VHS技術髕骨4D運動軌跡80 kV低劑量成像中管電流參數的優(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.婦產科，陜西 寶雞 721001

引言

近年來的研究表明髕骨運動軌跡在髕股關節(jié)不穩(wěn)的診斷中有著舉足輕重的作用[1-4]，而CT動態(tài)500排容積螺旋（Volume Helical Shuttle，VHS）技術能通過掃描床的往復運動，最大程度的采集到關節(jié)活動的整個數據，為捕捉髕股關節(jié)4D運動軌跡提供了有效、便捷的方法[3-5]。但該技術掃描的時相多，成像的Z軸范圍過大，明顯增加了檢查的輻射劑量，使患者細胞和分子水平的致癌及遺傳效應風險大增[6-7]。如何既可有效降低輻射劑量，又能保障圖像質量是CT研究的熱點及發(fā)展方向。基于目前對VHS技術髕骨4D運動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量，以期獲取最佳的成像參數。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

嚴格依據納入標準及排除標準，選擇2017年1月至2019年7月臨床擬診髕股關節(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。所有患者按動態(tài)隨機法分為A組（自動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檢驗無統(tǒng)計學差異。

納入標準：① 年齡≥18歲；② 膝關節(jié)無骨折、占位及手術史，無較多的關節(jié)腔積液；③ 經過嚴格的膝關節(jié)屈伸訓練后能掌握動作要領、高度配合。排除標準：① 具有明顯的膝關節(jié)內外翻畸形；② 膝關節(jié)伴有嚴重的骨性關節(jié)炎、滑膜炎、關節(jié)結核等病變；③ 患者主觀上不能掌握及完成掃描規(guī)定的動作，或客觀上因疾病所限不能完整、按時完成規(guī)定動作；④ 患者及家屬對輻射敏感，過于糾結不同掃描方案間的輻射劑量差別等。本研究經醫(yī)院倫理委員會批準，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，患者檢查時取仰臥位，腳先進，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。開始掃描前反復對病人進行雙膝關節(jié)屈膝運動訓練：首先膝關節(jié)完全伸直，然后以腘窩下的三角支撐墊為活動軸，股骨遠端保持不動，雙小腿緩慢、準勻速屈膝，并保證其一個屈膝動作于20 s內完成，盡量做到無明顯的左右側移及往復運動。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即可啟動掃描。掃描參數：VHS掃描模式，管電壓80 kV，層厚5 mm，穿梭7～10個時像，每次穿梭時間為2 s；A組采用自動管電流調制技術（Automatic Tube Current Modulation，ATCM)，預設噪聲指數（Noise Index，NI）為20，mA波動區(qū)間10～300 mA；B組采用100 mA手動固定管電流；C組采用80 mA手動固定管電流。掃描后進行0.625 mm的層厚減薄，標準算法重建。將所有數據傳至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)動態(tài)觀察，并使用4D Body Shuttle軟件重建出膝關節(jié)屈曲活動、顯示并勾畫出髕骨的4D運動軌跡。

1.3 圖像的評價

1.3.1 客觀評價方法

主要對圖像的噪聲、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）進行客觀測量：軟組織窗上對股骨髁上、髕骨中部、脛骨粗隆水平層面的前區(qū)（股四頭肌）及后區(qū)（半膜肌）以拷貝感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）的方法進行測量。CT值表達圖像上的組織密度，代表著采集的信號強度，標準差（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 主觀評價方法

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軸位圖像及髕骨4D運動軌跡圖像的軟組織窗及骨窗進行綜合分析，并根據檢查目的對圖像主觀評價達成一致性評分。評分標準參考Kalra等[8]和Johnson等[9]的方法并適當改良，采用4分評價法：4分指圖像解剖結構清晰、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，解剖結構邊界清楚或稍模糊，視覺感受一般，圖像質量為良；2分指圖像有中度的顆粒感，能顯示骨性解剖結構，但軟組織邊界模糊，密度不均，通過窗寬窗位的優(yōu)化調節(jié)在視覺上可以接受，圖像質量為合格；1分指圖像顆粒感明顯、較粗大并不均勻，骨性解剖細微結構顯示不清、邊界模糊，或偽影明顯，通過窗寬窗位的優(yōu)化調節(jié)后視覺感受不佳，圖像質量為差。

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（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）等數據，以DLP數值來評估三組患者的檢查輻射劑量。對A組實際輸出的mA值進行統(tǒng)計，選擇股骨髁上、股骨側髁、股骨髁間、半月板、脛骨側髁、脛骨粗隆層面為橫坐標，各層相應的mA輸出值為縱坐標，繪制曲線圖，觀察mA變化趨勢。

1.5 統(tǒng)計學分析

所有數據采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行分析。計量資料用均值±標準差（±s）表示，三組間的差異采用方差分析，方差齊性檢驗后對符合要求的進行單因素方差分析，對有意義的變量采用LSD法兩兩比較。以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 A組實際mA輸出值的變化

