一種用于驗證胸腔LDCT-PCNB掃描參數模型的設計與應用

趙子健，李若梅，吳瑞祥，葉亮，沈雪芹，陸璐，魏夏紅

1. 安徽醫科大學附屬合肥醫院 影像科，安徽 合肥 230011；2. 中國科技大學 合肥離子醫學中心 綜合部，安徽 合肥 230011

引言

胸腔低劑量CT引導下經皮穿刺活檢（Low-Dose CTGuided Percutaneous Core Needle Biopsy，LDCT-PCNB）是目前肺部占位活檢的首選檢查項目，而近年來LDCT技術和迭代算法的普及，使得低劑量活檢穿刺研究進展迅速[1]。在已有的文獻資料中可知，LDCT-PCNB在優化參數及掃描方法后，可極大程度降低輻射劑量[1-2]。研究顯示，在極低劑量參數下，胸腔LDCT-PCNB仍然可以保證圖像質量，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、不同重建算法，而且掃描優化的參數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 設計LDCT胸腔穿刺參數驗證體模

1.1.1 國內LDCT穿刺體模現狀

目前，國內在CT體模實驗方面研究相對較少，大多體模實驗均為研究普通掃描或增強掃描[5]。體模實驗在CT檢查參數設置時有重大參考意義，一個CT的序列是否恰當、參數是否合適，首選各種體模實驗獲得先期參數，然后才能進行人體實驗[6]。這樣可以通過倫理檢查，保護患者不受過量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是醫用不銹鋼或者醫用鈦合金，其密度遠高于胸部其他組織[7]。實心的含水體模無法模擬穿刺活檢狀態，而且國內尚無成熟的LDCT-PCNB相關的體模產品與文獻資料。

1.1.2 設計胸部LDCT-PCNB體模思路

CT成像的原理是通過X線的線性衰減，由陣列處理器計算重建出圖像。經多個文獻證實，LDCT-PCNB的輻射劑量有較大的降低空間，由于胸腔內肺組織是含氣的高對比度器官，在平掃確定病灶后，低劑量掃描依然可以發現病灶，特別針對磨玻璃結節顯示更佳，并能測量其病灶大小及幾何關系[8]。之后計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高，在CT掃描中會產生放射狀偽影，這種放射偽影與小病灶重疊時會遮蓋小病灶。所以設計體模時有以下要求：① 充分模擬胸部空腔結構，合理顯示穿刺針與病灶的幾何關系；② 充分考慮X線在模型內的衰減過程，在各種劑量條件下仍可模擬穿刺狀態；③ 可模擬病灶的不同性質、不同大小、不同位置，并適用于大部分CT機，且可反復使用。試驗流程如圖1所示。

圖1 LDCT-PCNB體模測試的流程圖

1.1.3 通過SKUP設計空腔LDCT-PCNB體模

根據1.1.2總結的要求，使用SKUP（SketchUp）設計穿刺體模。相對于Soildwork等傳統建模軟件，SketchUp的操作更加輕量化，而且建模簡單，其缺點是沒有平面計算機輔助設計繪制功能[9]。打開SketchUp，在x-z軸設定體模大小，y軸拉伸長度，使用形狀和圓角等工具不斷修正體模，并根據胸腔形狀設定靶物質插槽、穿刺針插槽與標尺。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、性質的實性靶物質，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系。

圖2 使用SKUP設計LDCT-PCNB體模全過程

1.2 通過熔融沉積制造技術3D打印制作實體模型

1.2.1 使用CURA對模型進行切片處理

將SketchUp制作得體模數據保存，并導出為立體光刻語言（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進一步轉換為專用格式[10]。這里使用的是Allcct-334 3D打印機，匹配CURA 3.0切片軟件。考慮到該體模需要一定的精度保證測試準確性，在切片時參數選擇為層厚0.1 mm，這增加了打印時間，為此將參數填充密度改為30%，可以在保證體模結構強度的前提下減少大量打印時間，節約打印材料。最后使用Netfabb軟件檢驗模型完整度，導出為GCODE格式，文件的關鍵代碼如圖3所示。

圖3 導出為TXT格式的LDCT-PCNB體模關鍵3D打印代碼

1.2.2 通過Allcct334打印機制作體模實體

將導出的GCODE格式文件導入Allcct334打印機中，打印參數為：打印速度60 mm/s，移動速度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，平臺附著類型為底層邊線，回退速度30 mm/s，回退長度 3 mm，打印材料聚乳酸（Polylactic Acid，PLA），PLA材料是一種環保材料，由玉米顆粒制作而成，無毒可降解，成型后具有一定工程強度，不溶于水，并可反復使用，缺點是熔點低無法高溫消毒[11]，打印過程如圖4所示。

圖4 基于熔融沉積制造技術打印LDCT-PCNB體模全過程

2 應用效果

2.1 將體模帶入CT，不同參數下掃描，對比實驗結果

2.1.1 質量劑量比

在實驗之前，首先闡述一個劑量對比概念，目前的醫學影像CT圖像質量與輻射劑量的對比通常使用信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）、容積 CT劑量指數（Volume CT Dosimetry Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose-Length Product，DLP）、有效劑量（Dose-Length Product，ED）等一系列參數比較，非常繁瑣[12]。CT的輻射劑量與圖像質量不僅對立，更是統一的存在。這里引入“質量劑量比”（Image quality / Radiation dose）這一概念，是一種可以同時反映圖像質量與輻射劑量關系的非剛量數值，資料顯示，質量劑量比為CNR與CTDIvol比值的絕對值，這個數值與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[14]，SI為取樣CT值（HU），SD為取樣的標準差 。

