低劑量CT掃描結(jié)合人工智能輔助髖關(guān)節(jié)置換術(shù)三維規(guī)劃的可行性分析

裴錦奎 汪禾青 謝安杰 黃晉旺 張進(jìn)慧 復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院廈門醫(yī)院放射診斷科 （福建 廈門 361015）

內(nèi)容提要：目的：探討不同噪聲指數(shù)（Noise Index，NI）行雙下肢全長CT檢查，對人工智能輔助全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip arthroplasty，THA）三維規(guī)劃關(guān)節(jié)的假體型號(hào)匹配度及輻射劑量的影響。方法：納入50例擬行全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)患者，隨機(jī)分為兩組，每組各25例。觀察組NI=16和對照組NI=8，其余掃描參數(shù)一致。比較兩組規(guī)劃關(guān)節(jié)型號(hào)與實(shí)際運(yùn)用符合率及輻射劑量結(jié)果差異。結(jié)果：與對照組相比，觀察組CT容積劑量指數(shù)降低了67%、劑量長度乘積和有效劑量降低了75%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。兩組規(guī)劃關(guān)節(jié)假體型號(hào)與實(shí)際運(yùn)用一致性，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。結(jié)論：在人工智能輔助髖關(guān)節(jié)置換術(shù)三維規(guī)劃中，低劑量CT掃描可在保證規(guī)劃關(guān)節(jié)的假體型號(hào)匹配度情況下顯著降低輻射劑量。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、醫(yī)保制度的不斷完善和醫(yī)療技術(shù)的不斷提高[1-4]，越來越多的晚期原發(fā)性或繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎患者、強(qiáng)直性脊柱炎患者、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者以及嚴(yán)重的股骨頭缺血壞死、股骨頸骨折、髖臼發(fā)育不良、髖部腫瘤等患者接受了全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，其目的主要是為了解除關(guān)節(jié)疼痛、改善關(guān)節(jié)功能和提高生活質(zhì)量。全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃中，模板二維測量意義非常重大[5]，需要拍攝髖關(guān)節(jié)正側(cè)位X射線片以及雙下肢全長X射線片來進(jìn)行模板測量制定術(shù)前計(jì)劃。隨著信息時(shí)代的到來和信息化的發(fā)展，人工智能在生物醫(yī)療領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[6]，人工智能輔助全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)前三維規(guī)劃（采用雙下肢全長CT掃描）與二維膠片模板術(shù)前規(guī)劃相比具有更高的準(zhǔn)確性和有效性。但其輻射劑量也隨之有所增加。本研究旨在通過調(diào)整噪聲指數(shù)來降低CT的輻射劑量，研究人工智能輔助髖關(guān)節(jié)置換術(shù)三維規(guī)劃關(guān)節(jié)的假體型號(hào)匹配度影響。

1.資料與方法

1.1 臨床資料

收集本院2019年1月～2022年12月50例行雙下肢全長CT掃描的患者，隨機(jī)分為觀察組和對照組，每組各25例。觀察組中男8例，女17例，年齡50～83歲，平均（65.92±8.83）歲，BMI為18.65～23.88kg/m2，平均（21.98±2.11）kg/m2；對照組中男10例，女15例，年齡30～88歲，平均（58.88±12.99）歲，BMI為18.73～23.83kg/m2，平均（22.46±1.41）kg/m2。

納入標(biāo)準(zhǔn)：髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良、股骨頭壞死等準(zhǔn)備進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的患者。

