大鼠活體胸部掃描中減少圖像呼吸心跳偽影序列方案的探討

尹偉，劉日，趙冰輝，王敏杰，弓靜

(第二軍醫(yī)大學附屬醫(yī)院長海醫(yī)院影像醫(yī)學科， 上海 200433)

動物模型的影像學評估是研究各種疾病發(fā)生、轉移以及治療效果的重要手段，采用合適的影像技術獲得高質(zhì)量的影像學數(shù)據(jù)是動物模型進行有效影像學評估的關鍵。近些年來，分子影像學在快速發(fā)展同時也推動了動物模型影像技術的發(fā)展，在X線成像、計算機斷層掃描成像(computed tomography， CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、核素成像(radionuclide imaging，RI)、光學成像等方面都進行了一定的探索和改進[1]。

多層螺旋CT由于其具有高時間分辨率、高空間分辨率、高密度分辨等特點，被廣泛應用于臨床，在以往的CT掃描中局限在大動物模型，對于大鼠等臨床常用且成本低廉的小動物的掃描依然因為感興趣掃描野小、心率快、呼吸無法控制等多因素影響而阻礙其應用，而隨著高端 CT掃描和重建技術的進步，其對小動物的活體胸部CT掃描序列有待于開發(fā)，本實驗旨在研究256層螺旋CT的不同掃描序列對圖像呼吸、心跳偽影的影響，以探討大鼠活體胸部掃描的適合方案。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗動物

清潔級SD大鼠10只，周齡11周左右，雄性，體重250～300 g，購于上海斯萊克實驗動物有限責任公司【SCXK(滬)2017-0005】。飼養(yǎng)期間給予小鼠標準飼料及潔凈飲用水，均由上海市第二軍醫(yī)大學實驗動物中心提供【SCXK(滬)2017-0005】。

1.1.2 試劑與儀器

采用飛利浦Brilliance-iCT(Brilliance-iCT Elite FHD; Philips Healthcare, Cleveland, Ohio, USA)進行掃描。采用4%濃度的異氟烷進行吸入誘導麻醉，在小鼠進入外科深麻醉期后，以2%的濃度維持外科深麻醉狀態(tài)，將大鼠取仰臥位固定，先行胸部雙定位線掃描，然后對大鼠胸部進行掃描，掃描范圍從小鼠胸廓入口到腹部，選擇兩種掃描序列進行胸部CT掃描，具體參數(shù)如下(表1)，重建函數(shù)使用standard (B)，重建層厚0.8 mm，層間距0.4 mm，矩陣512×512。所有圖像傳到飛利浦星云工作站(ISP)上進行后處理及圖像分析。記錄機器自動生成的容積CT劑量指數(shù)(CT dose index volume，CTDIvol)和劑量長度乘積(dose length product，DLP)。

1.2 方法

客觀圖像質(zhì)量分析評估：由一名資深技師對圖像感興趣區(qū)進行CT值和客觀噪聲(感興趣區(qū)CT值的標準差SD)的測定，并計算信噪比。感興趣區(qū)分別選擇肺組織、肝組織以及胸部前方空氣，面積為20 mm×20 mm，信噪比(SNR)=CT值/SD值。將空氣噪聲CT值的SD值定義為背景噪聲。

主觀圖像質(zhì)量分析評估：由兩名高年資放射醫(yī)師采用雙盲法對兩組圖像進行評價，意見不一致時，共同再次閱片決定，取兩者平均值為最后的主觀評分。參考文獻選擇評價指標及評分標準[2-3]。對圖像質(zhì)量的評分采用5分法。1分：圖像偽影重，解剖結構顯示不清，圖像質(zhì)量差；2分：圖像偽影較重，解剖結構顯示不清，圖像質(zhì)量較差；3分：圖像偽影一般，解剖結構顯示欠清晰，圖像質(zhì)量一般；4分：圖像偽影較少，解剖結構顯示較清晰，圖像質(zhì)量較好；5分：圖像無偽影，解剖結構顯示清晰，圖像質(zhì)量優(yōu)秀。其中偽影評估主要包括心跳及呼吸運動偽影，圖像觀察必須包括肺窗下外周肺組織與心臟周圍肺組織的評估以及縱隔窗下心臟組織的評估。圖像質(zhì)量≥3分可滿足診斷要求。窗寬和窗位設置如下：肺窗窗寬窗位：1300、-300 HU，縱隔窗窗寬窗位：250、25 HU。

