低輻射劑量CT掃描技術行肝3D建模打印的可行性

李 冠，黃 偉，劉文源，曹志強，曹東兵，鄒明宇

0 引 言

隨著3D打印技術在醫(yī)療領域中的廣泛應用，肝3D打印為肝占位性病變的診治提供了新的手段。肝3D打印有利于術前制定手術方案、模擬手術操作、指導臨床教學以及加強醫(yī)患溝通，對減輕術前焦慮具有重要作用［1-2］。通過對肝分段3D打印，可明確病灶具體的解剖位置，為手術精準分段切除提供保障；同時可大大縮短手術時間，減少術后并發(fā)癥的發(fā)生［3］。此外，肝3D打印可清楚顯示病灶與肝內(nèi)血管的關系，為介入治療的實施提供依據(jù)［4］。

目前，肝3D打印前常采用CT掃描生成的醫(yī)學數(shù)字成像和通信（Digital Imaging and Communica?tions in Medicine，DICOM）格式作為基礎數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為計算機輔助設計（computer aided design，CAD）模型，從而將傳統(tǒng)的二維空間結構演變?yōu)槿S立體成像結構［5］。研究表明，肝三期增強CT掃描患者所受的輻射劑量位列所有影像學檢查之首［6］。過高的CT輻射劑量可導致性腺、甲狀腺及晶狀體等部位的損傷，甚至可誘發(fā)某些惡性腫瘤的發(fā)生［7-8］。因此，本文旨在探討保證肝3D打印質(zhì)量的同時，降低CT輻射劑量的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料回顧性分析我院自2016年1月-2018年6月間臨床擬行肝3D建模打印的患者40例。其中男28例、女12例，年齡32～79歲，平均（55.53±12.83）歲。低劑量組患者20例，采用管電壓100 kVp，自動管電流調(diào)制技術（峰值600 mA）及自適應統(tǒng)計迭代重建（adaptive statistical iterative re?construction，ASiR）算法；常規(guī)劑量組患者20例，采用管電壓120 kVp，250 mA及濾波反投影重建（filter back projection，F(xiàn)BP）算法。兩組對比劑均采用碘海醇（Iohexol 300 mgI/mL）。所有患者均排除增強CT掃描禁忌證。

1.2 CT掃描儀器及參數(shù)采用美國GE Discovery CT750 HD（GE Health care，Milwaukee，USA）掃描儀，首先進行上腹部定位相掃描，掃描范圍從膈上1.0 cm至肝臟最下緣。采用吸氣后屏氣掃描，檢查前對患者進行屏氣訓練。掃描層厚0.625 mm，機架旋轉(zhuǎn)時間 0.6 s/r，螺距 0.984，準直寬度 64×0.625 mm，F(xiàn)OV 350～450 mm。低劑量組采用管電壓為100 kVp，自動管電流調(diào)制技術（50～600 mA），噪聲指數(shù)（noise index，NI）為12；常規(guī)劑量組采用管電壓120 kVp，管電流250 mA。2組患者均選用雙筒高壓注射器經(jīng)外周靜脈注射對比劑300 mgI/mL，用量為1.0 mL/kg（70～90 mL），注射速率為3.5～5.0 mL/s，注射對比劑后追加等滲鹽水30 mL。在腹主動脈腹腔干層面設定為感興趣區(qū)（region of interest，ROI），采用自動跟蹤智能觸發(fā)技術進行動態(tài)追蹤掃描。當ROI達到150 HU時行動脈期掃描，延遲30、120 s分別行門脈期、延遲期掃描。低劑量組采用ASiR算法，迭代權重選擇60%；常規(guī)劑量組采用FBP算法，完成圖像重建。

1.3 3D打印設備及軟件條件將兩組獲取的CT DICOM數(shù)據(jù)傳至3D打印設備，進行肝3D建模打印。采用美國MakerBot Replicator 2 3D打?。?D打印軟件為Makerware；Dell M6800移動工作站。操作系統(tǒng)為 Windows 764 bit；Mimics 15.0（Materialise公司，Belgium）。

1.4 肝3D建模打印質(zhì)量主觀評分由2名資深3D打印工程師對3D建模打印結果進行盲態(tài)評分。采用4分法進行評價。4分：質(zhì)量好，結構完整，解剖細節(jié)顯示清晰，血管無偽影，模型邊緣光整、銳利，可完全滿足臨床需求；3分：質(zhì)量較好，結構完整，解剖細節(jié)顯示尚可，血管無偽影，模型邊緣欠光整，基本滿足臨床需求；2分：質(zhì)量差，結構部分缺如，解剖細節(jié)顯示欠佳，血管顯示模糊，模型邊緣粗糙，無法滿足臨床需求；1分：質(zhì)量極差，結構大部分缺如，解剖細節(jié)顯示不清，血管未見完整顯示，模型邊緣粗陋，無法滿足臨床需要。認為3分及以上3D模型為符合臨床要求。最終評分值取兩位工程師評分的平均值。

