一種用于驗(yàn)證胸腔LDCT-PCNB掃描參數(shù)模型的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙子健，李若梅，吳瑞祥，葉亮，沈雪芹，陸璐，魏夏紅

1. 安徽醫(yī)科大學(xué)附屬合肥醫(yī)院 影像科，安徽 合肥 230011；2. 中國(guó)科技大學(xué) 合肥離子醫(yī)學(xué)中心 綜合部，安徽 合肥 230011

引言

胸腔低劑量CT引導(dǎo)下經(jīng)皮穿刺活檢（Low-Dose CTGuided Percutaneous Core Needle Biopsy，LDCT-PCNB）是目前肺部占位活檢的首選檢查項(xiàng)目，而近年來(lái)LDCT技術(shù)和迭代算法的普及，使得低劑量活檢穿刺研究進(jìn)展迅速[1]。在已有的文獻(xiàn)資料中可知，LDCT-PCNB在優(yōu)化參數(shù)及掃描方法后，可極大程度降低輻射劑量[1-2]。研究顯示，在極低劑量參數(shù)下，胸腔LDCT-PCNB仍然可以保證圖像質(zhì)量，不影響穿刺成功率[3]。但是以上種種研究均基于不同廠家、不同CT平臺(tái)、不同重建算法，而且掃描優(yōu)化的參數(shù)及重建方式差異極大，相互之間并不通用[4]。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)LDCT胸腔穿刺參數(shù)驗(yàn)證體模

1.1.1 國(guó)內(nèi)LDCT穿刺體模現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)在CT體模實(shí)驗(yàn)方面研究相對(duì)較少，大多體模實(shí)驗(yàn)均為研究普通掃描或增強(qiáng)掃描[5]。體模實(shí)驗(yàn)在CT檢查參數(shù)設(shè)置時(shí)有重大參考意義，一個(gè)CT的序列是否恰當(dāng)、參數(shù)是否合適，首選各種體模實(shí)驗(yàn)獲得先期參數(shù)，然后才能進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)[6]。這樣可以通過(guò)倫理檢查，保護(hù)患者不受過(guò)量X線照射。目前，各CT廠家使用的體模均為含水體模，由于穿刺探針的材質(zhì)是醫(yī)用不銹鋼或者醫(yī)用鈦合金，其密度遠(yuǎn)高于胸部其他組織[7]。實(shí)心的含水體模無(wú)法模擬穿刺活檢狀態(tài)，而且國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的LDCT-PCNB相關(guān)的體模產(chǎn)品與文獻(xiàn)資料。

1.1.2 設(shè)計(jì)胸部LDCT-PCNB體模思路

CT成像的原理是通過(guò)X線的線性衰減，由陣列處理器計(jì)算重建出圖像。經(jīng)多個(gè)文獻(xiàn)證實(shí)，LDCT-PCNB的輻射劑量有較大的降低空間，由于胸腔內(nèi)肺組織是含氣的高對(duì)比度器官，在平掃確定病灶后，低劑量掃描依然可以發(fā)現(xiàn)病灶，特別針對(duì)磨玻璃結(jié)節(jié)顯示更佳，并能測(cè)量其病灶大小及幾何關(guān)系[8]。之后計(jì)算得出穿刺的角度及距離，插入探針，獲取病灶組織。但由于金屬探針密度過(guò)高，在CT掃描中會(huì)產(chǎn)生放射狀偽影，這種放射偽影與小病灶重疊時(shí)會(huì)遮蓋小病灶。所以設(shè)計(jì)體模時(shí)有以下要求：① 充分模擬胸部空腔結(jié)構(gòu)，合理顯示穿刺針與病灶的幾何關(guān)系；② 充分考慮X線在模型內(nèi)的衰減過(guò)程，在各種劑量條件下仍可模擬穿刺狀態(tài)；③ 可模擬病灶的不同性質(zhì)、不同大小、不同位置，并適用于大部分CT機(jī)，且可反復(fù)使用。試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 LDCT-PCNB體模測(cè)試的流程圖

