低劑量容積螺旋穿梭技術(shù)4D運動軌跡成像在髕股關(guān)節(jié)紊亂檢查中的優(yōu)勢

楊寶軍，席建平，趙春麗，王謙，張博陽，馬晨

作者單位：寶雞市中醫(yī)醫(yī)院，aCT室，b婦產(chǎn)科，陜西 寶雞721001

髕股關(guān)節(jié)具有獨特的解剖構(gòu)型及復(fù)雜的生物力學屬性［1］，多種因素可使髕骨偏離正常的運動軌跡而導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)紊亂，為膝關(guān)節(jié)疼痛的主要原因之一［2］，其發(fā)病率高達15%～45%［3］。以往對于髕股關(guān)節(jié)疾病的研究主要在于評價髕股關(guān)節(jié)的咬合關(guān)系，而目前絕大多數(shù)學者認為能反應(yīng)髕股關(guān)節(jié)運動規(guī)律及力學變化的髕骨運動軌跡應(yīng)作為診斷該病的關(guān)鍵性指標［3-4］。容積螺旋穿梭技術(shù)（volume helical shuttle，VHS），即動態(tài)500排技術(shù)，能顯著提高CT的時間分辨率，動態(tài)顯示關(guān)節(jié)的運動，有利于捕捉髕骨的運動軌跡［5-6］。本研究將該掃描技術(shù)應(yīng)用于髕股關(guān)節(jié)紊亂病人的CT掃描中，探討其在髕股關(guān)節(jié)CT檢查中的優(yōu)勢。

1 資料與方法

1.1一般資料選擇2017年1月至2019年3月經(jīng)寶雞市中醫(yī)醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科臨床綜合檢查后確診的48例髕股關(guān)節(jié)紊亂病人，采用隨機數(shù)字表法將其分為常規(guī)組及VHS組，每組各24例。納入標準：（1）年齡≥18歲；（2）膝關(guān)節(jié)無骨折及手術(shù)史；（3）VHS組病人膝關(guān)節(jié)運動不受限，能完全掌握并完成VHS掃描動作。排除標準：（1）伴有嚴重的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形、骨性關(guān)節(jié)炎，膝關(guān)節(jié)感染等病變；（2）病人及近親屬對不同掃描方案輻射劑量較為敏感。兩組病人間的一般資料比較見表1，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），具有可比性。本研究符合《世界醫(yī)學協(xié)會赫爾辛基宣言》相關(guān)要求，所有病人均知情同意。

表1 常規(guī)組及容積螺旋穿梭（VHS）組髕股關(guān)節(jié)紊亂48例一般資料對比

1.2檢查儀器與方法使用GE公司Healthcare Optima CT660 64排128層螺旋CT掃描儀，以髕骨為中心，掃描范圍從髕骨上緣3～5 cm至脛骨粗隆下2 cm。VHS組病人使用VHS掃描模式，病人取仰臥位，腳先進，雙膝并攏，雙足中立位并用束縛帶固定，腘窩下墊三角墊；掃描前反復(fù)對病人進行雙膝關(guān)節(jié)緩慢屈膝運動訓(xùn)練，保證其動作于20秒內(nèi)盡量達到緩慢、準勻速，無明顯的側(cè)移及往復(fù)運動；雙膝關(guān)節(jié)于完全伸直位掃描定位，啟動掃描后囑病人緩慢勻速屈膝；掃描條件：管電壓80 kV，管電流為自動管電流或60～80 mAs固定管電流，層厚5 mm，穿梭7～10個時像，每次穿梭時間為2 s，螺距0.984∶1，球管旋轉(zhuǎn)1周0.6 s，掃描后對所有時像圖像進行80%～90%權(quán)重自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建（ASiR），重建的層厚和間距為0.625 mm。常規(guī)組病人取仰臥位，腳先進，雙膝并攏，膝下墊支撐墊使關(guān)節(jié)固定屈曲約20°～30°后行常規(guī)螺旋掃描，掃描條件：管電壓120 kV，管電流為250～300 mAs，層厚5 mm，掃描后進行0.625 mm減薄并三維重建。

1.3圖像的處理及評價指標

1.3.1客觀評價 將掃描及處理后的圖像傳至AW4.6工作站，兩組圖像均行2D多平面重組（MPR），3D容積再現(xiàn)（VR）重建，常規(guī)組測量反映髕股咬合關(guān)系的指標：外側(cè)髕股角（LPFA）、髕股適合角（CA）、髕骨傾斜角（PTA）［7］；VHS組分別測量各個時像圖像的LPFA、CA、PTA，并使用4D Body Shuttle軟件重建膝關(guān)節(jié)屈曲活動，顯示髕骨的4D運動軌跡。將LPFA開口朝內(nèi)、CA＞16°、PTA＞10°作為判定髕股關(guān)節(jié)失穩(wěn)之常規(guī)指標異常的標準［8］，將髕骨在屈膝活動中明顯的外移、傾斜視為軌跡異常的指標［9-10］。統(tǒng)計所有指標異常關(guān)節(jié)，比較兩種方法對髕股關(guān)節(jié)紊亂的檢出率。

