\rm{ROI}}}/{\rm{SD}}_{{\rm{ROI}}} $ ，${\rm{CT}}_{{\rm{ROI}}} $ 、$ {\rm{SD}}_{{\rm{ROI}}}$ 分别为感兴趣区域的 CT值和SD值。1.3.2 主观评价
所有主观评价均设定窗宽、窗位分别为800 HU和240 HU。由两名具有3年以上神经影像学诊断经验的主治医师在对图像重建信息未知的情况下以Likert 5分量表法独立评估伪影严重程度及周围血管显示情况，评分标准如下。
伪影去除评分标准：5分，伪影极少或无伪影；4分，轻度伪影；3分，中度伪影；2分，较多伪影；1分，严重伪影。血管显示能力：5分，周围血管显示清晰，可明确诊断；4分，周围血管显示较清晰，不影响诊断信心；3分，周围血管显示受到较重影响，尚可诊断；2分，周围血管受到严重影响，难以诊断；1分，周围血管显示不清，无法诊断。评分≥3分为满足临床诊断需求。对于有分歧的图像通过协商讨论达成一致。
1.4 统计学分析
采用SPSS 22.0软件进行统计学分析。采用科尔莫戈洛夫-斯米诺夫检验对连续变量进行正态性检验；对同一能量下或120 kVp-like经/无MAR处理的图像比较采用配对t检验或 Wilcoxon秩和检验。
采用独立样本t检验比较不同弹簧圈直径分组图像的客观参数和主观评分；采用Kappa分析评估观察者之间的一致性，κ≥0.8为一致性良好。P<0.05为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 客观参数
8组单能级及120 kVp-like的MAR处理或非MAR图像的AI及SNR结果见表1。随着keV增加，单能级MAR图像AI明显减低。在相同keV条件下，MAR图像AI明显低于非MAR图像。在相同keV条件下，MAR组图像SNR均高于非MAR组，但仅在80～110 keV条件下两组差异有统计学意义。
表 1 MAR图像与非MAR图像的伪影指数与信噪比比较Table 1. Comparison of artifact index and signal to noise ratio between MAR and non-MAR images电压 AI P SNR P MAR组 非MAR组 MAR组 非MAR组 70 keV 49.67±67.19 112.04±53.18 0.014 −2.74±2.27 −4.20±3.13 0.164 80 keV 45.91±67.05 100.32±52.39 0.012 −2.91±2.64 −4.82±3.90 0.009 90 keV 41.91±61.17 96.48±47.02 0.009 −3.08±2.85 −4.57±2.93 0.011 100 keV 36.97±51.77 93.45±44.13 0.014 −3.21±3.04 −4.70±3.10 0.034 110 keV 36.45±52.85 94.59±47.65 0.016 −3.26±3.16 −4.56±3.06 0.044 120 keV 36.22±53.74 93.46±48.67 0.017 −3.24±3.20 −4.61±3.25 0.050 130 keV 36.01±54.51 92.14±49.39 0.017 −3.26±3.27 −4.69±3.44 0.050 140 keV 35.96±55.17 91.30±50.16 0.018 −3.25±3.28 −4.76±3.63 0.055 120 kVp-like 47.20±70.50 110.10±55.9 0.015 −3.19±2.40 −4.51±3.63 0.059 注：MAR为去金属伪影；AI为伪影指数；SNR为信噪比。 对于不同直径线圈植入患者图像，无论是否进行MAR处理，B组患者AI值均高于A组，SNR均低于A组，且两组差异在MAR图像的AI值上有统计学意义，结果见表2。
表 2 植入不同直径弹簧圈的患者CT图像质量比较Table 2. Image quality comparison among CT images of patients implanted with coils of different diameters参数 组别 P A组（≤8.79 mm） B组（>8.79 mm） AI（MAR） 22.72±16.02 79.91±108.18 0.011 AI（非MAR） 108.88±43.15 111.84±81.17 0.195 SNR（MAR） -2.00±2.32 -4.79±1.57 0.124 SNR（非MAR） -2.62±1.25 -7.04±4.54 0.068 伪影评分（MAR） 4.40±0.23 3.70±0.53 0.093 伪影评分（非MAR） 3.28±0.10 3.10±0.10 0.830 周围血管显示（MAR） 4.55±0.17 3.43±0.58 0.032 周围血管显示（非MAR） 3.25±0.37 3.10±0.10 0.131 注：MAR为去金属伪影；AI为伪影指数；SNR为信噪比。 2.2 主观评价结果
