利用低劑量顱骨三維CT建立虛擬三維顱骨模型的可行性

楊民霞 陳炳 趙振華 張雅萍 黃亞男 胡紅杰

顱骨缺損可由外傷、感染、腫瘤、發育不良、腦梗死和去骨瓣減壓術等引起，導致頭皮凹陷，擾亂大腦自我調節，損害血流動力學狀態，患者會出現如頭暈、易怒、焦慮、煩躁等環鋸綜合征［1-2］。這些情況可以通過顱骨成形術來改善。而進行顱骨成形術前所有患者均行頭顱薄層計算機斷層掃描（CT）和三維（3D）重建，將CT 掃描數據發送給植入物重建公司，利用計算機輔助設計（Computer-Assisted Design，CAD）/計算機輔助制造（Computer-Assisted Model，CAM）技術制造出符合患者特點的鈦網［2］。利用低劑量顱骨三維CT 成像，制作虛擬三維模型的可行性及實用性被提上了日程。作者采用低劑量顱骨三維CT 成像制作虛擬顱骨缺損三維模型，定制鈦網植入物的可行性及實用性。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 本院2014 年3 月至2017 年12 月，需要顱骨成形術前進行顱骨三維CT 成像的顱骨缺損患者64 例，隨機分為4 組，每組16 例。參考相關文獻后按照顱骨三維CT 掃描參數分為4 組：常規劑量A 組120kV、180mA，低劑量B 組120kV、50mA，低劑量C 組120kV、30mA，低劑量D 組100kV、30mA。所有患者按組進行顱骨三維CT 掃描。將CT 數據發送給重建公司（中國蘇州昆山，鈦維生物）制造精確的鈦種植體（強生公司）。在實施顱骨成形術之前，神經外科醫師核實顱骨缺損區域、皮瓣輪廓和標記邊緣，最后確認病人臨床情況，全身麻醉后，暴露骨缺損區并植入定制的鈦種植體。所有患者均于術后1~3d 內行薄層CT 掃描，證實種植體位置準確，同時進行一系列的臨床功能評估。

1.2 CT 掃描及后處理 （1）掃描設備及成像方法：使用16 排螺旋CT 機（GE Brightspeed），掃描時，患者常規仰臥位，頭置于頭架中，下頜內收，從顱底鼻尖平面連續向上掃描至頭頂。（2）掃描參數：旋轉時間1s/rot，螺距1.375，層厚1.25mm，間隔1.25mm，矩陣512×512，FOV 250mm，窗寬2000Hu，窗位700Hu。（3）圖像后處理：所得圖像傳送至GE ADW 4.6 工作站，應用容積再現（volume rendering，VR），多平面重建（Multiple planar reconstruction，MPR）等三維重建技術進行圖像處理，建立顱骨三維模型。最后將原始圖像與三維圖像一并傳到PACS 上，進行圖像質量的評估。

1.3 評價指標 （1）輻射劑量：記錄掃描后機器自動生成的CT 劑量指數（volume CT dose Index，CTDIvol）和劑量長度乘積（dose-length product，DLP）。通過DLP 與國際放射防護委員會發表的103 號出版物（ICRP 103）中的器官組織權重因子相乘計算，得到有效劑量（effective dose，ED）值。（2）圖像質量評估：由2 名有>10 年CT 診斷工作經驗的資深放射科醫生，在隱藏掃描參數和患者信息后雙盲法共同對病人圖像評判診斷，如有分歧，經協商后取得一致。參閱相關文獻后采用等級制對CT 圖像質量進行評價：優秀：圖像顆粒度細，顱骨壁銳利，無偽影，診斷無限制；良好：圖像顆粒度較細，顱骨壁較銳利，有少許偽影，不影響診斷；一般：圖像顆粒度較粗，顱骨壁略模糊，有偽影，但不影響診斷；差：圖像顆粒度粗，顱骨壁模糊，有嚴重偽影，影響診斷。一般等級以上的圖像均能滿足診斷要求，即不影響放射醫生診斷顱骨缺損部位，同時能夠重建出虛擬的顱骨三維模型。

1.4 統計學方法 采用SPSS 21.0 統計軟件。采用K-S檢驗數據是否符合正態分布，如符合正態分布且方差齊，則采用（±s）表示，組間比較用t 檢驗或方差分析；如不符合正態分布或者方差不齊，采用M（Q1，Q2）表示，組間比較采用K-W 秩和檢驗；當多組間比較的差異存在統計學意義時，進行兩兩比較。計數資料采用n（%）表示，組間差異比較采用卡方檢驗或者K-W 秩和檢驗；P<0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同掃描條件下組間輻射劑量情況 低劑量組的輻射劑量CTDIvol 明顯低于常規劑量組。DLP 和ED四組內差異有統計學意義（Z=59.173，P<0.001）。進一步兩兩比較發現，低劑量C 組的DLP 和ED 分別比常規劑量A 組低83.0%和82.9%（P<0.001）。低劑量D 組的DLP 和ED 分別比常規劑量A 組低89.4%和89.6%（P<0.001）。64 例患者隨訪1~34 個月后，所有患者頭皮傷口愈合良好，術后頭顱CT 顯示鈦種植體固定良好，顱骨形態對稱，美學效果顯著，臨床功能恢復理想，患者滿意。見表1。