1.5 肝3D建模打印圖像質(zhì)量客觀評價ROI的選?。孩俑蝿用}期，腹主動脈腹腔干層面的ROI；②肝門脈期、延遲期，左、右門靜脈匯合處門靜脈的ROI；③同一層面肝S2、S7、S8段的ROI；④右側(cè)豎脊肌的ROI。ROI選取面積大小為1.0 cm2。測量腹部皮下脂肪CT值的標準差（standard deviation，SD）作為圖像背景噪聲（BN）。對比噪聲比 CNR=（ROI肝臟-ROI肌肉）／SD。其中ROI肝臟為肝實質(zhì)CT值均值；ROI肌肉為右側(cè)豎脊肌CT值均值。

1.6 CT掃描劑量的記錄與測量方法記錄由掃描儀提供的容積CT劑量指數(shù)（CT dose index，CTDI）及劑量長度乘積（dose?length product，DLP）。根據(jù)公式計算有效輻射劑量（effective dose，ED）=DLP×K，其中K為轉(zhuǎn)換因子，采用歐盟委員會CT質(zhì)量標準指南［9］。本研究中K=0.015 mSv/（mGy·cm）。

1.7 統(tǒng)計學分析使用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學分析。患者輻射劑量和3D打印建模圖像客觀評價指標均采用均值±標準差（±s）表示。圖像質(zhì)量主觀評價應用非參數(shù)Mann?Whiteney U檢驗；客觀評價應用兩獨立樣本t檢驗。以P≤0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

2.1 基線資料對比2組患者年齡、身高、體重及體重指數(shù)差異均無統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表1。

表1 行肝3D建模打印患者一般資料比較（±s）Table 1 General data on the two groups of patients（±s）

表1 行肝3D建模打印患者一般資料比較（±s）Table 1 General data on the two groups of patients（±s）

組別低劑量組常規(guī)劑量組t值P值n 20 20年齡(歲)54.42 ± 11.46 57.94 ± 10.18 1.611 0.116身高(cm)172.35 ± 7.11 168.74 ± 6.37 1.691 0.099體重(kg)72.33 ± 7.54 70.61 ± 8.12 0.694 0.492體重指數(shù)(kg/m2)26.35 ± 1.43 25.94 ± 1.72 0.820 0.418

2.2 肝血管及肝實質(zhì)Ⅲ期動態(tài)增強ROI結果對比 2組患者腹主動脈、門靜脈及肝實質(zhì)三期動態(tài)增強ROI測量結果比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表2。

表2 行肝3D建模打印患者腹部血管、肝實質(zhì)Ⅲ期增強掃描ROI對比結果（xˉ±s,HU）Table 2 Comparison of the values of three?phase enhanced CT scanning of the abdominal aorta,portal vein and liver pa?renchyma between the two groups of patients（xˉ±s,HU）

2.3 肝CT DICOM數(shù)據(jù)客觀評價結果2組患者BN、CNR組間比較差異無統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表3。2組患者CTDI、DLP及ED差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；且低劑量組ED值［（2.58 ± 0.79）mSv］較常規(guī)劑量組［（4.02 ± 0.26）mSv］明顯降低，ED下降約35.8%，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表4。

2.4 肝3D建模打印質(zhì)量對比2組間模型質(zhì)量主觀評分均≥3分，可完全滿足臨床診斷需求，模型質(zhì)量主觀評分差異無統(tǒng)計學意義（P=0.687），見表5。

表3 行肝3D建模打印患者的背景噪聲與對比噪聲比結果比較（±s）Table 3 Comparison of background noise and contrast noise ratio between the two groups of patients（±s）

表3 行肝3D建模打印患者的背景噪聲與對比噪聲比結果比較（±s）Table 3 Comparison of background noise and contrast noise ratio between the two groups of patients（±s）

