作者：肖瑶，唐琦，田隽语，管海辰，陈宗桂，湖南医药学院医学院

金属植入物在现代医学中应用日益广泛，特别是在颅内动脉瘤栓塞术、口腔金属植入物、脊柱内固定术、髋关节置换术以及髋关节金属植入方面，为患者提供了显著的治疗帮助。但是，术后复查时，人体内的金属异物引起的放射状伪影，会导致图像质量下降，严重影响了影像的评估与诊断。如术后CT 复查腰椎金属植入会出现严重的金属伪影，尤其是在螺钉和腰椎周围。

这些伪影干扰了医生对椎体骨质情况地观察，难以准确判断金属植入物的植入情况。同时，周围软组织的细节被伪影掩盖，导致无法准确判断是否存在术后感染或血肿。临床研究表明与传统CT成像相比，双能CT联合MAR技术能在一定程度上帮助影像医生有效抑制金属伪影，提高病变检出率和诊断信心。然而由于患者的患病位置不同，抑制金属伪影需要的最佳单能量存在差异。因此，本文对减少不同部位金属伪影存在的最佳单能级进行综述，以期为临床诊断和治疗提供更加可靠的影像支持。

1. 金属伪影产生的原因

1.1 X线硬化效应

当X线穿过高密度的物体时，低能X线光子被大量吸收，而高能X线光子容易穿透即X线硬化效应。在CT图像上，这种能量分布不均导致CT值偏差表现为暗带或条纹伪影。

1.2 部分容积效应

当扫描层厚较厚时，则同一扫描层厚内包含不同衰减系数的体素，导致测得的CT值不能真实地反映其中任何一种组织的实际CT值，这些不同衰减系数的体素混合在一起，形成一个平均CT值即部分容积效应。在CT图像上表现为金属植入物与组织边界模糊，难以准确分辨金属植入物的植入情况以及是否对周围神经造成伤害。

1.3 光子饥饿效应

当X线穿过高密度的组织时，高密度物质因其原子序数较高、电子云密度较大，大量的X线光子与高密度组织中的原子相互作用后，被吸收并转化为其他形式的能量导致到达探测器的X线光子数量减少即光子饥饿效应。在CT图像上表现为条形的低密度区域。

1.4 散射效应

当入射X线光子穿过高密度物质时，X线光子与物质原子之间的相互作用，会发生较强的康普顿散射或相干散射效应，导致X线光子偏离原射线路径，变成散射线即散射效应。在CT图像表现在金属植入物的边界处出现模糊，细节分辨不清。

2. 金属伪影校正的方法

2.1 使用薄层扫描

常规CT采用容积扫描，扫描结束后可以重建任意层厚的图像，可满足较大病灶的诊断需求。对于骨细节、软组织细节和小结节灶等较小病灶检查需薄层CT，以获得更高质量的图像。薄层CT为扫描层厚和层间距选择在3~5 mm，层厚在3 mm以下的扫描称为超薄层扫描。薄层CT或超薄层CT扫描可以提高较小病灶的影像分辨率和病变的检出率。

对于部分容积效应产生的金属伪影，薄层CT或超薄层CT扫描能更精细地划分组织体素，使每个扫描层面内每一个体素的衰减系数更接近组织的真实衰减系数，减少了因扫描层厚较大而产生的CT值均化现象，提高了图像的准确性和诊断价值。但是，薄层扫描对X线硬化效应、散射效应和光子饥饿效应的作用效果有限。因此，通过薄层扫描无法从根本上解决金属伪影问题。

2.2 扫描参数优化

管电压、管电流、螺距和曝光时间是影响CT图像质量的重要参数。管电压的增加可以提高图像清晰性，但同时康普顿效应也会增加，这会使图像产生模糊。因此，管电压提高对金属伪影的抑制效果有限。管电流的提高可以增加图像的信噪比，但同样不能从根本上解决金属伪影。

螺距的调整可以提高扫描速度，影响扫描覆盖范围和图像分辨率，但对金属伪影的抑制效果并不显著。延长曝光时间可以增加X线光子的量，提高图像的密度分辨率，减轻图像上金属伪影的影响，但是过长的曝光时间会使患者的辐射剂量增加，并且延长曝光时间对金属伪影的抑制效果也不明显。因此，尽管优化这些扫描参数可以在一定程度上缓解金属伪影，但其效果有限，难以满足临床对高质量图像的需求。