1.3 統(tǒng)計學方法

2 結果

2.1 輻射劑量比較

所有實驗動物均完成活體胸部CT掃描，A組的CTDIvol與DLP分別為9.6 mGy與144.7 mGy/cm，B組分別為9.6 mGy與77.2 mGy/cm，可發(fā)現(xiàn)軸掃描B組輻射劑量遠低于螺旋掃描的A組。

2.2 圖像的客觀指標比較

如表2所示，兩組間肺組織CT值與肝組織CT值差異無顯著性(t值分別為-0.205、0.545，P>0.05)，兩組圖像噪聲差異無顯著性(t值為-0.865，P>0.05),兩組圖像肺組織的SNR差異無顯著性(t值為0.012，P>0.05)，但肝組織的SNR差異有顯著性(t值為-2.885，P< 0.05)。即兩種方法得到的CT值、圖像噪聲及肺組織的信噪比相當，但肝組織的信噪比B組明顯好于A組。回顧性分析發(fā)現(xiàn)，A組圖像肝區(qū)域運動偽影均較大，導致肝區(qū)域的CT值的噪聲加大，最終影響到圖像的SNR值。

表1 CT掃描參數(shù)對比Table 1 Comparison of CT scan parameters

表2 兩種掃描方法所得圖像的客觀指標比較Table 2 Comparison of objective indexes of images obtained by two scanning methods

2.3 主觀指標評價結果比較

觀察者間一致性分析：共分析10例大鼠兩種不同掃描序列的胸部CT數(shù)據(jù)。兩位醫(yī)師的評分結果的相關系數(shù)為0.763，診斷結果一致性較好。兩種方法圖像質(zhì)量評估：A、B兩組主觀圖像質(zhì)量評分分別為(2.5±0.53)分、(4.3±0.67)分，差異有顯著性(χ2值為14.76，P< 0.05)。其中影響A組最大的因素為心跳及呼吸運動偽影，相關偽影可在軟組織窗(圖1)與肺窗(圖2)條件下顯示，對肺外周及心臟周圍肺組織均有較大影響，而B組質(zhì)量均較好。

注：A、C、E為常規(guī)胸部掃描序列獲取圖像，A為心臟層面橫斷位軟組織窗，如箭頭所示，心臟與肺組織解剖結構較模糊，有明顯的運動導致的射線硬化偽影；C為肝層面橫斷位軟組織窗；E為冠狀位軟組織窗，箭頭區(qū)域均為明顯的運動偽影。整體圖像質(zhì)量較差，主觀評分2分。B、D、F為心臟非門控掃描序列獲取圖像，B為心臟層面橫斷位軟組織窗，如箭頭所示，心臟與肺組織解剖結構清晰，無運動產(chǎn)生的相關偽影；C為肝層面橫斷位軟組織窗；E為冠狀位軟組織窗。整體圖像質(zhì)量優(yōu)秀，主觀評分5分。圖1 常規(guī)胸部掃描與非門控掃描圖像軟組織對比Note. A, C, and E are images obtained by routine chest scans. A is a cross-sectional soft-tissue window at the heart plane. As indicated by the arrows, the anatomy of the heart and lungs is blurred, and there are obvious radiation hardening artifacts caused by the movement. C is the transverse plane of the liver with soft-tissue window. E is the coronal plane with soft-tissue window, and the area indicated by an arrow is an obvious motion artifact. The image quality is poor, with a subjective score of 2 points. B, D, and F are images obtained by the cardiac non-gated scan sequence, and B is a cross-sectional soft-tissue window at the heart plane. As shown by the arrows, the anatomy of the heart and lungs is clear and there are no motion-related artifacts. C is the transverse cross-section of the liver. E is the coronal plane with a soft-tissue window. The image quality is excellent, with a subjective rating of 5 points.Figure 1 Comparison of routine chest scan and non-gated scan with soft-tissue window