8组单能级及120 kVp-like的MAR处理或非MAR图像的主观评分结果见表3。两名观察者一致性良好（κ=0.82）。相同keV条件下，MAR组图像伪影评分与血管显示能力得分均高于非MAR组，差异具有统计学意义。随着keV的增加，MAR及非MAR图像伪影减轻，评分增加，而对于周围血管显示，评分呈先升高再下降的趋势。
表 3 MAR图像与非MAR图像的主观图像质量评分比较Table 3. Comparison of subjective image quality scores between MAR and non-MAR images电压 伪影评分 P 周围血管显示评分 P MAR组 非MAR组 MAR组 非MAR组 70 keV 3.76±0.53 3.01±0.34 0.009 3.87±0.64 3.03±0.76 0.009 80 keV 3.90±0.53 3.13±0.10 0.005 3.93±0.60 3.11±0.22 0.007 90 keV 4.07±0.48 3.24±0.15 0.001 4.04±0.67 3.19±0.28 0.009 100 keV 4.20±0.51 3.32±0.18 0.001 4.10±0.71 3.24±0.31 0.011 110 keV 4.33±0.46 3.43±0.15 <0.001 4.06±0.66 3.23±0.31 0.010 120 keV 4.43±0.46 3.50±0.16 <0.001 3.97±0.62 3.19±0.24 0.014 130 keV 4.47±0.41 3.61±0.16 <0.001 3.88±0.56 3.17±0.21 0.010 140 keV 4.54±0.42 3.67±0.14 <0.001 3.77±0.51 3.10±0.15 0.008 120 kVp-like 4.10±0.51 3.20±0.13 0.001 4.10±0.70 3.19±0.28 0.011 注：MAR为去金属伪影。 如图1所示，120 kVp-like非MAR图像上，金属伪影明显影响周围血管的显示（图1（a）和图1（b））。在120 kVp-like的MAR处理轴位及曲面重建图像（图1（c）～图1（e））上，金属植入物伪影明显减轻，周围血管显示情况明显改善。此外，对于不同直径线圈植入患者图像，无论是否进行MAR处理，B组患者伪影评分和血管显示能力评分均低于A组，其中周围血管显示主观评分在两组之间具有统计学差异（表2）。
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图 1 典型病例。女，49岁，左侧颈内动脉瘤术后（a）和（b）为120 kVp-like非MAR图像（血管窗），显示弹簧圈周围伪影较重，无法准确判定弹簧圈与邻近血管的关系；（c）和（d）为120 kVp-like MAR图像（血管窗），弹簧圈周围伪影明显减轻，可清晰显示弹簧圈及周围血管；（e）为120 kVp-like联合MAR血管曲面重组图像，清晰显示后交通动脉起始部的弹簧圈，邻近血管未见明显狭窄及瘤样扩张。Figure 1. Scheme diagram of a representative case. Female, 49 years old, after surgery for left internal carotid aneurysm3. 讨论
颅内动脉瘤栓塞术是治疗颅内动脉瘤的重要方法，预后较差时极易引起死亡，因此及时进行术后复查对颅内动脉瘤患者意义重大。CT具有快速、非侵入性、三维显示空间解剖结构等优势，但图像质量容易受到植入的弹簧圈、动脉瘤夹等产生的金属伪影的影响，而阻碍影像医生的正确判断。
金属伪影是由多种原因共同导致的，包括光子饥饿、射线硬化、散射、部分容积效应、欠采样和患者运动[5]。Mamourian等[6]发现常规 CT薄层扫描联合迭代重建技术可明显降低金属伪影的影响。针对原始投影数据或图像信息提出的去金属伪影算法（MAR，O-MAR或SEMAR），已被研究证实其是减少金属伪影通用且有效的技术[7-8]。能谱CT获取的上百个单能级图像，不仅优化图像质量还可选择最佳单能级图像，从而减少金属伪影，研究表明50～70 keV VMI图像对于颅内动脉瘤栓塞术后CT平扫中减轻金属伪影有较好效果[9-10]。既往研究报道能谱CT单能量成像联合MAR或O-MAR技术不仅可以有效减少金属伪影，还可提高金属植入物及周围组织结构的清晰度[11-13]。
然而，现有研究对于能谱CTA成像联合MAR在颅内动脉瘤栓塞术后的应用价值，尤其是对于植入不同直径弹簧圈后对血管的显示情况甚少涉及。