表1 不同掃描條件下組間輻射劑量情況（±s）

表1 不同掃描條件下組間輻射劑量情況（±s）

注：與A組比較，*P<0.001

A組 B組 C組 D組CTDIvol（mGy） 24.32 6.75 4.05 2.61 DLP（mGy·cm） 451.19±21.28 130.82±5.92 76.72±2.78* 48.23±3.59*ED（mSv） 0.95±0.04 0.27±0.01 0.16±0.01* 0.1±0.01*

2.2 四組間圖像質量評估情況 組間圖像質量評估比較，差異無統計學意義（P>0.05）。所有圖像質量評估均在一般及以上等級（見表2）。比較顯示常規劑量圖像質量細膩，低劑量圖像顆粒稍粗糙，但均能清晰顯示顱骨缺損部位及范圍，滿足臨床診斷及精確定制CAD/CAM 鈦種植體的需求（圖1、2）。

圖1 常規劑量A組，掃描參數為120kV、180mA

圖2 低劑量D組，掃描參數為100kV、30mA

表2 四組間圖像質量評估情況

3 討論

近年來，金屬植入物中鈦仍然是目前唯一用于顱骨成形術的金屬［1-2］。越來越多的文獻報道利用CAD/CAM 技術定制鈦種植體在顱面外科重建手術如眶底、副鼻竇、上下頜骨、顴骨等顱骨顱面修復中的有效性［1-2］。此技術需要根據CT 數據制作一個缺陷模型，即每個患者均接受全顱骨的薄層高分辨率CT掃描，經過后處理和三維重建，獲得顱骨的虛擬三維模型，制造商根據CT 數據重建顱骨CAD 模型，最后將CAD 數據傳輸至CAM 系統，進行最終鈦植入物的制造［1-2］，因此顱骨三維CT 掃描十分重要。顱骨缺損患者因自身的基礎疾病在臨床搶救、治療過程中需多次復查CT，方便臨床醫師隨時觀察患者的病情變化，現在為收集數據再做顱骨三維CT 掃描，會增加患者的輻射劑量。較多學者已經對輻射劑量與輻射危害的關系進行研究，發現眼晶體、性腺、甲狀腺及骨髓較為敏感，隨著劑量的增加，會出現不同程度的損傷，如白內障、絕育、惡性腫瘤或白血病。因此，任何可能導致輻射劑量增加的因素都必須認真對待，以避免病人接受不必要的輻射劑量。

目前，臨床研究中在控制人為因素及機器自身條件相對固定的情況下，主要通過變換、優化掃描參數、調節管電流或管電壓來實現低劑量掃描，因輻射劑量與管電壓的平方呈正比，與管電流一次方呈正比［3-4］。故本研究在保持其他掃描條件不變的情況下，通過降低mA 值或kV 值來減少射線量。國內外報道有關不同掃描方案輻射劑量的比較，主要是通過對比CTDIvol，DLP 和ED［3-4］。CTDIvol 是由設備依據掃描技術（管電壓、管電流和螺距等）自動計算并記錄。CTDIvol 只是設備的輸出值，未考慮被檢者的體型因素，而DLP的出現克服了這一缺陷，DLP=CTDIvol×掃描長度。輻射有效劑量（ED）代表患者所接受的輻射量，非常實用［5］。

本資料中，隨著管電壓從120kV 降至100kV，管電流從180mA 降至30mA，輻射劑量CTDIvol 從24.32mGy 降 至6.75mGy，4.05mGy 甚 至2.61mGy，顯著降低患者的輻射總量，減少輻射危害。且常規劑量組與低劑量三組間DLP 和ED 有顯著差異，低劑量D組射線量減少約89%，較其他低劑量組更能減低射線量。同時三組低劑量掃描組均無不合格圖像，與常規劑量圖像相比，降低管電壓、管電流的同時圖像噪聲有所增加，顆粒增粗，但因顱骨本身具有天然高對比度，重建顱骨模型是在CT 骨窗上進行，不需要看腦實質的病變和骨折等細節，故圖像質量稍下降，但仍能清晰顯示顱骨缺損部位及范圍，滿足診斷及精確定制鈦種植體的需求。低劑量顱骨三維CT 掃描可以在臨床應用。不過本研究樣本量較少，制訂的掃描技術參數相對保守，僅將管電壓減低到100kV，是否能進一步減低管電壓，減少受檢者受照劑量，也需進一步研究。

隨著公眾對于降低輻射的迫切需求，全球均在努力減少輻射照射。國外研究者還利用MR 成像制作顱骨3D 模型，以此來減少輻射，但MR 在一些注重骨解剖細節上無法適用，仍以CT 掃描作為圖像評估的金標準。本研究的低劑量顱骨三維CT 掃描對顱面骨修補患者均適用，不論是用鈦還是其他異種材料，不論是采用CAD/CAM 技術還是3D 打印技術，符合國際放射防護委員會提出的正當化和最優化原則，遵循“合理使用低劑量原則”（ALARA）［6］。因此利用低劑量顱骨三維CT 成像制作虛擬的顱骨缺損三維模型，定制鈦種植體具有極大的可能性及實用價值。