VHS技術(shù)髕骨4D運(yùn)動(dòng)軌跡80 kV低劑量成像中管電流參數(shù)的優(yōu)化探討

楊寶軍，席建平，趙春麗，馬新，張玲惠，王阿嬌

寶雞市中醫(yī)醫(yī)院 a.CT室；b.婦產(chǎn)科，陜西 寶雞 721001

引言

近年來的研究表明髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡在髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)的診斷中有著舉足輕重的作用[1-4]，而CT動(dòng)態(tài)500排容積螺旋（Volume Helical Shuttle，VHS）技術(shù)能通過掃描床的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最大程度的采集到關(guān)節(jié)活動(dòng)的整個(gè)數(shù)據(jù)，為捕捉髕股關(guān)節(jié)4D運(yùn)動(dòng)軌跡提供了有效、便捷的方法[3-5]。但該技術(shù)掃描的時(shí)相多，成像的Z軸范圍過大，明顯增加了檢查的輻射劑量，使患者細(xì)胞和分子水平的致癌及遺傳效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)大增[6-7]。如何既可有效降低輻射劑量，又能保障圖像質(zhì)量是CT研究的熱點(diǎn)及發(fā)展方向。基于目前對(duì)VHS技術(shù)髕骨4D運(yùn)動(dòng)軌跡的低劑量成像研究方案較少，本研究以WHO提出的ALARA（As Low As Reasonal Achievable）為原則[6]，采用80 kV超低管電壓，探討不同管電流下的圖像質(zhì)量，以期獲取最佳的成像參數(shù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

嚴(yán)格依據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)及排除標(biāo)準(zhǔn)，選擇2017年1月至2019年7月臨床擬診髕股關(guān)節(jié)紊亂患者72例，其中男性19例，女性53例；年齡18～53歲，平均年齡（35.08±11.41）歲；發(fā)病周期（5.49±2.36）年。所有患者按動(dòng)態(tài)隨機(jī)法分為A組（自動(dòng)mA組）、B組（100 mA組）、C組（80 mA組）共3組，每組各24例，各組患者的年齡、發(fā)病周期等一般資料經(jīng)檢驗(yàn)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

納入標(biāo)準(zhǔn)：① 年齡≥18歲；② 膝關(guān)節(jié)無骨折、占位及手術(shù)史，無較多的關(guān)節(jié)腔積液；③ 經(jīng)過嚴(yán)格的膝關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練后能掌握動(dòng)作要領(lǐng)、高度配合。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 具有明顯的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形；② 膝關(guān)節(jié)伴有嚴(yán)重的骨性關(guān)節(jié)炎、滑膜炎、關(guān)節(jié)結(jié)核等病變；③ 患者主觀上不能掌握及完成掃描規(guī)定的動(dòng)作，或客觀上因疾病所限不能完整、按時(shí)完成規(guī)定動(dòng)作；④ 患者及家屬對(duì)輻射敏感，過于糾結(jié)不同掃描方案間的輻射劑量差別等。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有患者均知情同意。

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，患者檢查時(shí)取仰臥位，腳先進(jìn)，用鉛衣（毯）遮蔽頸胸腹等非掃描部位，腘窩下墊三角墊，雙膝及雙足并攏后于中立位用束縛帶固定。開始掃描前反復(fù)對(duì)病人進(jìn)行雙膝關(guān)節(jié)屈膝運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練：首先膝關(guān)節(jié)完全伸直，然后以腘窩下的三角支撐墊為活動(dòng)軸，股骨遠(yuǎn)端保持不動(dòng)，雙小腿緩慢、準(zhǔn)勻速屈膝，并保證其一個(gè)屈膝動(dòng)作于20 s內(nèi)完成，盡量做到無明顯的左右側(cè)移及往復(fù)運(yùn)動(dòng)。掃描定位采用0°正位像，120 kV、10 mA，雙膝完全伸直，以髕骨為中心，從髕骨上緣3～5 cm至脛骨粗隆下2 cm；令患者開始緩慢屈膝時(shí)即可啟動(dòng)掃描。掃描參數(shù)：VHS掃描模式，管電壓80 kV，層厚5 mm，穿梭7～10個(gè)時(shí)像，每次穿梭時(shí)間為2 s；A組采用自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)（Automatic Tube Current Modulation，ATCM)，預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)（Noise Index，NI）為20，mA波動(dòng)區(qū)間10～300 mA；B組采用100 mA手動(dòng)固定管電流；C組采用80 mA手動(dòng)固定管電流。掃描后進(jìn)行0.625 mm的層厚減薄，標(biāo)準(zhǔn)算法重建。將所有數(shù)據(jù)傳至AW 4.6工作站，各組圖像均行2D多平面重組（Multiplanar Reconstruction，MPR），3D曲面重建（Curve Planar Reconstruction，CPR）及容積再現(xiàn)（Volume Rendering，VR），于冠狀位、矢狀位及橫軸位連續(xù)動(dòng)態(tài)觀察，并使用4D Body Shuttle軟件重建出膝關(guān)節(jié)屈曲活動(dòng)、顯示并勾畫出髕骨的4D運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.3 圖像的評(píng)價(jià)