1.1.3 通過(guò)SKUP設(shè)計(jì)空腔LDCT-PCNB體模

根據(jù)1.1.2總結(jié)的要求，使用SKUP（SketchUp）設(shè)計(jì)穿刺體模。相對(duì)于Soildwork等傳統(tǒng)建模軟件，SketchUp的操作更加輕量化，而且建模簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是沒(méi)有平面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪制功能[9]。打開(kāi)SketchUp，在x-z軸設(shè)定體模大小，y軸拉伸長(zhǎng)度，使用形狀和圓角等工具不斷修正體模，并根據(jù)胸腔形狀設(shè)定靶物質(zhì)插槽、穿刺針插槽與標(biāo)尺。具體流程如圖2所示，其主要作用是模擬胸腔大體形狀，并可以放置不同大小、性質(zhì)的實(shí)性靶物質(zhì)，穿刺插槽允許探針從不同角度、不同深度穿刺，并可以觀察兩者的幾何位置關(guān)系。

圖2 使用SKUP設(shè)計(jì)LDCT-PCNB體模全過(guò)程

1.2 通過(guò)熔融沉積制造技術(shù)3D打印制作實(shí)體模型

1.2.1 使用CURA對(duì)模型進(jìn)行切片處理

將SketchUp制作得體模數(shù)據(jù)保存，并導(dǎo)出為立體光刻語(yǔ)言（STereolithography Language，STL）格式文件，STL是3D打印的通用格式，不同廠家的切片軟件會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為專用格式[10]。這里使用的是Allcct-334 3D打印機(jī)，匹配CURA 3.0切片軟件?？紤]到該體模需要一定的精度保證測(cè)試準(zhǔn)確性，在切片時(shí)參數(shù)選擇為層厚0.1 mm，這增加了打印時(shí)間，為此將參數(shù)填充密度改為30%，可以在保證體模結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下減少大量打印時(shí)間，節(jié)約打印材料。最后使用Netfabb軟件檢驗(yàn)?zāi)Ｐ屯暾?，?dǎo)出為GCODE格式，文件的關(guān)鍵代碼如圖3所示。

圖3 導(dǎo)出為T(mén)XT格式的LDCT-PCNB體模關(guān)鍵3D打印代碼

1.2.2 通過(guò)Allcct334打印機(jī)制作體模實(shí)體

將導(dǎo)出的GCODE格式文件導(dǎo)入Allcct334打印機(jī)中，打印參數(shù)為：打印速度60 mm/s，移動(dòng)速度120 mm/s，填充速度100 mm/s，噴頭溫度200℃，熱床溫度40℃，支撐類型為全部，平臺(tái)附著類型為底層邊線，回退速度30 mm/s，回退長(zhǎng)度 3 mm，打印材料聚乳酸（Polylactic Acid，PLA），PLA材料是一種環(huán)保材料，由玉米顆粒制作而成，無(wú)毒可降解，成型后具有一定工程強(qiáng)度，不溶于水，并可反復(fù)使用，缺點(diǎn)是熔點(diǎn)低無(wú)法高溫消毒[11]，打印過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于熔融沉積制造技術(shù)打印LDCT-PCNB體模全過(guò)程

2 應(yīng)用效果

2.1 將體模帶入CT，不同參數(shù)下掃描，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 質(zhì)量劑量比

在實(shí)驗(yàn)之前，首先闡述一個(gè)劑量對(duì)比概念，目前的醫(yī)學(xué)影像CT圖像質(zhì)量與輻射劑量的對(duì)比通常使用信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）、容積 CT劑量指數(shù)（Volume CT Dosimetry Index，CTDIvol）、劑量長(zhǎng)度乘積（Dose-Length Product，DLP）、有效劑量（Dose-Length Product，ED）等一系列參數(shù)比較，非常繁瑣[12]。CT的輻射劑量與圖像質(zhì)量不僅對(duì)立，更是統(tǒng)一的存在。這里引入“質(zhì)量劑量比”（Image quality / Radiation dose）這一概念，是一種可以同時(shí)反映圖像質(zhì)量與輻射劑量關(guān)系的非剛量數(shù)值，資料顯示，質(zhì)量劑量比為CNR與CTDIvol比值的絕對(duì)值，這個(gè)數(shù)值與CNR成正比，與輻射劑量成反比[13]，其公式如式(1)所示。