組別低劑量組常規(guī)劑量組t值P值n 20 20背景噪聲動脈期11.45 ± 2.35 12.78 ± 2.19 1.852 0.072門脈期12.64 ± 1.75 13.78 ± 3.77 1.227 0.231延遲期11.35 ± 1.59 12.72 ± 2.93 1.838 0.076對比噪聲比動脈期0.19 ± 0.15 0.17 ± 0.13 0.451 0.655門脈期0.49 ± 0.16 0.46 ± 0.62 0.210 0.836延遲期0.45 ± 0.22 0.34 ± 0.17 1.769 0.086

表4 行肝3D建模打印患者輻射劑量對比（±s）Table 4 Comparison of the radiation doses between the two groups of patients（±s）

表4 行肝3D建模打印患者輻射劑量對比（±s）Table 4 Comparison of the radiation doses between the two groups of patients（±s）

組別低劑量組常規(guī)劑量組t值P值n 20 20 CTDI(mGy)7.07 ± 1.79 8.54 ± 0.31 3.619 0.002 DLP(mGy?cm)187.12 ± 56.81 265.21 ± 0.18 6.147＜0.001 ED(mSv)2.58 ± 0.79 4.02 ± 0.26 7.743＜0.001

表5 行肝3D建模打印患者肝3D建模打印質(zhì)量主觀評分（n）Table 5 Comparison of the scores in the assessment of the 3D modeling printing between the two groups of patients（n）

3 討 論

3D打印技術可用于打印三維物體，將人體的實質(zhì)器官、血管、周圍組織結構及病變較真實地表達出來，所提供的信息比傳統(tǒng)醫(yī)學影像資料更加直觀，解剖信息更加真實。3D建模打印是3D實物打印前的最后環(huán)節(jié)，3D建模打印結果直接反映了肝3D實物打印質(zhì)量［10］。因此，本研究著眼于3D建模打印，既避免了3D實物打印材料的浪費，又保證了多次重復實驗的可行性。

目前，減少CT輻射劑量的方法主要有降低管電壓、降低管電流、減少曝光時間及應用迭代算法等［11-13］。由于輻射劑量與管電壓2.5倍的平方呈正比，降低管電壓可較大幅度的降低患者所接受的CT輻射劑量［13］。自動管電流調(diào)制技術（automated tube current modulation，ATCM）是根據(jù)檢查者不同部位的組織厚度以及預先設置的圖像噪聲水平來自動調(diào)節(jié)管電流的大小，從而減少患者所受的輻射劑量［14］。該技術可根據(jù)計算機系統(tǒng)參照CT定位相所檢測到的受檢部位及器官的厚度與密度，并結合預先設定的圖像噪聲指數(shù)估算出掃描各層面所需要的管電流值，智能調(diào)節(jié)管電流，進而獲得較低且適宜的毫安值進行掃描［15］。這與當下流行的人工智能技術似有相似之處，可減少操作者重復摸索最佳掃描條件的步驟，并大大縮短了檢查時間，是未來影像技術發(fā)展的一個趨勢。

由于降低管電壓后，圖像的CT值、背景噪聲及CNR均會發(fā)生相應的變化；而本研究結果卻顯示低劑量組與常規(guī)劑量組患者ROI、BN及CNR值差異均無統(tǒng)計學意義。推測原因在于ASiR算法的應用。由于在完成CT DICOM數(shù)據(jù)重建時，加入了適當權重的迭代算法（本研究選用了60%ASiR），可有效彌補降低管電壓后ROI、BN及CNR值的變化。相關研究表明，ASiR算法在降低圖像噪聲而不損壞圖像質(zhì)量的同時可有效降低CT輻射劑量25%～50%［16］。本研究選用60%ASiR進行圖像重建，發(fā)現(xiàn)低劑量組較常規(guī)劑量組輻射劑量下降約35.8%，而最終兩組3D建模打印圖像質(zhì)量主觀評分無顯著差異，完全可滿足臨床診治的需求。

本研究尚存在一些不足之處：①由于3D打印價格不菲，打印時間較長，因此樣本量相對較少；②尚未考慮低濃度對比劑的應用及對比劑用藥個體化的問題；③尚缺少不同迭代權重下，行肝3D建模打印質(zhì)量的對比，從而得出最適迭代權重下肝3D建模打印的結果；④本研究采用的是目前最常用、最成熟的ASiR算法，尚缺乏GE Healthcare公司推出的最新第 3代迭代算法Weo 3.0的應用研究，Weo 3.0可否進一步降低3D打印的輻射劑量。這些問題將在今后的研究中進一步討論。

綜上所述，使用低輻射劑量CT掃描方案（100 kVp，ATCM及60%ASiR）行肝3D建模打印可較大幅度降低患者所受CT輻射劑量，且不影響最終肝3D建模打印的質(zhì)量。