雙源CT迭代重建技術聯合低劑量掃描應用于腰椎滑脫3D打印的臨床研究

羅立鎮 陳嘉華 鄧燁 劉東旭 趙欣

我國大中型醫院CT配置率很高，CT已成為協助臨床診斷與治療不可或缺的工具。隨著CT廣泛應用于臨床工作，人均接受輻射的劑量明顯增長，輻射劑量越來越受人們重視，降低CT輻射劑量逐漸成為大家爭相追逐的研究熱點，如何降低輻射劑量成為關注的焦點[1]?？茖W技術的不斷發展，讓低劑量掃描成為了現實，越來越多低劑量技術應用于臨床，以雙源CT為例，雙球管應用、Flash大螺距、Care Dose4D自動電流調節技術、迭代重建技術等，要降低輻射劑量，必須盡量降低掃描管電流和管電壓，普通濾波反投影重建（FBP）技術降低劑量后噪聲較明顯，對比度不佳，影響圖像質量，不利于診斷；而應用原始數據的迭代重建技術（SAFIRE）Strength 3級，降低更多劑量同時應用于3D打印腰椎模型及導板，不影響3D打印質量。雙源CT迭代重建技術應用于腰椎的臨床研究比較少，而聯合低劑量掃描應用于腰椎滑脫3D打印更是沒有先例，值得開展該臨床研究。以往腰椎低劑量掃描研究者多為不同患者間比較低劑量掃描，不同患者因人體厚度、BMI等個體差異影響，數據不客觀，而相同個體間對比研究更具說服力，數據更客觀真實，存在較大研究價值。另外我院脊柱外科為重點特色?？疲怪±?，以腰椎為主，腰椎滑脫病患手術例數多，對于復雜病例術前進行3D打印腰椎模型和導板很有必要，能為腰椎滑脫內固定手術提供很好的幫助。

1 材料與方法

1.1 一般資料選取2015年5月～2018年2月我院收治第4腰椎向前滑脫伴椎間盤病變的患者40例，其中男24例，女16例；年齡25～65歲，平均43.5歲；病程最長2年，最短1月。臨床表現：腰腿痛、雙下肢麻木等。此40例均為平片診斷后行腰椎常規劑量掃描確診腰椎滑脫合并椎間盤病變需隨訪復查的患者，擬每年隨訪復查1次并逐次降低劑量掃描，共復查2次。3次CT檢查中，第1次為常規劑量掃描（120kV、300mAs），第2次為低管電流掃描、管電壓不變（120kV、150mAs），第3次為低管電壓及低管電流掃描（100kV、150mAs），掃描范圍為第4腰椎體上緣至第5腰椎體下緣，3次掃描圖像依照順序被分成A、B、C 3組，預測3次檢查輻射劑量遠少于平常第1腰椎至第1骶椎的一次常規劑量掃描，不必擔心輻射劑量倫理問題。本研究開展均取得患者同意并簽署知情同意書并經醫院倫理委員會批準。剔除嚴重骨質疏松者及懷孕、短期備孕者。

1.2 檢查方法檢查設備：采用德國西門子第二代Flash雙源CT。掃描參數：A組管電壓120kV，應用 CARE Dose 4D 技術，設置參考 mAs為 300；B 組管電壓 120kV，應用 CARE Dose 4D 技術，設置參考mAs為 150；C 組管電壓 100kV，應用 CARE Dose 4D技術，設置參考mAs為150。其余參數相同：矩陣512×512，螺距 0.6，重建層厚 1.0mm，層距 0.75mm。掃描范圍由第4腰椎上緣至第5腰椎下緣。

1.3 圖像重組全部患者橫斷面軟組織窗及骨窗均行1mm薄層重組，矢狀位骨窗行3mm重組。A組采用 FBP重建，B、C 組采用 SAFIRE Strength 3級迭代重建。

1.4 輻射劑量輻射劑量采用公式：ED=DLP×K（K=0.011 mSv/mGy.cm）[2]，由于同一患者 K 值相同，本組研究的輻射劑量以有效DLP數值作為參考。

1.5 圖像評價客觀圖像質量評價：測量椎間盤、硬膜囊、腰大肌及腰椎體骨松質、附件骨皮質平均CT值（MD）及標準差（SD），分別測三次后取得平均值，椎間盤、硬膜囊、腰大肌及腰椎體骨松質ROI大小20mm2，附件骨皮質ROI大小2mm2，計算各ROI的信噪比（SNR）及椎間盤與硬膜囊的對比噪聲比（CNR）。計算公式：SNR=MD/SD，CNR=（MD椎間盤-MD硬膜囊）/兩者平均標準差SD。

主觀評價：兩名高級醫師在不清楚A、B、C三組圖像情況下盲評，評價椎間盤、硬膜囊、腰大肌及腰椎體骨松質、附件骨皮質清晰情況，采用辛文龍等[3]所用的評價標準[4]：結構清晰、輪廓清楚、無偽影、可明確診斷為2分；結構清晰、輪廓欠清晰、輕度偽影、但不影響診斷為1分；結構不清、輪廓不清、偽影較重、影響診斷為0分。

1.6 統計學方法應用SPSS 17.0軟件學統計，計量資料用±s表示，各客觀指標采用單因素方差分析（ANOVA）；觀察者圖像主觀評價一致性采用Kappa檢驗，測定不同醫師評分結果的一致性，一致性較差（＜0.40），一致性中等（0.40～0.75），一致性較好（＞0.75）。以P＜0.05為差異具有統計學意義。

