基于雙低CT掃描技術的兒童復雜先天性心臟病混合現實建模的可行性

沙金葉，劉文源，鄒明宇

（北部戰區總醫院放射診斷科，沈陽 110016）

先天性心臟?。╟ongenital heart disease，CHD）是胚胎發育時期心臟及大血管形成障礙或發育異常引起的解剖結構異常，或出生后應自動關閉的通道閉合不完全所致的畸形［1］。CHD是常見的先天缺陷，目前全球發病率約0.5%［2］。復雜先天性心臟?。╟omplex congenital heart disease，CCHD）具有2種及2種以上畸形，分為簡單、中度及重度3種，研究［3］顯示約25%CHD患兒具有復雜性心臟缺陷，世界范圍內每年超過40萬例嬰兒患有CCHD。目前，CT血管成像（CT angiography，CTA）是CCHD的首選檢查方法之一，但同時會帶來電離輻射及對比劑碘含量的問題。臨床檢查常用管電壓120 kV、碘對比劑濃度320 mgI/mL或350 mgI/mL掃描方案，過高輻射劑量會對乳腺、甲狀腺等腺體及軟組織帶來遠期不良影響，甚至可能誘發癌癥風險［4］。兒童較成人對電離輻射更敏感，潛在的輻射傷害威脅更大［4］。高濃度碘對比劑具有引起對比劑腎病的潛在風險［5］。近年來雙低CT掃描技術在全球臨床實踐中廣泛應用。WANG 等［5］在新生兒CCHD檢查中將管電壓降至80 kV，碘對比劑濃度設為270 mgI/mL，結果顯示應用雙低CT掃描技術可獲得優質圖像。然而，基于雙低CT掃描技術的CCHD患兒心臟混合現實技術建模相關研究鮮有報道。本研究探討基于雙低CT掃描技術構建CCHD患兒混合現實心臟模型的可行性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料及分組

收集本院2019年9月至2021年9月間擬采用混合現實建模的30例CCHD患兒的臨床資料，隨機均分為雙低組和常規組，每組15例。納入標準：（1）診斷為CCHD并接受心臟CTA檢查；（2）年齡≤6歲；（3）心臟存在2種及2種以上畸形。排除標準：（1）存在肝腎功能異常及碘對比劑過敏等CTA檢查禁忌證；（2）已實施相關心臟手術及接受姑息治療；（3）CTA檢查圖像偽影較重影響圖像質量評估。本研究獲得醫院倫理委員會批準，患兒家屬或監護人均知情同意并簽署知情同意書。雙低組男10例，女5例，平均年齡（1.19±1.68）歲，平均體質量（9.88±4.44）kg。常規組男10例，女5例，平均年齡（1.72±1.91）歲，平均體質量（8.54±5.48）kg。2組性別、年齡及體質量比較差異無統計學意義（均P＞0.05），具有可比性。

1.2 檢查方法

使用佳能第2代320排螺旋CT（日本Canon 公司）進行掃描，探測器寬度160 mm，達到0.50 mm采集精度，旋轉時間為0.275 s。使用包括自適應迭代重建技術（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D）V7.0版本。常規組實施管電壓100 kV、碘佛醇350 mgI/mL掃描方案；雙低組實施管電壓80 kV、碘克沙醇320 mgI/mL掃描方案。患兒仰臥位，經患兒上肢靜脈或下肢靜脈在15 s內完成推注含碘對比劑，總劑量按1.5～2 mL/kg計算，隨后生理鹽水（5 mL）以相同速度推注。自肺尖處至膈下1 cm進行掃描，目測左心室顯影時手動觸發掃描，延遲時間約4 s。采用前瞻性心電（electrocardiographic，ECG）門控掃描模式，并聯合自動曝光控制技術（automatic exposure control，AEC）。

1.3 混合現實技術設備及軟件配置

獲取2組CTA圖像原始數據，以Dicom格式導出，應用Materialise Mimics軟件進行圖像處理，細節平滑處理，Dicom數據轉化為STL格式，再應用MaterialSe3-Matic軟件將STL格式進一步轉化優化，最終獲得V3D文件格式輸入到混合現實軟件平臺，佩戴混合現實設備操作虛擬模型。

1.4 碘攝入量及輻射劑量計算

計算2組患兒碘攝入量，記錄劑量長度乘積（dose length product，DLP）、容積CT劑量指數（volume CT dose index，CTDIvol），計算有效輻射劑量（effective dose，ED）：ED=DLP×k，其中k為轉換因子，患兒年齡＜4個月，k=0.039；年齡≥4個月～1歲，k=0.026；年齡≥1歲～6歲，k=0.018［6］。

1.5 圖像質量客觀評價指標

在肺動脈干、氣管分叉處升及降主動脈、主動脈弓中點及同層胸大肌應用感興趣區（region of interest，ROI）法［7］評價圖像質量。分別放置3個ROI，面積取10 mm2，測量CT值及標準差（stand deviation，SD）后取均值。選擇升主動脈SD均值作為圖像噪聲（background noise，BN），計算信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）及對比度噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR）：SNR=ROI升主動脈/SD，CNR=（ROI升主動脈-ROI胸大肌）/SD。

1.6 混合現實技術建模質量的主觀評價

由2名放射診斷科主任醫師采用4分法［8］對混合現實虛擬模型進行盲態評估。具體評價標準：4分，模型精細解剖結構清晰、完整，內部畸形情況顯示清晰，完全滿足臨床醫師需求；3分，模型精細解剖顯示尚佳、較完整，畸形情況較清晰，可以滿足臨床醫師需求；2分，解剖結構不完整，有所缺如，內部畸形情況顯示不清，無法較好滿足臨床醫師需求；1分，解剖結構不完整、缺如，內部畸形情況未見顯示，無法滿足臨床醫師需求。2位醫師的評分均值為最終評分，≥3分，滿足臨床需求；＜3分，不滿足臨床需求。