本研究将能谱单能量成像与MAR技术结合，探究其对植入不同直径弹簧圈的颅内动脉瘤术后患者CTA复查的价值。结果显示，所有单能MAR图像质量均优于同能级非MAR图像，且适当能级的单能MAR图像具有比单能非MAR或混能MAR图像更好的图像质量；此外，对于直径小于8.79 mm的弹簧圈，MAR处理效果最好。研究结果证明能谱与MAR结合对于颅内动脉瘤术后复查的临床价值，也有助于进一步探索MAR技术的适用范围。
本文研究发现100 keV是进行颅内动脉瘤栓塞术后CTA观察弹簧圈附近血管的最佳单能量，这与付雨菲等[14]的研究结果一致。无论是否经过MAR处理，随着能级升高，金属伪影逐渐减轻，而血管显示能力则呈现先升高后降低的趋势，在100 keV处达到峰值。对于金属伪影，低能X射线穿透能力较差，硬化伪影较重，而随着能级提升，高能X射线穿透能力较强，图像金属伪影能得到明显改善。而对于血管显示能力，金属伪影和血管的对比度是需要共同考虑的因素[15-16]，低能图像CT值高，血管对比度高，但伪影严重，高能图像金属伪影轻，但血管对比度低，在100 keV处伪影和对比度之间达到了平衡，综合显示效果最佳。也有研究显示50～80 keV是颅内动脉瘤栓塞术后最佳的成像单能量[17-18]，这可能与扫描方式（平扫或造影剂增强扫描）、图像评估方法（关注脑实质或血管显示能力）以及弹簧圈直径、材料有关。
使用MAR技术后，无论单能量还是混合能量图像，金属伪影都得到了明显改善，SNR和血管显示能力提高，图像质量提升，这与既往体模和临床研究结果一致[19]。本文使用的MAR技术使用相邻投影数据或使用修正后的先验图像将金属物体产生的含金属伪影的投影数据替换为合成投影数据。其原理：首先识别投影中的损坏样本，使用高阶插值生成合成投影，然后反向投影生成第一阶段MAR图像；随后利用复杂的信号处理技术在分割之前处理第1阶段MAR图像，生成先验图像并进行正投影以生成合成数据替换损坏的投影样本；最后使用原始投影数据和修复投影的组合生成最终校正投影。这种MAR技术可有效揭示隐藏在金属附近伪影下方的解剖细节[20]。因此，也有研究表明MAR技术在脊柱、关节手术后可有效消除金属植入物产生的伪影，提高周围组织显示能力[3]。
然而，MAR技术的适用范围仍然值得进一步探究。正如本文研究所示，对于动脉瘤栓塞术后复查，MAR对于不同直径的弹簧圈，其金属伪影去除效果不同。与本文相似，研究发现对于直径更小的金属植入物，去金属伪影算法（O-MAR）效果更好，但该植入物的直径分组为5 mm[21]。也有研究表明，MAR技术对于金属的形状要求较高，对于形状较为规则的金属去伪影效果较好，但对于结构复杂、形状不规则的金属则效果不大理想，这是插值校正的局限性[22-23]。此外，对于联合MAR技术与单能量图像协同去金属伪影的应用，也应谨慎选择能级，对于不同植入部位和不同材质的植入物，其最佳单能量可能不一致，如对于髋关节植入物CoCrMo合金最佳单能量在110～120 keV，而对于金属的牙科植入物最佳单能量在70～110 keV[24]，因此推断对于临近颅骨或脑深部可能会有不同的最佳单能量与MAR的结合，但现有研究对于颅内动脉瘤栓塞术后弹簧圈植入部位对去金属伪影效果的影响极少涉及。
本研究不足：研究对象样本量不大；本研究仅关注弹簧圈周围血管显示情况，未评价其诊断效能；MAR技术降低金属植入物伪影的效果可能受金属材质、植入部位影响，本研究尚未进行深入探讨。
综上所述，能谱CTA成像联合MAR技术可有效减少颅内动脉瘤栓塞术后弹簧圈植入物伪影，改善周围血管显示情况，尤其是对于直径小于8.79 mm的弹簧圈，去除金属伪影效果较好。
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图 1 典型病例。女，49岁，左侧颈内动脉瘤术后
（a）和（b）为120 kVp-like非MAR图像（血管窗），显示弹簧圈周围伪影较重，无法准确判定弹簧圈与邻近血管的关系；（c）和（d）为120 kVp-like MAR图像（血管窗），弹簧圈周围伪影明显减轻，可清晰显示弹簧圈及周围血管；（e）为120 kVp-like联合MAR血管曲面重组图像，清晰显示后交通动脉起始部的弹簧圈，邻近血管未见明显狭窄及瘤样扩张。
Figure 1. Scheme diagram of a representative case. Female, 49 years old, after surgery for left internal carotid aneurysm
表 1 MAR图像与非MAR图像的伪影指数与信噪比比较
Table 1 Comparison of artifact index and signal to noise ratio between MAR and non-MAR images