1.7 3D打印腰椎模型及導板導入患者薄層圖像采集三維數據，利用Mimics軟件制作腰椎模型及導板。

2 結果

2.1 患者輻射劑量B組較A組有效輻射劑量降低約60%，C組較A組有效輻射劑量降低約75%，見表1。

2.2 客觀質量評價A、B組各興趣區SNR及CNR差異無統計學意義（P＞0.05）；C組腰椎體骨松質和附件骨皮質興趣區SNR及CNR與A、B組無差異（P＞0.05），其余興趣區圖像質量降低，見表2。

表1 輻射劑量數據統計表

表2 客觀圖像質量評價

2.3 主觀圖像質量評價A、B組腰椎間盤、硬膜囊、腰大肌及腰椎體骨松質、附件骨皮質圖像質量好，A、B組各興趣區主觀圖像質量評分無顯著差異；C組腰椎體骨松質、附件骨皮質圖像質量好，主觀圖像質量評分與A、B組無差異，用于3D打印效果佳，但其椎間盤、硬膜囊、腰大肌噪聲增粗，圖像質量降低，與A、B組差異明顯，見圖1。

2.4 各組主觀圖像質量評價及C組3D打印模型評分2名醫師對各組興趣區主觀評分Kappa值分別為0.798、0.829、0.983，顯示一致性很好。C 組低劑量圖像數據用于3D打印腰椎模型及制作術前導板，3D打印主觀圖像質量評分佳，2名醫師對3D打印模型Kappa值達0.787，見圖2、表3。

圖1 各組主觀圖像質量評價

圖2 3D打印效果

表3 圖像質量評分

3 討論

由于CT設備本身特性，CT的輻射劑量明顯高于傳統X線檢查。Brenner等[5]曾做過調查研究，一次胸部CT篩查掃描的劑量相當于拍一次正位胸片的300倍，一次經典腹部CT掃描的劑量至少相當于拍一次正位腹部平片的50倍。另外有研究表明[6，7]，CT輻射劑量對人體存在危害，與癌癥發生存在相關性，尤其對兒童及青少年，輻射致癌風險更是幾何倍數增長。我們使用過量的放射線來獲取某一影像，而這種影像的獲得與低于50%的放射線所獲得的影像無差別[8]，所以CT檢查時降低輻射劑量很有必要。

目前CT圖像重建算法主要有解析算法和迭代算法[9]。自CT被引入臨床以來，FBP算法一直被作為CT圖像重建方法的基礎和“金標準”，但該算法要求投影數據完備且精確定量，同時，該算法易受統計波動的影響，投影數據量不足時，重建的圖像質量就會明顯下降，因此保證完備的投影數據量已確保能重建出達到臨床診斷要求的圖像，該算法對CT的輻射劑量要求也較高[10]。而迭代重建技術SAFIRE則是對X線光子分布進行原始估計，在此基礎上估算每個投影方向上探測器獲得的可能計數（即正投影），再將正投影數據與探測器實際采集的投影數據進行比較，用于更新原始估計數據，經過多次迭代和校正更新就會重建出高質量和低噪聲的圖像。迭代重建算法所需的投影數少、具有可在數據不完全和低信噪比（低劑量）條件下成像等優點[11]。近來隨著計算機技術和圖像重建算法的不斷發展以及低劑量成像的需求，迭代算法技術在CT領域的應用受到廣泛關注[11]，SAFIRE技術是圖像空間迭代重建技術的改進[12]，迭代重組（IR）可顯著抑制噪聲[13]。因此迭代重建技術SAFIRE應用于腰椎低劑量掃描比傳統算法具有更大的優勢。本研究選取SAFIRE Strength 3級迭代重建，圖像質量評分高，與大部分學者研究報道只選擇SAFIRE-3 與 FBP 比較具有高度一致性[2，14，15]。3D打印技術是基于材料累加原理進行快速成型操作，制作三維物體的技術，打印腰椎模型主要是采集腰椎骨質的三維數據。

以往較多腰椎低劑量掃描的研究利用不同患者進行對比輻射劑量與圖像質量，達到探討迭代重建腰椎低劑量掃描的可行性，而患者性別、年齡、BMI、體厚等各項指標不同，存在個體差異，而本組研究在患者同意情況下對同一患者進行降低劑量復查研究，患者性別、年齡、BMI、體厚等各項指標相仿，輻射劑量監測及圖像質量具有很好的對比、對照參考價值，結果客觀可信。本組研究檢查設備采用更新一代的Flash雙源CT，結果顯示腰椎低劑量掃描（降低 50% 管電流）結合 SAFIRE Strength 3級迭代重建，有效輻射劑量明顯少于常規掃描，降低60%輻射劑量的同時獲得很好的圖像質量，另外降低20%管電壓、降低50%管電流的低劑量掃描，有效輻射劑量更低，降低約75%，雖然椎間盤、硬膜囊、腰大肌圖像質量有所下降，但腰椎體骨松質、附件骨皮質等質量不影響，應用于3D打印腰椎模型及導板，3D打印效果佳，能指導臨床制定術前方案，模擬打釘固定，進行術前演練，大大提高腰椎內固定手術的成功率和效率。本研究不足之處在于條件所限，僅探索盡可能低的輻射劑量掃描方案應用于3D打印腰椎模型的可行性，沒有對常規劑量掃描圖像進行3D打印腰椎模型與其對比分析。

綜上所述，迭代重建技術應用于腰椎低劑量掃描完全可行，采用低管電流150mAs的低劑量掃描能把輻射劑量降低約60%，圖像質量不受影響；而同時采用低管電壓100kV及低管電流150mAs的雙低劑量掃描能把輻射劑量降低約75%，應用于3D打印腰椎模型及導板，既大幅降低輻射劑量又不影響3D打印效果，值得推廣應用于腰椎滑脫手術前演練，提高手術效率及成功率，減少患者術中出血量、術中透視次數及縮短手術時間。