2.3 后处理技术

CT图像后处理是指利用计算机对已生成的CT数字图像进行分析处理，达到所需结果的技术。算法和后处理技术是抑制金属伪影、提升图像质量必不可少的一部分。

2.3.1 MAR技术

金属伪影去除技术（MAR），是一种消除金属伪影对组织影响的后处理技术。目前，多家CT供应商发布了获得美国食品和药物管理局批准的MAR算法，分别是：Smart MAR（GE）、iMAR（Siemens）、OMAR（Philips）、SEMAR（Canon）、MAC（联影医疗）和MAR+（东软医疗）。智能金属伪影减少技术（SmartMAR）是基于原始数据空间进行投影数据重建的技术。

在金属伪影校正的过程中，先分割金属物与确定金属物的投影数据。其次，校正因金属物体影响和损坏的投影信息。最后，将校正后的投影数据和原始数据相融合生成校正数据。这种基于投影数据空间的校正技术可以保证校正后图像信息和原始数据信息一致。迭代金属伪影减少技术（iMAR）是综合利用X线硬化校正、线性内插值以及自适应正弦图修复和分频去金属伪影等多种迭代计算来减少图像中的条状伪影，同时它还对受影响组织的CT值进行校正，使之更接近无金属置入物情况下的真实CT值。

正交金属伪影减少技术（O-MAR）是对CT图像中的组织结构进行重新定义和分类，再通过对所定义的不同组织对应的投影数据进行反复迭代运算，寻找金属伪影对应的投影数据并从原始投影数据中剔除，如此反复循环，直至图像中没有含金属伪影的投影数据，最终得到满意的重建图像。金属伪影校正（MAC）是根据原始投影数据确定受金属植入物影响的数据范围，再对原始投影数据进行校正获得初步校正模型图像；再根据模型图像的投影数据对原始投影数据进行二次校正，并基于校正后的目标投影数据和CT扫描参数进行重建，得到没有金属伪影的目标图像。

金属伪影校正技术（MAR+）是以原始投影数据作为校正对象，保证了处理后的图像空间分辨率和低对比度能力，避免产生新的伪影。首先，对含金属伪影的原始图像进行校正得到第1次处理图像。然后，提取第1次处理图像中高频部分。对原始图像进行第2次校正处理得到第2次处理图像，并提取第2次处理图像的高频部分。将原始图像中的金属植入物分割出来，根据金属植入物的特点确定权重函数。最后，根据权重函数将2次高频图像进行加权组合，得到不含金属伪影，但保留了金属物附近区域信息的图像。

2.3.2 虚拟单能量成像（VMI）技术

VMI是通过高、低能量两套数据计算，从混合能量图像中解析出某一物质在各个单能量下的CT值，从而生成不同的虚拟单能级图像。目前，不同厂商制造的影像设备上VMI的范围各不相同，这包括40~140 keV 单能级图像（GE）、40~190 keV 单能级图像（Siemens）、40~200 keV 单能级图像（Philips）、10~160 keV单能级图像（联影医疗）和40~140 keV单能级图像（东软医疗）。

VMI 技术可以显著提高图像的对比度噪声比和信噪比，从而改善图像质量，减少伪影，降低患者的辐射剂量和缩短检查时间。VMI 技术的关键在于它能够提供比传统CT扫描更丰富的信息，通过一次扫描可以获得多个不同能量水平的图像，这些图像可以提供不同的诊断信息，有助于提高诊断的准确性和效率。然而，VMI 技术也存在一些挑战，如低能X线可以提高组织对比度，但是对金属伪影的抑制效果欠佳。高能X线可以有效抑制金属伪影，但是组织对比度会降低。因此，如何在减少金属伪影和提高组织对比度之间寻找一个平衡点，是当前急需解决的问题。

2.3.3 多种后处理技术联合

尽管虚拟单能量图像在金属伪影抑制方面取得了一定的进展，但其在处理复杂的金属植入物时仍存在一定的不足。如髋关节置换术后的假体，单纯VMI 技术是无法完全消除该金属伪影。这是因为金属伪影的产生是多种因素共同作用的结果，包括X线束硬化、散射、光子饥饿等。虽然VMI技术在抑制X线束硬化伪影方面表现出较好的效果，但对于其他类型的伪影，如散射伪影和光子饥饿伪影，其抑制作用仍旧十分有限。因此，VMI能够有效减少部分金属伪影，但其在全面抑制所有伪影方面仍存在一定的局限性。

多项研究证明，单一的金属伪影抑制技术在校正金属伪影时存在一定的局限性，而虚拟单能量和去金属伪影抑制算法联合应用，能够更好地减少或消除不同类型的伪影，从而提高图像的清晰度和准确性。高质量影像可以更有效地识别病变和异常，提高诊断的准确性，减少不必要的重复检查，形成良性闭环。