注：A、C為常規(guī)胸部掃描序列獲取圖像，A為橫斷位肺窗,箭頭所示為肺動脈與支氣管解剖結構顯示模糊，運動偽影較重；C為冠狀位肺窗，膈頂區(qū)域運動偽影明顯。整體圖像質(zhì)量較差，主觀評分2分。B、D為心臟非門控掃描序列獲取圖像，B為橫斷位肺窗，箭頭所示肺動脈與支氣管解剖結構清晰，無運動偽影；C為冠狀位肺窗，無運動偽影。整體圖像質(zhì)量優(yōu)秀，主觀評分5分。圖2 常規(guī)胸部掃描與心臟非門控掃描圖像肺窗對比Note. A and C are images obtained by a conventional chest scan sequence. A is the transverse view with lung window. The arrows show that the anatomy of the pulmonary artery and the bronchus is blurred and the motion artifacts are intense. C is the coronal plane with lung window, and the motion artifacts in the dome region are clear. The image quality is poor, with a subjective score of 2 points. B and D are images obtained by the cardiac non-gated scan sequence. B is the transverse view with lung window. The anatomical structures of the pulmonary artery and bronchus are clearly shown by arrows. There is no movement artifact. C is the coronal plane with lung window and there is no motion artifact. The image quality is excellent, with a subjective rating of 5 points.Figure 2 Comparison of routine chest scan and non-gated scan with lung tissue window

3 討論

臨床上對于胸部疾患常用的影像學評價方法有X線、超聲、計算機斷層掃描成像(computed tomography， CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)單電子發(fā)射計算機斷層掃描成像(single-photon emission tomography，SPECT)、正電子發(fā)射型計算機斷層掃描成像(positron emission tomography，PET)[4]。其中X線簡便易行，但往往因為其為二維圖像，存在著空間上的重疊，對疾病的早期及心影膈肌周圍肺組織的病灶容易漏診；超聲價格低廉，但氣體對超聲的影響較大，不適合于肺部疾患的觀察，僅僅適用于對心臟病變的觀察；MRI對胸部的掃描費時費力，且偽影較大，大多局限在縱隔病變的觀察，對肺部疾患僅僅是作為CT的一種補充手段；SPECT-CT與PET需要用到放射性藥物，主要通過觀察藥物的攝取情況評價功能與代謝，價格昂貴，不能作為常規(guī)檢查方法使用；而CT對于肺組織有著絕佳的空間分辨率、密度分辨率以及時間分辨率，應用最為廣泛，為胸部病變的首選檢查。

動物模型可以幫助我們了解疾病的發(fā)生、發(fā)展及轉歸，大鼠屬于嚙齒類哺乳動物，由于其成本低廉、性格溫順易于控制、成活率高易飼養(yǎng)等優(yōu)點，被廣泛應用于各種疾病的動物建模，其建造模型的使用率遠遠高于豬、犬等大型動物，而臨床機型的CT掃描對于胸部疾患的評估卻往往局限在大動物模型[2,5-6]，對于大鼠等臨床常用且成本低廉的小動物的胸部掃描依然因為感興趣掃描野小、心率快、呼吸無法控制等多因素影響而阻礙其應用[7]，對于鼠類等小動物模型往往采用微計算機斷層掃描技術(micro computed tomography，micro-CT)，但micro-CT作為分辨率極高的小動物專用CT，設備昂貴，僅僅配置在一些大型的研究院所里，根本無法推廣[8]。因此，隨著高端 CT掃描和重建技術的進步，其對小動物的活體胸部CT掃描序列亟待于開發(fā)推廣應用。