式中 ，CTDIvol為容積CT劑量指數(shù)[14]，SI為取樣CT值（HU），SD為取樣的標(biāo)準(zhǔn)差 。

在后續(xù)的體模帶入實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)I/R，可以較為方便直觀地計(jì)算出不同參數(shù)條件下的輻射劑量和圖像質(zhì)量的關(guān)系，并找出最佳的質(zhì)量劑量比。這樣可以快速比較多種LDCTPCNB掃描參數(shù)之間的差異，并對(duì)臨床實(shí)際操作中的參數(shù)設(shè)定有一定指導(dǎo)作用。

2.1.2 體模實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)參數(shù)

使用GE（美國(guó)通用）Light speed 64 VCT，放入體模模型，設(shè)置進(jìn)針角度與距離，設(shè)置病灶大小。分別使用文獻(xiàn)里引用較多的兩種不同的低劑量參數(shù)：參數(shù)A管電壓為110 kV，自動(dòng)毫安控制最大55 mA[15]；參數(shù)B管電壓為100 kV，自動(dòng)毫安控制最大20 mA[16]。其余參數(shù)相同：噪聲指數(shù)12，ASiR設(shè)定：60%，螺距為0.984:1，層厚層距同為2.5 mm，視野為250 mm，靶組織選取30 mm ROI為SIα，邊框選取30 mm ROI為SIβ。分別測(cè)量三次，獲得不同SNR、CNR、ED[17-18]。計(jì)算不同組別質(zhì)量劑量比，選取最佳配套參數(shù)。并對(duì)兩者的I/R進(jìn)行t檢驗(yàn)（SPSS 17.0），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種LDCT-PCNB掃描參數(shù)的具體數(shù)值比較

通過(guò)數(shù)據(jù)可知，參數(shù)A與參數(shù)B均可以在一定程度上降低輻射劑量，但是參數(shù)A的圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)要低于參數(shù)B。而且，通過(guò)I/R值計(jì)算，參數(shù)A的質(zhì)量劑量比也遠(yuǎn)低于參數(shù)B。所以在胸腔LDCT-PCNB的體模實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)B可以用更低的劑量獲得更高的SNR和CNR，I/R遠(yuǎn)高于參數(shù)A。

2.2 LDCT-PCNB試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過(guò)2.1.2的體模實(shí)驗(yàn)，得知參數(shù)B不僅質(zhì)量劑量比較優(yōu)，且體模實(shí)驗(yàn)圖像符合穿刺要求，可以代入實(shí)際操作，進(jìn)行臨床穿刺。患者女，80歲，腦梗塞6個(gè)月，身體不適3日入院，CT檢查可見(jiàn)胸腔右肺上葉占位，高度懷疑腫瘤。遂進(jìn)行CT-PCNB，經(jīng)過(guò)2次平掃定位后，代入?yún)?shù)B行LDCT-PCNB，再經(jīng)過(guò)2次定位，穿刺成功，獲得組織。病理檢測(cè)為免疫組化標(biāo)記（XIHC19181）：TTF-1（+）、CK7（+）、Napsin-A（+）、P40（-）、P63（-）、Ki-67（+，約 20%），確診為腺癌。普通掃描和參數(shù)A掃描的單次各項(xiàng)結(jié)果及I/R的t檢驗(yàn)如表2所示。