电压 AI P SNR P MAR组 非MAR组 MAR组 非MAR组 70 keV 49.67±67.19 112.04±53.18 0.014 −2.74±2.27 −4.20±3.13 0.164 80 keV 45.91±67.05 100.32±52.39 0.012 −2.91±2.64 −4.82±3.90 0.009 90 keV 41.91±61.17 96.48±47.02 0.009 −3.08±2.85 −4.57±2.93 0.011 100 keV 36.97±51.77 93.45±44.13 0.014 −3.21±3.04 −4.70±3.10 0.034 110 keV 36.45±52.85 94.59±47.65 0.016 −3.26±3.16 −4.56±3.06 0.044 120 keV 36.22±53.74 93.46±48.67 0.017 −3.24±3.20 −4.61±3.25 0.050 130 keV 36.01±54.51 92.14±49.39 0.017 −3.26±3.27 −4.69±3.44 0.050 140 keV 35.96±55.17 91.30±50.16 0.018 −3.25±3.28 −4.76±3.63 0.055 120 kVp-like 47.20±70.50 110.10±55.9 0.015 −3.19±2.40 −4.51±3.63 0.059 注：MAR为去金属伪影；AI为伪影指数；SNR为信噪比。 
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表 2 植入不同直径弹簧圈的患者CT图像质量比较
Table 2 Image quality comparison among CT images of patients implanted with coils of different diameters
参数 组别 P A组（≤8.79 mm） B组（>8.79 mm） AI（MAR） 22.72±16.02 79.91±108.18 0.011 AI（非MAR） 108.88±43.15 111.84±81.17 0.195 SNR（MAR） -2.00±2.32 -4.79±1.57 0.124 SNR（非MAR） -2.62±1.25 -7.04±4.54 0.068 伪影评分（MAR） 4.40±0.23 3.70±0.53 0.093 伪影评分（非MAR） 3.28±0.10 3.10±0.10 0.830 周围血管显示（MAR） 4.55±0.17 3.43±0.58 0.032 周围血管显示（非MAR） 3.25±0.37 3.10±0.10 0.131 注：MAR为去金属伪影；AI为伪影指数；SNR为信噪比。
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表 3 MAR图像与非MAR图像的主观图像质量评分比较
Table 3 Comparison of subjective image quality scores between MAR and non-MAR images
电压 伪影评分 P 周围血管显示评分 P MAR组 非MAR组 MAR组 非MAR组 70 keV 3.76±0.53 3.01±0.34 0.009 3.87±0.64 3.03±0.76 0.009 80 keV 3.90±0.53 3.13±0.10 0.005 3.93±0.60 3.11±0.22 0.007 90 keV 4.07±0.48 3.24±0.15 0.001 4.04±0.67 3.19±0.28 0.009 100 keV 4.20±0.51 3.32±0.18 0.001 4.10±0.71 3.24±0.31 0.011 110 keV 4.33±0.46 3.43±0.15 <0.001 4.06±0.66 3.23±0.31 0.010 120 keV 4.43±0.46 3.50±0.16 <0.001 3.97±0.62 3.19±0.24 0.014 130 keV 4.47±0.41 3.61±0.16 <0.001 3.88±0.56 3.17±0.21 0.010 140 keV 4.54±0.42 3.67±0.14 <0.001 3.77±0.51 3.10±0.15 0.008 120 kVp-like 4.10±0.51 3.20±0.13 0.001 4.10±0.70 3.19±0.28 0.011 注：MAR为去金属伪影。
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1. 陈宗桂，肖瑶，钟志明，唐琦，曹湘玉，黄民江. 能谱CT单能量成像联合去金属伪影算法可减少颅内动脉瘤栓塞术后伪影. 分子影像学杂志. 2025(02): 229-234 . 
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