在后續的體模帶入實驗中，通過I/R，可以較為方便直觀地計算出不同參數條件下的輻射劑量和圖像質量的關系，并找出最佳的質量劑量比。這樣可以快速比較多種LDCTPCNB掃描參數之間的差異，并對臨床實際操作中的參數設定有一定指導作用。

2.1.2 體模實驗，對比實驗參數

使用GE（美國通用）Light speed 64 VCT，放入體模模型，設置進針角度與距離，設置病灶大小。分別使用文獻里引用較多的兩種不同的低劑量參數：參數A管電壓為110 kV，自動毫安控制最大55 mA[15]；參數B管電壓為100 kV，自動毫安控制最大20 mA[16]。其余參數相同：噪聲指數12，ASiR設定：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。分別測量三次，獲得不同SNR、CNR、ED[17-18]。計算不同組別質量劑量比，選取最佳配套參數。并對兩者的I/R進行t檢驗（SPSS 17.0），實驗結果如表1所示。

表1 兩種LDCT-PCNB掃描參數的具體數值比較

通過數據可知，參數A與參數B均可以在一定程度上降低輻射劑量，但是參數A的圖像質量客觀評價要低于參數B。而且，通過I/R值計算，參數A的質量劑量比也遠低于參數B。所以在胸腔LDCT-PCNB的體模實驗中，參數B可以用更低的劑量獲得更高的SNR和CNR，I/R遠高于參數A。

2.2 LDCT-PCNB試驗數據的實際應用

經過2.1.2的體模實驗，得知參數B不僅質量劑量比較優，且體模實驗圖像符合穿刺要求，可以代入實際操作，進行臨床穿刺。患者女，80歲，腦梗塞6個月，身體不適3日入院，CT檢查可見胸腔右肺上葉占位，高度懷疑腫瘤。遂進行CT-PCNB，經過2次平掃定位后，代入參數B行LDCT-PCNB，再經過2次定位，穿刺成功，獲得組織。病理檢測為免疫組化標記（XIHC19181）：TTF-1（+）、CK7（+）、Napsin-A（+）、P40（-）、P63（-）、Ki-67（+，約 20%），確診為腺癌。普通掃描和參數A掃描的單次各項結果及I/R的t檢驗如表2所示。

表2 CT-PCNB與LDCT-PCNB單次掃描實際結果具體數值比較

由結果可知，使用參數B的ED值比普通掃描降低了約25倍，I/R則遠高于普通掃描，其可在大幅降低輻射劑量的同時保證圖像質量。LDCT-PCNB體模在這一整套流程之中，起到檢驗、對比的作用。畢竟不同CT條件不一，貿然帶入其他實驗數據必然存在效果和倫理的問題[19-21]。使用LDCT穿刺體模，不僅可以在臨床實踐前檢驗這些參數，并可以在不同參數中對比計算出最優解。

3 討論

CT引導下穿刺是一項相對成熟的技術，由于CT分辨率高、定位精確、價格便宜，研究顯示CT引導下穿刺特別是胸部穿刺是活體穿刺檢測的首選[22]。而且受到穿刺病灶位置、大小、方向、患者配合程度、醫師自身穿刺技術限制，在穿刺過程中或多或少會重復掃描以校正探針方向,導致重復掃描，以上種種最終導致患者吸收CT輻射劑量過大[23]。在本研究中，先通過體模實驗對不同的低劑量掃描參數進行比對篩選，再將篩選出的參數帶入實際掃描中，其結果顯示，驗證過的參數掃描，不僅大幅度降低輻射劑量，而且圖像擁有高質量劑量比。通過體模實驗，最大程度避免了傳統低劑量穿刺應用中，反復嘗試重復掃描，減少患者輻射，提高輻射使用效率，減少倫理問題。

國內外已有多篇研究CT低劑量掃描的文獻，從CT機的自身性能、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，或者先有結果后有過程，罕有做過穿刺體模實驗。在參考這些根據經驗或者窮舉的低劑量掃描參數時，考慮到不同醫院機型條件各不相同，如何選擇適合自己的參數、該參數是否在本CT上適用、直接引入該參數進行人體穿刺又是否符合倫理，有待斟酌。而使用體模實驗可以無限次重復比較各種參數，在沒有倫理限制的條件下，計算出適合本院CT機型的最佳低劑量參數。

4 總結

精準醫療，影像先行，對更低輻射劑量的追求一直是醫學影像界的共識。在現有的大量低劑量CT引導胸腔穿刺研究中，不同機型、不同條件導致各個研究差異較大，后續學者在參考驗證這些數值時，也受到機型、效果和倫理的限制。本研究提供一種可驗證以上不同參數的模型，在沒有倫理限制的情況下，通過體模實驗和I/R計算出適用于本單位機型的最佳參數，有效地提高研究的便捷性和準確性。但不足的是，該模型材料為30%PLA，其密度有限，仍需改進其對射線的衰減程度。總而言之，在初步顯示了LDCT-PCNB體模的使用價值后，有必要擴充研究數量，提供更多的數據證明該體模的可實用性。