表2 CT-PCNB與LDCT-PCNB單次掃描實(shí)際結(jié)果具體數(shù)值比較

由結(jié)果可知，使用參數(shù)B的ED值比普通掃描降低了約25倍，I/R則遠(yuǎn)高于普通掃描，其可在大幅降低輻射劑量的同時(shí)保證圖像質(zhì)量。LDCT-PCNB體模在這一整套流程之中，起到檢驗(yàn)、對(duì)比的作用。畢竟不同CT條件不一，貿(mào)然帶入其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)必然存在效果和倫理的問(wèn)題[19-21]。使用LDCT穿刺體模，不僅可以在臨床實(shí)踐前檢驗(yàn)這些參數(shù)，并可以在不同參數(shù)中對(duì)比計(jì)算出最優(yōu)解。

3 討論

CT引導(dǎo)下穿刺是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，由于CT分辨率高、定位精確、價(jià)格便宜，研究顯示CT引導(dǎo)下穿刺特別是胸部穿刺是活體穿刺檢測(cè)的首選[22]。而且受到穿刺病灶位置、大小、方向、患者配合程度、醫(yī)師自身穿刺技術(shù)限制，在穿刺過(guò)程中或多或少會(huì)重復(fù)掃描以校正探針?lè)较?導(dǎo)致重復(fù)掃描，以上種種最終導(dǎo)致患者吸收CT輻射劑量過(guò)大[23]。在本研究中，先通過(guò)體模實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的低劑量掃描參數(shù)進(jìn)行比對(duì)篩選，再將篩選出的參數(shù)帶入實(shí)際掃描中，其結(jié)果顯示，驗(yàn)證過(guò)的參數(shù)掃描，不僅大幅度降低輻射劑量，而且圖像擁有高質(zhì)量劑量比。通過(guò)體模實(shí)驗(yàn)，最大程度避免了傳統(tǒng)低劑量穿刺應(yīng)用中，反復(fù)嘗試重復(fù)掃描，減少患者輻射，提高輻射使用效率，減少倫理問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外已有多篇研究CT低劑量掃描的文獻(xiàn)，從CT機(jī)的自身性能、kV、mA以及迭代算法等力圖降低輻射劑量[21]。但是以上種種低劑量研究均是從普通胸部低劑量掃描直接移植參數(shù)，或者先有結(jié)果后有過(guò)程，罕有做過(guò)穿刺體模實(shí)驗(yàn)。在參考這些根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者窮舉的低劑量掃描參數(shù)時(shí)，考慮到不同醫(yī)院機(jī)型條件各不相同，如何選擇適合自己的參數(shù)、該參數(shù)是否在本CT上適用、直接引入該參數(shù)進(jìn)行人體穿刺又是否符合倫理，有待斟酌。而使用體模實(shí)驗(yàn)可以無(wú)限次重復(fù)比較各種參數(shù)，在沒(méi)有倫理限制的條件下，計(jì)算出適合本院CT機(jī)型的最佳低劑量參數(shù)。

4 總結(jié)

精準(zhǔn)醫(yī)療，影像先行，對(duì)更低輻射劑量的追求一直是醫(yī)學(xué)影像界的共識(shí)。在現(xiàn)有的大量低劑量CT引導(dǎo)胸腔穿刺研究中，不同機(jī)型、不同條件導(dǎo)致各個(gè)研究差異較大，后續(xù)學(xué)者在參考驗(yàn)證這些數(shù)值時(shí)，也受到機(jī)型、效果和倫理的限制。本研究提供一種可驗(yàn)證以上不同參數(shù)的模型，在沒(méi)有倫理限制的情況下，通過(guò)體模實(shí)驗(yàn)和I/R計(jì)算出適用于本單位機(jī)型的最佳參數(shù)，有效地提高研究的便捷性和準(zhǔn)確性。但不足的是，該模型材料為30%PLA，其密度有限，仍需改進(jìn)其對(duì)射線的衰減程度?？偠灾?，在初步顯示了LDCT-PCNB體模的使用價(jià)值后，有必要擴(kuò)充研究數(shù)量，提供更多的數(shù)據(jù)證明該體模的可實(shí)用性。