3. 双能CT虚拟单能量联合MAR抑制金属伪影在临床上的研究进展

3.1 颅内动脉瘤栓塞术

颅内动脉瘤不是肿瘤，它是由于血管壁损伤，在血流冲击或者其他因素作用下血管局部扩张形成薄壁的囊状结构，并与正常的血管相连。一旦囊状结构破裂出血，死亡率极高。颅内动脉瘤栓塞术是手术治疗的主要手段，通过微创的方法在动脉瘤里面填充特制的弹簧圈，整个过程恢复快，创伤小。CT影像随访是术后动脉瘤复查的重要手段。然而，由于内置的弹簧圈和动脉瘤夹会不可避免地产生金属伪影，金属伪影不仅严重影响CT图像质量，而且极易造成影像医师的漏诊，尤其是对小动脉瘤残余、复发和再生长的评估。

在颅内动脉瘤栓塞术后随访时，VMI联合MAR技术是一种有效处理金属伪影的方式之一。颜钦文等认为80~100 keV是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阈值。这一能级在减少金属伪影和保持血管显示能力之间达到了最佳平衡，尤其适用于直径较小的弹簧圈。有研究结果表明VMI联合O-MAR技术可以减少颅内金属伪影和提高邻近血管的可视化。

其中，当虚拟单能量值为40 keV时，VMI联合O-MAR重建CT图像的对比度噪声比和主观评分高于VMI和常规CT图像，是去除颅内弹簧圈产生金属伪影的最佳单能量。余娜等研究认为MAR 技术联合虚拟单能量值为60~65 keV为术后观察的最佳条件；而另有学者提出40~70 keV是减少颅内弹簧圈产生金属伪影的最佳单能量，它能够提供最佳的血管对比度和图像质量。因此，不同的研究表明双能CT虚拟单能量联合MAR对抑制颅内弹簧圈栓塞产生的金属伪影有一定效果。根据现有的研究结果，本文认为对于直径较小的弹簧圈，VMI联合MAR的最佳单能量是60~70 keV。但弹簧圈材质、尺寸以及金属伪影抑制算法不同，这导致抑制颅内动脉瘤栓塞的最佳单能量存在差异。

3.2 口腔金属植入物

随着口腔金属植入物的广泛使用，在进行口腔CT颌面或头颈部检查时，口腔内有金属植入物患者在接受颅颈部影像学检查时往往会产生严重的金属伪影，金属伪影严重影响颌面部病灶的显示以及口腔疾病的诊断。研究表明O-MAR技术能够明显降低口腔图像的噪声，优化软组织显示，获得更好的定性评价。有研究认为对于口腔内的低密度金属伪影，VMI联合MAR能够在一定程度上减少伪影的影响。当MAR联合单能级值在140~200 keV可以有效减少金属伪影带来的影响，并改善头与颈成像时的诊断评估。

卢国雄等研究表明双能CT 的高单能级可以提高图像质量，VMI 联合MAR在130 keV时是兼顾伪影去除效果及良好的组织对比的最佳单能级。此外，有研究表明VMI联合MAR技术能更好地减少口腔颌面成像中的金属伪影，提高了图像质量和周围软组织的诊断价值。虽然单一VMI对金属伪影的抑制效果存在一定的局限性，但MAR后处理能够大幅减少高密度和低密度伪影。

有学者认为对于减少由牙科材料引起的严重金属伪影，MAR 和VMI的结果总体上相似，但单能级数值在100 keV下，MAR去除金属伪影的效果更好。但另有研究表明当VMI≥110 keV和MAR的组合可以有效降低牙科植入物产生的金属伪影并提高图像质量。因此，不同的研究表明VMI联合MAR在减少口腔颌面及头颈部CT检查中的金属伪影方面表现出显著优势。根据现有的研究结果，本文认为对于减少口腔内金属伪影的最佳单能量是110~130 keV。但不同研究对于最佳单能量值存在差异，这些差异可能与金属植入物的位置、金属伪影抑制算法以及牙科植入物材料的差异有关。

3.3 脊柱内固定术

脊柱内固定术是一种有效的脊柱骨折治疗方式，具有较好疗效和恢复较快的特点。然而，脊柱内固定术也存在一定的风险和并发症，如感染、神经损伤和内固定失败等，所以术后评估就显得尤为关键。田帅等通过VMI联合MAR技术去除30例脊椎患者穿刺后穿刺针产生金属伪影。研究结果表明，MAR算法明显改善了穿刺针附近的伪影。当MAR算法联合VMI技术（≥120 keV）能有效降低针尖前方的金属伪影，提高图像质量，有助于提高周围病变的检出率，便于医生术后评估。此外，研究表明与单独应用MAR算法或VMI技术相比，VMI 联合MAR可以有效减少金属伪影，从而提高诊断性能。