排除標(biāo)準(zhǔn)：無法配合CT掃描者、髖關(guān)節(jié)或其他部位存在活動(dòng)性感染者、髖外展肌肌力不足或喪失者。

1.2 方法

采用Canon Aquilion ViSION 320排CT行雙下肢全長CT掃描，患者取仰臥位，足先進(jìn)，腳尖內(nèi)旋10?～15?，雙手上舉抱頭，去除掃描區(qū)域內(nèi)的所有金屬物質(zhì)，囑患者在檢查過程中身體保持不動(dòng)；CT掃描參數(shù)：觀察組NI=16，對照組NI=8，其余掃描參數(shù)均相同，管電壓120kV，管電流采用自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)（CARE Dose 4D）技術(shù)，并且將管電流最小值設(shè)定為40mA,最大值設(shè)定為350mA，矩陣512×512，探測器寬度0.5×160，層厚1mm，層間距1mm，螺旋掃描，AIDR 3D重建方式。采用AIHIP JOINT（北京長木谷醫(yī)療科技有限公司科研平臺(tái)）制定三維術(shù)前計(jì)劃，測量并確認(rèn)出髖臼杯（見圖1）、內(nèi)襯、球頭、股骨柄型號(hào)（見圖2）以及尖肩距、股骨截骨位置與小轉(zhuǎn)子距離、股骨前傾角。以術(shù)中實(shí)際運(yùn)用假體型號(hào)為金標(biāo)準(zhǔn)，三維術(shù)前規(guī)劃假體型號(hào)（見圖3）與術(shù)中實(shí)際運(yùn)用假體型號(hào)進(jìn)行對比，根據(jù)其符合情況分為0、1兩個(gè)等級，其中0級代表不完全符合，1級代表完全符合。

圖1.髖臼杯術(shù)前規(guī)劃二維與三維效果視圖

圖2.股骨柄術(shù)前規(guī)劃三維效果視圖

圖3.整體術(shù)前規(guī)劃效果視圖

1.3 觀察指標(biāo)

記錄兩組規(guī)劃與實(shí)際運(yùn)用假體型號(hào)、容積劑量指數(shù)（volume computed tomography dose index，CTDIvol）、劑量長度乘積（dose length product，DLP），根據(jù)DLP計(jì)算有效劑量（effective dose，ED），ED=DLP×k，其中換算系數(shù)k=0.015。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS25.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以±s表示，非正態(tài)分布采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)，以中位數(shù)和上下四分位數(shù)M（P25，P75）表示。采用χ2檢驗(yàn)比較兩組性別、假體型號(hào)差異。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.結(jié)果

2.1 兩組患者一般資料比較

兩組患者的性別、BMI及所患疾病差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），年齡差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表1。

表1.兩組患者一般資料比較

2.2 假體型號(hào)匹配度

觀察組的符合率為92.00%（23/25），對照組的符合率為96.00%（24/25），差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表2。

表2.規(guī)劃關(guān)節(jié)假體型號(hào)與實(shí)際運(yùn)用的一致性比較

2.3 輻射劑量

觀察組CTDIvol 為2.50（3.69±3.28）mGy，低于對照組12.11（11.24±3.50）mGy； 觀察組DLP 為301.70（293.54±54.23）mGy.cm，低于對照組1208.45（1191.04±352.38）mGy.cm；觀察組ED為4.53（4.41±0.82）mSv，低于對照組18.13（17.87±5.29）mSv。差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P均<0.05），見表3。

表3.兩組CT輻射劑量比較

3.討論

較好的術(shù)前規(guī)劃不僅能給臨床醫(yī)生減少手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)的成功率，亦可以減少患者術(shù)后的并發(fā)癥[7]，因此術(shù)前規(guī)劃就顯得格外重要?，F(xiàn)在普遍使用傳統(tǒng)的膠片測量方法進(jìn)行術(shù)前假體規(guī)劃，但有些骨折患者無法進(jìn)行配合完成相應(yīng)的X射線檢查，例如雙下肢全長X射線片，且容易對患者造成二次傷害[8]，髖關(guān)節(jié)的解剖較為復(fù)雜，其功能較多，使用X射線膠片法二維術(shù)前規(guī)劃沒有辦法很好地測量出髖臼的前后徑，在二維角度下其放大率也存在著一定的誤差[9]，操作者和患者的雙重影響使得拍攝投照角度存在差異也無法準(zhǔn)確反映股骨髓腔直徑和小轉(zhuǎn)子位置，加上股骨旋轉(zhuǎn)和髖關(guān)節(jié)屈曲的影響、假體型號(hào)及種類不全等問題，術(shù)前規(guī)劃常不準(zhǔn)確，增加手術(shù)難度和手術(shù)時(shí)間，同時(shí)也增加了患者術(shù)后并發(fā)癥。CT薄層掃描可以通過MPR、VR等強(qiáng)大的后處理技術(shù)重建出所需的不同方位的影像[10,11]，有效解決X射線膠片測量法所存在問題的同時(shí)，還能測量出偏心距、尖肩距、股骨截骨位置距離小轉(zhuǎn)子距離、股骨前傾角、外展角、覆蓋率等一系列數(shù)據(jù)，更好地重建出髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)，與膠片模板測量法相比具有術(shù)前規(guī)劃更加精確、術(shù)中手術(shù)時(shí)間更短、出血量更少、術(shù)后并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)[12]。