1.3.1 客觀評(píng)價(jià)方法

主要對(duì)圖像的噪聲、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）進(jìn)行客觀測量：軟組織窗上對(duì)股骨髁上、髕骨中部、脛骨粗隆水平層面的前區(qū)（股四頭?。┘昂髤^(qū)（半膜?。┮钥截惛信d趣區(qū)（Region of Interest，ROI）的方法進(jìn)行測量。CT值表達(dá)圖像上的組織密度，代表著采集的信號(hào)強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）作為圖像噪聲，體現(xiàn)其不均勻性，兩者的比值作為SNR，記錄平均值。

1.3.2 主觀評(píng)價(jià)方法

由2名長期從事CT診斷工作的副主任醫(yī)師使用相同的窗寬和窗位分別對(duì)軸位圖像及髕骨4D運(yùn)動(dòng)軌跡圖像的軟組織窗及骨窗進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)檢查目的對(duì)圖像主觀評(píng)價(jià)達(dá)成一致性評(píng)分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參考Kalra等[8]和Johnson等[9]的方法并適當(dāng)改良，采用4分評(píng)價(jià)法：4分指圖像解剖結(jié)構(gòu)清晰、邊界銳利，圖像沒有或僅有少許的顆粒感，密度均勻、無偽影，視覺感受良好，圖像質(zhì)量為優(yōu)；3分指圖像有輕度的顆粒感，但圖像密度尚均勻，解剖結(jié)構(gòu)邊界清楚或稍模糊，視覺感受一般，圖像質(zhì)量為良；2分指圖像有中度的顆粒感，能顯示骨性解剖結(jié)構(gòu)，但軟組織邊界模糊，密度不均，通過窗寬窗位的優(yōu)化調(diào)節(jié)在視覺上可以接受，圖像質(zhì)量為合格；1分指圖像顆粒感明顯、較粗大并不均勻，骨性解剖細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示不清、邊界模糊，或偽影明顯，通過窗寬窗位的優(yōu)化調(diào)節(jié)后視覺感受不佳，圖像質(zhì)量為差。

1.4 輻射劑量及A組管電流變化

患者完成檢查后，記錄SR圖像序列中顯示的容積CT劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）等數(shù)據(jù)，以DLP數(shù)值來評(píng)估三組患者的檢查輻射劑量。對(duì)A組實(shí)際輸出的mA值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇股骨髁上、股骨側(cè)髁、股骨髁間、半月板、脛骨側(cè)髁、脛骨粗隆層面為橫坐標(biāo)，各層相應(yīng)的mA輸出值為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，觀察mA變化趨勢。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，三組間的差異采用方差分析，方差齊性檢驗(yàn)后對(duì)符合要求的進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)有意義的變量采用LSD法兩兩比較。以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 A組實(shí)際mA輸出值的變化

A組預(yù)設(shè)mA值范圍是10～300 mA，實(shí)際輸出mA值為（155.36±28.83） mA。由具體數(shù)值變化及趨勢可知半月板層面mA輸出最低，股骨側(cè)髁、髁上mA輸出較高，整體趨勢呈“V”形改變（圖1）。

圖1 A組管電流變化趨勢圖

2.2 輻射劑量比較

在80 kV相同管電壓條件下，A組采用ATCM技術(shù)，DLP為（447.23±30.16）mGy.cm，B組采用100 mA管電流曝光，DLP為（266.12±25.27）mGy.cm，較A組輻射劑量下降了40.51%，C組80 mA管電流，DLP為（178.89±28.33）mGy.cm，輻射劑量最低，分別較A組及B組輻射劑量下降了60.01%及32.78%；經(jīng)單因素方差分析有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