有研究通过研究30例脊柱金属植入物患者在不同keV下噪声值、伪影长度、伪影指数以及主观评分分析，获得最佳单能量。其研究结果表明脊柱金属植入物患者最佳单能量成像点为110 keV，在最佳单能量点进行金属伪影去除重建得到的图像质量最高。因此，不同的研究表明VMI联合MAR能有效减少脊柱内固定中金属植入物产生的金属伪影。根据现有的研究结果，本文认为对于去除腰椎内固定产生金属伪影的最佳单能量是110~120 keV。但脊柱内固定物的材质、成像参数和评价标准的差异导致最佳单能量值存在差异。

3.4 髋关节置换术

髋关节置换术，是将人工髋关节假体取代病变的髋关节，从而重建患者髋关节的正常功能，是目前一种比较成熟的关节置换手术。髋关节置换手术的目的是缓解髋关节疼痛，恢复和改善髋关节的运动功能。由于大多数髋关节置换采用的材料是金属，所以在术后CT影像复查时极易产生金属伪影。有研究通过能谱CT评价全髋关节置换术中假体对周围血管成像质量的影响，结果表明MAR联合VMI 在80~120 keV时，伪影指数下降趋势平坦，在90 keV时，金属伪影逐渐减少，但同时也会导致血管可视化较差，主观评分降低；、而在70 keV和80 keV金属伪影较少和血管可视化良好，主观评分最高。

故把70、80 keV作为VMI联合MAR技术去除髋关节置换产生金属伪影的最佳单能量级。有学者在光子计数探测器CT中，比较iVMI联合MAR和单VMI两种情况对金属伪影的抑制效果。研究结果表明当VMI=100 keV时采用MAR技术可有效减少髋关节假体产生的金属伪影，提高周围组织的诊断质量。

此外，对于由不同金属合金组成的单侧和双侧髋关节假体，有学者认为VMI联合MAR技术在髋关节置换中对金属伪影抑制的最佳单能量级范围为74~150 keV；有研究认为VMI 联合MAR在120~140 keV可以有效减少单侧髋关节置换术中的金属伪影，提高假体周围区域的图像质量，且对盆腔器官无任何影响。因此，不同的研究表明VMI联合MAR技术在髋关节置换术后的CT影像复查中能够有效减少金属伪影，提高图像质量。

根据现有的研究结果，本文认为对于去除髋关节置换中假体产生金属伪影的最佳单能量是80~120keV。但金属材料（如钛合金、钴铬合金）、植入物的形状和主观评价不同导致最佳单能量值存在争议。

3.5 膝关节植入物

膝关节植入物是一种用于替代膝关节中受损或病变部件的医疗器械，通常由金属（例如钴铬或钛）和塑料（聚乙烯）制成。这些植入物通过手术植入体内，以恢复膝关节的功能和运动能力。朱小忠等将60例行全膝关节置换手术后需要复查CT 的患者分为A、B两组。其中，30例采用VMI联合MAR技术设为A组，另外30例采用了VMI技术设为B组。其结果表明VMI结合MAR技术去除膝关节金属伪影的最佳单能量为110 keV，在最佳单能量点可得到高质量图像。而有研究通过扫描全膝关节置换术后31 例患者，在不同能级（80、100、120、140 keV）下获得有MAR和无 MAR的VMI图像。

研究结果表明VMI结合MAR技术可以显著减少膝关节金属伪影，提高图像质量。其中，在100~120 keV的能量水平下，可以实现良好的金属伪影去除效果和软组织对比度，而在140 keV下可以实现最佳的金属伪像去除效果。此外，有研究认为140 keV联合O-MAR技术可以有效提高骨-假体交界面可视化，有助于医生对医学影像信息的全面解读，极大增加了骨科医生的诊断信心。因此，不同的研究表明VMI联合MAR技术对减少膝关节置入物产生的金属伪影有一定的效能。根据现有的研究结果，本文认为对于去除髋关节置换中假体产生金属伪影的最佳单能量是130~140 keV。但是，不同金属材料（如钛合金、钴铬合金）、MAR算法的实现方式、骨密度以及植入物的具体位置导致最佳单能量值不同。

来源：肖瑶,唐琦,田隽语,等.双能CT虚拟单能量成像联合MAR技术在金属伪影抑制中的临床应用进展[J].分子影像学杂志,2025,48(07):911-916.