本研究通過調(diào)整CT掃描參數(shù)的NI值顯著降低了輻射劑量[13]，觀察組和對照組假體型號(hào)匹配度均與吳東等[6]研究結(jié)果相近。髖關(guān)節(jié)病變最主要的為骨性結(jié)構(gòu)的改變，人工智能深度學(xué)習(xí)術(shù)前規(guī)劃對CT影像要求為1mm薄層掃描，矩陣512×512，便可實(shí)現(xiàn)對CT數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的三維重建、精準(zhǔn)智能分割骨骼結(jié)構(gòu)和判斷截骨位置以及實(shí)現(xiàn)智能匹配髖臼杯和股骨柄，其主要是通過識(shí)別患者的骨性標(biāo)志來進(jìn)行三維重建和術(shù)前規(guī)劃。CT圖像質(zhì)量的影響因素主要為圖像對比度、空間分辨率、圖像噪聲和偽影等，其中噪聲是圖像質(zhì)量的決定因素，其受管電壓、管電流、圖像重建方式及像素等因素的影響，觀察組和對照組通過設(shè)定不同NI值對患者進(jìn)行檢查，這樣可以預(yù)期圖像噪聲還可以保證圖像質(zhì)量，兩組數(shù)據(jù)均滿足人工智能術(shù)前規(guī)劃對影像資料的需求，假體型號(hào)匹配度無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且顯著降低了輻射劑量。

目前一致認(rèn)為放射學(xué)檢查應(yīng)當(dāng)遵循“合理使用低劑量”（as low as reasonably achievable，ALARA）的原則，應(yīng)做到對掃描參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足臨床需求的情況下允許存在一定的圖像噪聲，Kalra等也提出放射學(xué)檢查不應(yīng)該一味降低噪聲[14]，這樣一來就可以盡可能的降低輻射劑量。降低CT輻射劑量的方法很多，例如降低管電壓、降低管電流、增大螺距、增加圖像噪聲等。在雙下肢CT檢查中，掃描范圍從髂棘水平到足底部，骨盆處組織體厚大、結(jié)構(gòu)多；大腿及小腿組織體厚小、結(jié)構(gòu)少，在掃描范圍內(nèi)組織體厚和結(jié)構(gòu)分布不均勻。在優(yōu)化掃描參數(shù)來降低輻射劑量的過程中，由于雙下肢這種體度及組織密度的差異性較大，管電壓、管電流等掃描參數(shù)的設(shè)定難以把控，需在圖像質(zhì)量和輻射劑量之間取得平衡，通過單純調(diào)整管電壓和管電流等方法可能效果不佳。NI值的調(diào)整常運(yùn)用在自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)中，其在體厚大的地方輸出的管電流大，在體厚小的地方輸出的管電流小，這樣一來保證了雙下肢CT掃描噪聲一致性且提高了圖像的質(zhì)量，同時(shí)又減少不必要的輻射劑量，因此本研究就運(yùn)用了自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)和調(diào)整NI值來有效地降低輻射劑量。

當(dāng)然，本研究也存在著一些不足之處，比如相對于X射線檢查來說，CT檢查的費(fèi)用相對較高，相對于X射線膠片測量法來說，人工智能術(shù)前規(guī)劃所需的耗時(shí)更長，這些有待進(jìn)一步的完善和優(yōu)化流程。

綜上所述，對于髖關(guān)節(jié)術(shù)前規(guī)劃而言，低劑量CT掃描結(jié)合人工智能的術(shù)前規(guī)劃能夠更加準(zhǔn)確和全面的為臨床醫(yī)生提供術(shù)前數(shù)據(jù)，減少手術(shù)難度和時(shí)間，最主要的是減少患者術(shù)后并發(fā)癥，低劑量的檢查方式能夠有效減少患者的輻射劑量，這種低劑量的CT檢查結(jié)合人工智能的術(shù)前規(guī)劃方案是值得進(jìn)一步推廣和運(yùn)用的。