1.7 統計學分析

應用SPSS 26.0統計學軟件進行數據分析。符合正態分布的計量資料以表示，2組比較采用獨立樣本t檢驗；不符合正態分布的計量資料以M（P25～P75）表示，2組比較采用非參數Mann-WhiteneyU檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 2組碘攝入量及輻射劑量比較

結果顯示，雙低組及常規組碘攝入量分別為（3.94±2.32）mg、（5.47±2.80）mg，雙低組較常規組降低了27.97%。雙低組DLP、CTDIvol及ED均顯著低于常規組，差異均有統計學意義（均P＜0.05）。見表1。

表1 2組輻射劑量比較Tab.1 Comparison of radiation doses between the double-low and conventional groups

2.2 2組圖像質量客觀評價指標比較

結果顯示，雙低組較常規組BN略升高，SNR、CNR略減低，但2組比較差異無統計學意義（均P＞0.05）。見表2。

表2 2組圖像質量客觀評價指標比較Tab.2 Comparison of objective evaluation of the image quality between the double-low and conventional groups

2.3 2組混合現實技術模型主觀評分比較

結果顯示，2名主任醫師對混合現實技術心臟模型主觀評分均≥3分，均滿足臨床需求。雙低組、常規組平均評分分別為4（4～4）、4（3.5～4），2組比較差異無統計學意義（P=0.317）。常規組、雙低組患兒獲得的CT Dicom數據圖像，多平面重建處理、混合現實技術心臟模型圖及二維碼見圖1、圖2。

圖1 常規組患兒（男，2 d）心臟掃描圖像及混合現實技術模型Fig.1 Cardiac scan images and mixed reality model of a representative child（male，2 days）in the conventional group

圖2 雙低組患兒（男，1歲）心臟掃描圖像及混合現實技術模型Fig.2 Cardiac scan images and mixed reality model of a representative child（male，1 year）in the double-low group

3 討論

混合現實技術是一種新興的數字影像顯示技術，以CT、MRI、超聲等二維醫學影像為原始數據構建直觀的三維虛擬模型，醫師通過可穿戴設備獲取全息影像信息，并與之實時交互［9］。目前混合現實技術應用于骨科、肝膽外科及口腔頜面外科等多學科、醫學生物及醫學教育等諸多領域［10-12］。在CCHD診療中，混合現實技術建?？梢灾庇^立體地顯示精細解剖結構及病變畸形情況，為診斷提供了新的思路。YE等［13］首次將混合現實技術應用于34例右心室雙出口患者的診療中，佩戴混合現實眼鏡設備進行術前診斷策劃，結果表明混合現實虛擬心臟模型所提示的畸形與術中所見一致，證實混合現實技術可直觀顯示CCHD的畸形結構，具有良好輔助作用。CEN 等［14］在5例右肺動脈閉鎖伴室間隔缺損手術中應用混合現實技術證明其可以提高對復雜心臟及大血管解剖的理解。但在混合現實建模過程中行CTA掃描獲取原始圖像時往往通過增加管電壓、管電流或含碘對比劑濃度等方式提高混合現實建模的質量，忽視因此而導致的人體健康問題。

降低電離輻射劑量的方式包括減小掃描范圍、降低管電壓、管電流及應用迭代重建算法等［15］。輻射強度與管電壓平方呈正比，因此臨床多通過降低管電壓來減少患者輻射劑量［15］。單獨使用低碘濃度對比劑時CT值降低，但聯合低管電壓會增加碘的衰減程度，掃描血管CT值增高，即聯合低碘濃度對比劑及低管電壓能得到相同的血管強化效果［16］，這是雙低CT掃描技術的理論依據。本研究結果顯示，常規組及雙低組碘攝入量分別為（5.47±2.80）mg、（3.94±2.32）mg，雙低組較常規組約減少27.97%。常規組及雙低組ED分別為（3.38±0.76）mSv、（1.85±0.63）mSv，雙低組較常規組約減少45.3%，可見雙低組碘攝入量及電離輻射劑量明顯減少。

本研究結果顯示，常規組及雙低組BN、CNR、SNR比較差異均無統計學意義（均P＞0.05），且2組圖像主觀評分均≥3分，說明雙低組在低碘濃度、低管電壓條件下圖像達到了臨床要求。既往研究證實BN隨管電壓降低而升高，CNR、SNR降低，圖像質量隨之下降。分析原因主要是本研究應用了AIDR 3D迭代重建算法，避免了應用低管電壓掃描時BN升高的缺點，從而提高了掃描圖像的質量。AEC是AIDR 3D最大的優勢，在掃描前參照定位圖中所檢測到受檢部位的厚度、衰減系數，自動算出所需的曝光劑量，自動曝光劑量調整，輻射劑量與BN均減低，因此獲得更優質的圖像［17］。AIDR 3D算法可以在圖像及投影數據空間同時迭代（雙空間迭代），其與AEC技術相結合，在最低輻射劑量條件下獲得優質圖像。

綜上所述，本研究在低碘濃度對比劑及低輻射劑量CT掃描技術條件下建立CCHD患兒的心臟混合現實技術模型成功。此模型圖像質量滿足臨床診斷要求，便于輔助臨床術前診斷與評估；同時避免了兒童潛在的風險，減少并發癥的發生。本研究的不足之處：（1）對于混合現實技術應用于兒童CCHD的研究樣本量尚少，可能存在選擇偏倚；（2）研究缺少采用不同迭代重建算法的最優化結果；（3）圖像質量可能還與血流動力學等其他因素有關。今后需要擴大樣本量來進一步研究論證。