2.3 圖像質(zhì)量比較

A組圖像噪聲12.32±3.56，B、C組圖像噪聲較A組顯著升高，分別為20.95±4.11和24.37±5.76，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，C組圖像噪聲較B組增高約16%，經(jīng)LSD檢驗(yàn)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。三組圖像的信噪比依次降低，經(jīng)檢驗(yàn)A組與B組、C組之間存在明顯差異，B組與C組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。三組圖像骨窗評(píng)分相近，軟組織窗評(píng)分有一定差異，綜合評(píng)判后A組評(píng)分較高（3.02±0.16）分，B組及C組評(píng)分依次降低，分別為（2.86±0.78）、（2.63±0.94）分；三組間經(jīng)檢驗(yàn)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1、圖2）。

圖2 不同mA圖像的骨窗及軟組織窗

3 討論

3.1 VHS技術(shù)4D髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡低劑量成像的必要性

VHS技術(shù)的核心是CT掃描時(shí)掃描床的精準(zhǔn)、持續(xù)地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，配合動(dòng)態(tài)容積穿梭及錐形束的重建，擴(kuò)大了CT成像的Z軸范圍，可有效實(shí)現(xiàn)組織器官的功能成像，臨床主要應(yīng)用于CT灌注成像、關(guān)節(jié)功能成像等方面[10-12]。本課題應(yīng)用該技術(shù)捕捉髕骨4D運(yùn)動(dòng)軌跡，較文獻(xiàn)報(bào)道的其它方法具有一次定位、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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2,5,10]，但該技術(shù)需多時(shí)相連續(xù)掃描，使X線球管曝光時(shí)間延長，掃描范圍增大，顯著增加了患者的輻射劑量（本課題使用常規(guī)掃描參數(shù)預(yù)掃描，DLP平均值可達(dá)（1858±51.43）mGy.cm）。較高的輻射劑量增加了癌癥的罹患率，并且需要行該檢查的髕股關(guān)節(jié)不穩(wěn)患者多系中青年育齡女性，對(duì)輻射更為敏感[13]，因此超低劑量4D髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡成像非常必要。

3.2 VHS技術(shù)4D髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡低劑量成像的可行性

影響輻射劑量的主要因素有管電壓、管電流、曝光時(shí)間、螺距等。管電壓與輻射劑量呈指數(shù)關(guān)系，降低管電壓可顯著降低輻射劑量，但同時(shí)因射線質(zhì)的下降導(dǎo)致圖像噪聲增高，影響了密度及空間分辨率；管電流與輻射劑量呈線性關(guān)系，低管電流對(duì)密度分辨率的影響大于對(duì)空間分辨率的影響[14]。膝關(guān)節(jié)天然對(duì)比良好，而且髕骨4D運(yùn)動(dòng)成像主要評(píng)價(jià)髕骨與股骨滑車之間的咬合關(guān)系及髕骨的運(yùn)動(dòng)曲線，可立體成像，對(duì)關(guān)節(jié)面及周圍軟組織的解剖、病變細(xì)節(jié)的顯示要求較低，對(duì)圖像噪聲的容忍度較高，因此使用低管電壓及低管電流進(jìn)行低劑量成像具有明顯的可行性[15-16]。在本研究中，曝光時(shí)間及螺距等受多時(shí)相成像技術(shù)的要求可調(diào)控范圍較窄，在超低80 kV管電壓下，管電流的調(diào)控則凸顯的重要而不可或缺。