1.3.2主觀評價 由2名長期從事CT診斷工作的副主任醫(yī)師對髕骨運動軌跡以及圖像質(zhì)量分別進行評分。運動軌跡從其完整性、連續(xù)性及光滑性上予以評判：5分——軌跡完整（0～60°），連續(xù)無頓挫、無側(cè)方擺動及往復(fù)運動或為輕微的頓挫及側(cè)方擺動；3分——軌跡能滿足臨床基本需求（0～30°），頓挫、側(cè)方擺動或往復(fù)運動較為明顯，但不影響髕骨運動軌跡的判定及常規(guī)指標的測量；0分——軌跡不完整（＜30°），頓挫、側(cè)方擺動或往復(fù)運動過多、過大，不能有效判定髕骨運動軌跡及對常規(guī)指標的準確測量。3分以上即為合格軌跡。圖像質(zhì)量評判標準為：5分——結(jié)構(gòu)清晰，邊緣銳利，噪聲及運動偽影小，軟組織清晰可辨；3分——圖像結(jié)構(gòu)基本清晰，噪聲及偽影較大，軟組織邊界模糊，骨性結(jié)構(gòu)清晰可辨；0分——圖像細微結(jié)構(gòu)顯示不清晰，骨性結(jié)構(gòu)邊界模糊，噪聲及偽影過大。3分以上即為圖像質(zhì)量滿意。當評判意見不一致時，兩人討論取得一致。

1.4輻射劑量兩組病人完成檢查后，CT自動提供容積劑量指數(shù)（CTDIvol）、劑量長度乘積（DLP）的數(shù)據(jù)?；贒LP估算CT輻射劑量的方法快捷方便，無須大量計算，所以本研究以DLP數(shù)值來評估兩組輻射劑量。

1.5統(tǒng)計學方法所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行分析。計量資料用x±s表示，采用兩獨立樣本t檢驗；計數(shù)資料采用χ2檢驗或Fisher確切概率法。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

兩組病人從病膝檢出情況、圖像質(zhì)量、輻射劑量方面進行了對比分析（表2）。

VHS組24例病人48只膝關(guān)節(jié)均成功建立了髕股關(guān)節(jié)4D運動軌跡，獲得了髕骨運動軌跡及不同屈膝角度的常規(guī)測量指標數(shù)值，VHS組的檢出率明顯高于常規(guī)組（P＝0.001），VHS技術(shù)可檢出常規(guī)膝關(guān)節(jié)掃描時不能發(fā)現(xiàn)的髕股關(guān)節(jié)紊亂（圖1A，1B）。

VHS組24例采用低劑量掃描，經(jīng)統(tǒng)計學分析兩組病人輻射量差異有統(tǒng)計學意義（t＝3.667，P＝0.001），VHS組輻射劑量較常規(guī)組減少了37.6%，但兩組圖像質(zhì)量總滿意率經(jīng)檢驗差異無統(tǒng)計學意義（P＝0.500）（圖1C～1F）。

VHS組軌跡評分5分17只膝關(guān)節(jié)（35.4%），3分29只膝關(guān)節(jié)（60.4%），總合格率為95.8%，0分即不合格膝關(guān)節(jié)2只（4.2%）。不合格原因1只為軌跡不完整，1只為關(guān)節(jié)側(cè)方擺動過大（圖1G，1H）。

3 討論

髕股關(guān)節(jié)紊亂是髕骨由于各種原因相對于股骨的運動偏離了正常的路線，繼而引起下肢應(yīng)力分布發(fā)生了改變，使膝關(guān)節(jié)的軟組織結(jié)構(gòu)、軟骨等產(chǎn)生應(yīng)激性反應(yīng)，最終導(dǎo)致軟骨炎、骨性關(guān)節(jié)炎等后果［11-12］。傳統(tǒng)使用X線、CT及MRI測量其LPFA、CA、PTA等指標進行評價，但這些指標僅僅反映了某一點靜止狀態(tài)下的髕股關(guān)節(jié)咬合關(guān)系，不能體現(xiàn)膝關(guān)節(jié)運動中髕股關(guān)節(jié)的變化情況［13］，因此對髕骨運動軌跡的研究愈顯重要。而VHS技術(shù)是由GE公司開發(fā)，它通過實時精控掃描床，使其在數(shù)據(jù)采集期間持續(xù)、精準地往復(fù)運動，借助動態(tài)螺距容積穿梭及錐形束重建，在提高了時間分辨率的同時，其成像Z軸范圍增大至312.5 mm，可有效實現(xiàn)組織器官的功能成像。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于CT的灌注成像、動態(tài)血管成像、血流動力學成像等方面［14］。將該技術(shù)應(yīng)用于捕捉髕股關(guān)節(jié)的運動軌跡，可在滿足3D成像的基礎(chǔ)上，最大程度的采集到關(guān)節(jié)活動的整個信息，實現(xiàn)直觀的4D動態(tài)成像。