A組預設mA值范圍是10～300 mA，實際輸出mA值為（155.36±28.83） mA。由具體數值變化及趨勢可知半月板層面mA輸出最低，股骨側髁、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，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%；經單因素方差分析有統(tǒng)計學意義（表1）。

2.3 圖像質量比較

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)計學意義，C組圖像噪聲較B組增高約16%，經LSD檢驗無統(tǒng)計學差異。三組圖像的信噪比依次降低，經檢驗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)計學意義。三組圖像骨窗評分相近，軟組織窗評分有一定差異，綜合評判后A組評分較高（3.02±0.16）分，B組及C組評分依次降低，分別為（2.86±0.78）、（2.63±0.94）分；三組間經檢驗差異無統(tǒng)計學意義（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4D髕骨運動軌跡低劑量成像的必要性

VHS技術的核心是CT掃描時掃描床的精準、持續(xù)地往復運動，配合動態(tài)容積穿梭及錐形束的重建，擴大了CT成像的Z軸范圍，可有效實現(xiàn)組織器官的功能成像，臨床主要應用于CT灌注成像、關節(jié)功能成像等方面[10-12]。本課題應用該技術捕捉髕骨4D運動軌跡，較文獻報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、可重復性強等優(yōu)點[2,5,10]，但該技術需多時相連續(xù)掃描，使X線球管曝光時間延長，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)掃描參數預掃描，DLP平均值可達（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節(jié)不穩(wěn)患者多系中青年育齡女性，對輻射更為敏感[13]，因此超低劑量4D髕骨運動軌跡成像非常必要。

3.2 VHS技術4D髕骨運動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、曝光時間、螺距等。管電壓與輻射劑量呈指數關系，降低管電壓可顯著降低輻射劑量，但同時因射線質的下降導致圖像噪聲增高，影響了密度及空間分辨率；管電流與輻射劑量呈線性關系，低管電流對密度分辨率的影響大于對空間分辨率的影響[14]。膝關節(jié)天然對比良好，而且髕骨4D運動成像主要評價髕骨與股骨滑車之間的咬合關系及髕骨的運動曲線，可立體成像，對關節(jié)面及周圍軟組織的解剖、病變細節(jié)的顯示要求較低，對圖像噪聲的容忍度較高，因此使用低管電壓及低管電流進行低劑量成像具有明顯的可行性[15-16]。在本研究中，曝光時間及螺距等受多時相成像技術的要求可調控范圍較窄，在超低80 kV管電壓下，管電流的調控則凸顯的重要而不可或缺。

3.3 VHS技術4D髕骨運動軌跡低劑量成像的輻射劑量與成像參數

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，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，mA的輸出曲線呈“V”形改變，掃描時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)了其基于個體組織不對稱性的特點；因膝關節(jié)變化差異較小，所以mA值變化幅度不大。該技術實現(xiàn)了實時對各掃描層管電流進行輸出調制，減少了傳統(tǒng)手動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]，一經問世迅速廣泛應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技術降低輻射的效果遜色于B組及C組的傳統(tǒng)手動法，呈“效能不足”狀態(tài)，結合本研究的數據及ATCM技術三個關鍵性控制因素，考慮其主要原因有以下幾點：首先是預設的NI偏低，對膝關節(jié)最佳的NI罕有報道，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。在標準重建算法時，NI近似于圖像實際的噪聲值。A組圖像噪聲（12.32±3.56），低于NI預設值20，依從性較好，根據B組及C組的圖像噪聲，NI的預設值有進一步提高的空間，據研究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，當定位像為0°正位、管電流過低時，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”，可導致管電流的輸出增高；管電流由定位像信息確定調制幅度后，患者體位的動態(tài)變化也會影響最終的調制效果[21-22]。第三為超低管電壓，為了維持相同的圖像噪聲水平，球管會自動提高管電流輸出來補償[20]。所以在無最佳的ATCM掃描參數作指導時，手動固定管電流輸出比ATCM技術在膝關節(jié)4D成像時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量評價比較（±s）

表1 三組輻射劑量和圖像質量評價比較（±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4D髕骨運動軌跡低劑量成像的圖像質量比較

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B組與C組差異無統(tǒng)計學意義，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。圖像噪聲的影響在軟組織窗時較為明顯，而在骨窗觀察時視覺差距不大，且本研究主要觀察髕骨與股骨之間咬合關系的變化，對圖像噪聲的容忍度高，所以綜合評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導致射線質量下降，反而因散射線過多而造成輻射損傷[11,20]，所以本研究未進一步探討80 mA以下管電流對圖像的影響，亦未對最佳NI及相應的輻射、圖像質量變化進行探討。

綜上所述，ATCM技術在80 kV超低管電壓髕骨4D運動軌跡低劑量成像時會因各種因素能效不足，沒有對輻射劑量起到最大優(yōu)化的作用。而80 mA手動管電流簡單、直接，可達到CT圖像質量和低輻射劑量的有效平衡，為推薦的最佳管電流參數。