3.3 VHS技術(shù)4D髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡低劑量成像的輻射劑量與成像參數(shù)

本研究三組均選擇了80 kV超低管電壓，分別組合ATCM、100 mA、80 mA三種低管電流技術(shù)，大幅度的降低了患者的輻射劑量，以C組效果最好，分別較A組及B組輻射劑量下降了60.01%及32.78%。A組采用ATCM技術(shù)，mA的輸出曲線呈“V”形改變，掃描時(shí)組織密度大的股骨及脛骨髁層面mA值偏高，組織密度較低的半月板層面mA值減小，體現(xiàn)了其基于個(gè)體組織不對(duì)稱性的特點(diǎn)；因膝關(guān)節(jié)變化差異較小，所以mA值變化幅度不大。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)各掃描層管電流進(jìn)行輸出調(diào)制，減少了傳統(tǒng)手動(dòng)固定管電流不必要的X線曝光，增加了X線的利用率，減少了輻射劑量[17]，一經(jīng)問世迅速廣泛應(yīng)用于全身各部位的低劑量成像中，效果明顯。但在本研究中ATCM技術(shù)降低輻射的效果遜色于B組及C組的傳統(tǒng)手動(dòng)法，呈“效能不足”狀態(tài)，結(jié)合本研究的數(shù)據(jù)及ATCM技術(shù)三個(gè)關(guān)鍵性控制因素，考慮其主要原因有以下幾點(diǎn)：首先是預(yù)設(shè)的NI偏低，對(duì)膝關(guān)節(jié)最佳的NI罕有報(bào)道，參考胸腹部及四肢CTA低劑量成像最佳NI值（12.5～15）[17-18]，本研究再增加30%后確定為20。在標(biāo)準(zhǔn)重建算法時(shí)，NI近似于圖像實(shí)際的噪聲值。A組圖像噪聲（12.32±3.56），低于NI預(yù)設(shè)值20，依從性較好，根據(jù)B組及C組的圖像噪聲，NI的預(yù)設(shè)值有進(jìn)一步提高的空間，據(jù)研究NI值每升高5%，輻射劑量將減少10%[17,19-20]。其次是定位像因素，當(dāng)定位像為0°正位、管電流過低時(shí)，掃描將無法獲得足夠的衰減信息，使輻射劑量增高；腘窩的支撐墊增加了“體厚”，可導(dǎo)致管電流的輸出增高；管電流由定位像信息確定調(diào)制幅度后，患者體位的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)影響最終的調(diào)制效果[21-22]。第三為超低管電壓，為了維持相同的圖像噪聲水平，球管會(huì)自動(dòng)提高管電流輸出來補(bǔ)償[20]。所以在無最佳的ATCM掃描參數(shù)作指導(dǎo)時(shí)，手動(dòng)固定管電流輸出比ATCM技術(shù)在膝關(guān)節(jié)4D成像時(shí)輻射劑量降低的更為直接、有效。

表1 三組輻射劑量和圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)比較（±s）

表1 三組輻射劑量和圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)比較（±s）

A組 (n=24) B組 (n=24) C組 (n=24) F值 P值 P值（LSD-t）A/B A/C B/C圖像噪聲 12.32±3.56 20.95±4.11 24.37±5.76 22.307 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.247圖像信噪比 6.88±0.71 3.56±0.47 3.17±0.54 34.982 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.441圖像評(píng)分/分 3.02±0.16 2.86±0.78 2.63±0.94 8.725 0.083 0.170 0.100 0.216 DLP/mGy.cm 447.23±30.16 266.12±25.27 178.89 ±28.33 135.540 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

3.4 VHS技術(shù)4D髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡低劑量成像的圖像質(zhì)量比較

A、B、C三組圖像噪聲依次升高，SNR依次降低具有一定的差異，兩兩比較時(shí)B組與C組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，考慮可能與樣本量少、未區(qū)分體重及腿圍腿型等因素有關(guān)。圖像噪聲的影響在軟組織窗時(shí)較為明顯，而在骨窗觀察時(shí)視覺差距不大，且本研究主要觀察髕骨與股骨之間咬合關(guān)系的變化，對(duì)圖像噪聲的容忍度高，所以綜合評(píng)分三組間無顯著差異，均能滿足臨床診斷。

3.5 本研究不足之處

過低的管電壓及管電流會(huì)導(dǎo)致射線質(zhì)量下降，反而因散射線過多而造成輻射損傷[11,20]，所以本研究未進(jìn)一步探討80 mA以下管電流對(duì)圖像的影響，亦未對(duì)最佳NI及相應(yīng)的輻射、圖像質(zhì)量變化進(jìn)行探討。

綜上所述，ATCM技術(shù)在80 kV超低管電壓髕骨4D運(yùn)動(dòng)軌跡低劑量成像時(shí)會(huì)因各種因素能效不足，沒有對(duì)輻射劑量起到最大優(yōu)化的作用。而80 mA手動(dòng)管電流簡單、直接，可達(dá)到CT圖像質(zhì)量和低輻射劑量的有效平衡，為推薦的最佳管電流參數(shù)。