因為大鼠的體型小、心率較快(高達300次/min)且呼吸較急促，這些因素都將影響CT掃描的圖像質(zhì)量[9]。影響大鼠CT掃描圖像質(zhì)量的最重要的因素有兩個，掃描模式及時間分辨率。①CT掃描模式主要分為心電門控掃描模式以及非心電門控掃描模式，心電門控掃描常用于能夠配合且心率小于120次/min的患者或動物，對于不能配合屏氣或心率快的患者，采用心電門控掃描技術并不能解決呼吸心跳帶來的偽影問題，臨床上當患者無法配合或心率大于120次/min時通?？刹捎梅切碾婇T控掃描模式[3]，在Saad 等[10]的研究中，心電門控掃描輻射劑量是非心電門控掃描輻射劑量的2.5倍。主要原因是心電門控技術常采用小螺距掃描，重疊掃描范圍較多，而導致輻射劑量大幅上升。對于大鼠而言，心率太快，且心電圖也不易引出，所以本實驗選取的為非心電門控掃描的兩種模式之間對比。②改善圖像質(zhì)量還可以通過提高時間分辨率的方法來實現(xiàn)，通常采用的方式就是通過加大螺距或者提高轉速[11-15]。本實驗選取的A方式為常規(guī)胸部CT掃描序列，即非心電門控螺旋掃描模式，掃描機架單向連續(xù)旋轉X線管曝光，檢查床同時不停頓單向移動并采集數(shù)據(jù)。球管需要圍繞掃描野螺旋運動以獲取圖像，球管轉速為0.4 r/s，螺距因子為0.592，所需掃描時間為1.7 s；B方式為非心電門控軸掃模式，為心臟模式中非心電門控(no-gated)非螺旋軸掃模式，掃描機架連續(xù)曝光，掃描過程無需移床，探測器覆蓋范圍可達8 cm，整個胸部數(shù)據(jù)的采集僅需要旋轉一圈即可采集完成，無螺距的概念，而球管轉速可高達0.27 r/s，掃描時間僅為0.27 s,也就是說可以在0.27 s的時間內(nèi)就對大鼠的胸部掃描完畢，相較于臨床上常規(guī)應用的胸部CT螺旋掃描序列，該序列明顯縮短了掃描時間(從1.7 s縮短到0.27 s)，大幅減少了移動、錯層偽影及心跳呼吸等偽影的影響。

對兩組的數(shù)據(jù)進行整理后，發(fā)現(xiàn)B組所獲得的圖像質(zhì)量評分明顯高于A組，且具有統(tǒng)計學意義，即軸掃模式所獲得圖像質(zhì)量優(yōu)于普通胸部CT掃描，圖像的呼吸心跳偽影得到了有效的抑制。另外我們又對兩組的客觀性指標進行了評價，以證實B組數(shù)據(jù)測量的準確性，發(fā)現(xiàn)兩種方法得到的CT值、圖像噪聲及肺組織的信噪比相當，也就是說軸掃模式所測得的數(shù)據(jù)與普通胸部CT螺旋掃描比是確實可信的，但意外的發(fā)現(xiàn)肝組織的信噪比B組軸掃組明顯好于A組，回顧性分析發(fā)現(xiàn)，A組圖像肝區(qū)域運動偽影均較大，導致肝區(qū)域的CT值的噪聲加大，最終影響到圖像的SNR值，也就是說B組軸掃圖像在去除了肝周圍膈肌運動帶來的影響后，測得的數(shù)據(jù)更為準確。我們同時又對兩組間的輻射劑量進行了對比，發(fā)現(xiàn)在相同的管電流和管電壓以及相同的掃描長度前提下，B組的輻射劑量遠低于螺旋掃描的A組，說明軸掃模式在獲得優(yōu)異圖像數(shù)據(jù)準確可靠的背景下，比常規(guī)胸部螺旋CT掃描具有更低的輻射劑量，其主要原因是螺旋掃描模式重建圖像常采用內(nèi)插法進行數(shù)據(jù)預處理，它從兩個相鄰的離散值求得中間的函數(shù)值，故該掃描模式存在過掃范圍，即根據(jù)螺旋掃描螺旋狀的掃描軌跡所需，初始與結尾部分的圖像需增加適量的掃描范圍以保證原始數(shù)據(jù)可用于重建。而軸掃模式重建圖像無需數(shù)據(jù)內(nèi)插，故不存在過掃范圍。且過掃范圍與探測器寬度呈正比，探測器越寬，過掃范圍越大。

本實驗也有一些不足之處：本研究的目的是如何提高活體大鼠的胸部CT圖像質(zhì)量，實驗中并未采用低管電壓技術來大幅降低輻射劑量，而是采用傳統(tǒng)的120 kV作為實驗管電壓；本實驗樣本量較少，且未研究在團注對比劑情況下的圖像質(zhì)量。

總之，通過對256層螺旋CT的序列開發(fā)，采用心臟非門控軸掃模式在保證輻射劑量減少和數(shù)據(jù)準確性的前提下，顯著減少了呼吸及心跳帶來的偽影，提高圖像質(zhì)量，可以實現(xiàn)臨床普通CT機型對小動物胸部CT的優(yōu)質(zhì)成像。在動物實驗上具有里程碑意義，值得進一步推廣。