從本研究結(jié)果來看，VHS技術(shù)對病膝的檢出率達到100.0%，明顯高于常規(guī)方法的檢出率（78.1%）。其主要原因是：首先VHS組可獲得多組不同屈膝角度下的圖像，信息量大而全，而常規(guī)組只有一組圖像，信息量少；膝關(guān)節(jié)在屈伸何種角度下測量的指標具有診斷的特異性本就在臨床實踐中存在一定的爭議［15］，何況常規(guī)組僅反映了關(guān)節(jié)在某一屈膝角度下的咬合關(guān)系，所以VHS組不僅有利于檢出髕骨穩(wěn)定性最差時（屈膝0～20°內(nèi)）任一角度發(fā)生的關(guān)節(jié)不穩(wěn)，也有利于檢出少部分髕骨在屈曲20～30°后發(fā)生的不穩(wěn)及一過性關(guān)節(jié)不穩(wěn)［16］，檢出范圍廣；其次VHS組可重建出髕股關(guān)節(jié)的運動軌跡，在人體運動中發(fā)現(xiàn)隱匿的髕股關(guān)節(jié)紊亂及運動功能的改變。

VHS技術(shù)能100%的建立了髕股關(guān)節(jié)的運動軌跡，但膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其運動除過屈伸運動外，還有內(nèi)外側(cè)的側(cè)方位移、旋轉(zhuǎn)等［17］。本研究通過使用束縛帶固定腳踝及膝關(guān)節(jié)上方，盡量減少脛股關(guān)節(jié)運動所致的側(cè)方運動，保證髕股關(guān)節(jié)運動軌跡的光滑性；掃描前對病人嚴格的訓(xùn)練，保證其運動準勻速、緩慢，盡量減少頓挫及關(guān)節(jié)的往復(fù)運動，保證髕股關(guān)節(jié)運動軌跡的連續(xù)性。VHS組軌跡不合格率為4.2%，主要原因是膝關(guān)節(jié)側(cè)方擺動多大、或在規(guī)定時間內(nèi)運動過于緩慢而屈膝不到位、或出現(xiàn)多次的重復(fù)運動，這些均屬于因病人主觀不能完全配合或是膝關(guān)節(jié)疾患影響了規(guī)定動作的完成所致，也是導(dǎo)致5分軌跡少（35.4%），3分軌跡較多（60.4%）的主要原因。

VHS技術(shù)需要多個時像的穿梭掃描，易增加輻射劑量。本研究VHS組使用低管電壓（80 kV）、低管電流（自動管電流或60～80 mA），輻射劑量DLP僅為（175.69±15.61）mGy·cm，低于常規(guī)組掃描劑量的37.6%。輻射劑量的降低，明顯增加了圖像的噪聲，影響圖像質(zhì)量，但ASiR技術(shù)通過多次迭代，對噪聲加以校正及抑制，使得到的圖像較為清晰，本研究兩組圖像滿意率差異無統(tǒng)計學意義，體現(xiàn)了合理有效的最低劑量原則（ALARA）［18-19］。

表2 常規(guī)組及容積螺旋穿梭（VHS）組髕股關(guān)節(jié)紊亂檢出率、圖像質(zhì)量及輻射劑量對比

以往學者對髕股關(guān)節(jié)進行多次及多角度的靜態(tài)掃描，然后勾畫髕骨中心的相對應(yīng)位置來獲得髕骨的運動軌跡，其掃描過程繁瑣，圖像后處理及軌跡的勾畫復(fù)雜，直視性及可重復(fù)性差［20］。VHS技術(shù)改善了其研究的方法，具有一次定位、一次掃描，圖像后處理簡單，軌跡觀察比較直觀，可重復(fù)性強等特點，且其采集的數(shù)據(jù)較為全面，配合低劑量掃描方案，可有效檢出髕股關(guān)節(jié)紊亂，較常規(guī)檢查具有明顯的優(yōu)勢，值得推廣應(yīng)用。

（本文圖1見插圖6-4）

圖1 髕股關(guān)節(jié)紊亂病人膝關(guān)節(jié)CT掃描圖像：A，B為容積螺旋穿梭（VHS）同一病人不同時像屈膝圖，A為屈膝15°時髕骨軌跡異常，輕度外側(cè)移位，B為屈膝30°時髕股關(guān)節(jié)關(guān)系如常；C，D為常規(guī)組一病人常規(guī)劑量掃描后骨窗及軟組織窗；E，F(xiàn)為VHS組一病人低劑量掃描后經(jīng)80%自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建（ASiR）后的骨窗及軟組織窗，兩組圖像骨窗顯示清晰，軟組織窗VHS組噪聲稍大，兩組圖像總體評分相仿；G，H為VHS組不合格軌跡明顯的側(cè)方擺動偽影