不同掃描體位和定位像方向對單髖關節CT圖像及輻射劑量影響

蔣棟棟, 王亞囡, 周 蕾, 孫 澳, 呂國義*

1. 武漢市第四醫院放射科, 湖北 武漢 430033;2. 華中科技大學同濟醫學院附屬武漢兒童醫院影像中心, 湖北 武漢 430017

由于多排螺旋CT(multi-row spiral computed tomography)在密度分辨率和顯示病變空間關系方面的優勢,臨床上在髖關節的應用越來越重要[1]。但CT產生的電離輻射可能帶來的健康問題已引起人們廣泛關注[2]。CT自動管電流調制(automatic tube current modulation,ATCM)技術及蝶形濾波器(Bowtie filter)是保證圖像質量的前提下能降低輻射劑量的有效手段[3,4]。ATCM系統及Bowtie濾波器的使用需要將患者置于掃描架中心,否則會對患者受到的輻射劑量及圖像質量產生不利影響[5]。由于髖關節解剖部位的特殊性,在臨床實際檢查中行常規掃描時,以身體中軸線為中心,一側髖關節偏離掃描架中心,在Bowtie濾過器作用下會增加圖像噪聲,而在以單側髖關節為中心進行等中心掃描時,身體長軸會偏向健側,ATCM系統有可能錯誤地計算患者的體型,從而增加患者輻射劑量。本文旨在探究選擇不同掃描體位及定位像方向,對單側髖關節患者輻射劑量和圖像質量的影響,將ATCM系統與Bowtie濾波器合理運用,最大提升單側髖關節CT檢查收益風險比。

1 資料與方法

1.1 臨床研究對象

選取2022年1月至2023年3月本院由于外傷行單側髖關節CT檢查的成年患者,18.5 kg/m2≤體質量指數(body mass index,BMI)≤27 kg/m2,排除髖關節腫瘤、金屬內固定、嚴重骨質疏松及粉碎性骨折不能配合患者,將入組120例患者根據隨機數字表分為4組,每組30例,其中男56例,女64例,年齡18～80歲,平均年齡(59±14)歲,左髖55例,右髖65例。本研究經倫理委員會批準(倫審字號:KY2022-102-01)。

1.2 掃描方法

使用GE Revolution CT,患者仰臥頭先進,水平定位線為腋中線。掃描范圍髖臼上緣5 cm至股骨中上1/3處。定位像投照方向0°(X線管球位于檢查床正上方即前后位)、90°(X線管球位于患者左側即右側位)、270°(X線管位于患者右側即左側位),A組常規掃描以身體正中線作矢狀垂直定位線,定位像方向采用0°+ 90°,掃描視野(scan field of view,SFOV)選擇大體型(large body)Bowtie濾波器,見圖1(a);其余三組均行等中心掃描,即以患側髖關節為中心,將髂前上棘與恥骨聯合連線中點作矢狀垂直定位線,SFOV均選擇小體型(small body)Bowtie濾波器,其中B組定位像采用前后位+側位,側位選擇X線管方向靠近身體長軸的定位像,如左髖關節側位定位像方向選擇270°,右髖關節側位定位像方向選擇90°,見圖1(b);C組定位像采用前后位+側位,側位選擇X線管方向遠離身體長軸的定位像,如左髖關節側位定位片方向選擇90°,右髖關節側位定位片方向選擇270°,見圖1(c);D組定位像X線管球方向采用0°,見圖1(d)。4組共同參數如下:定位像參數管電壓120 kV,管電流10 mA。螺旋掃描參數:管電壓120 kV,管電流均使用ATCM,參考管電流120～650 mA,噪聲指數(noise index,NI)8,探測器寬度40 mm,螺距0.516∶1,旋轉時間0.5 s,層厚5 mm,迭代指數(ASIR-V)前置30%,后置60%,重建算法使用標準重建。

圖1 各組右髖關節CT掃描示意圖

1.3 圖像質量客觀評價

將掃描圖像(如圖2所示)傳至Philips Extended Brilliance后處理工作站。由一名有5年以上圖像處理經驗技師分別測量橫斷層圖像中股骨頭骨皮質CT值(CT骨)、周邊正常肌肉CT值(CT肌)及標準差(SD肌),選取感興趣區(region of interest,ROI)面積30～50 mm2,避開肌肉間隙及骨折區域,測量3次取平均值,圖像客觀噪聲=SD肌肉均值,信噪比(SNR)=CT肌/SD肌,對比信噪比(CNR)=(CT骨-CT肌)/SD肌。

圖2 各組患者髖關節CT掃描定位像

1.4 圖像質量主觀評價

由2名具有10年以上骨關節診斷經驗醫師在工作站上對120例患者圖像進行獨立評價,2名醫師在不知道患者資料、圖像掃描方法等情況下對圖像主觀噪聲、偽影和診斷信心度進行分級評分[6]。圖像主觀噪聲評估在軟組織窗口設置(窗寬400 HU,窗位40 HU)中進行,以5分制對圖像主觀噪聲(1=最小圖像噪聲,2=低于平均圖像噪聲,3=平均圖像噪聲,4=高于平均圖像噪聲,5=不可接受的圖像噪聲)進行評估。條紋偽影按4分制進行分級(1=無偽影;2=不干擾診斷決策的次要偽影;3=影響主要結構可視化的主要偽影,仍可診斷;4=影響診斷信息的偽影)。除了默認的窗寬和窗位外,診斷醫生可以根據他們的舒適度來改變窗寬和窗位進行診斷評估,診斷信心度以4分制評價(1=完全自信;2=可能自信;3=僅對有限的臨床情況有信心,如明顯錯位骨折;4=信心較差),二者意見不同時需要再次閱片最終達成一致。

1.5 輻射劑量記錄

記錄CT每次掃描后自動生成的輻射劑量報告數值,包括CT劑量指數(CTDIvol)、劑量長度乘積(DLP)。

1.6 統計學分析

各組數據經整理后,錄入SPSS 25.0軟件包進行統計學分析。性別構成比采用χ2檢驗,年齡、BMI、掃描長度、圖像客觀噪聲、SNR、CNR、CTDIvol、DLP的比較采用單因素方差分析,圖像質量主觀評分采用Kruskal-Wallis秩和檢驗,若總體存在差異,則采用Bonferroni法進行組間兩兩比較,以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料統計結果

各組患者間的性別、左右側髖關節、年齡、體質量指數、掃描長度差異均無統計學意義(均P>0.05)。見表1。

表1 各組一般資料比較

2.2 患者圖像質量客觀評價及輻射劑量統計結果

各組患者單側髖關節客觀噪聲(SD)、SNR、CNR、CTDIvol、DLP的差異有統計學意義(均P<0.01),組間兩兩比較顯示,C與D組間的差異無統計學意義(均P>0.05),其余組間兩兩比較各項均有統計學差異(均P<0.01)。見表2。

表2 各組圖像質量客觀評價及輻射劑量比較

2.3 患者圖像質量主觀評價評分統計結果

各組患者在圖像主觀噪聲、條紋偽影及診斷信心度評級中的差異均無統計學意義(均P>0.05)。見表3。

表3 各組圖像質量主觀評價比較

3 討論

CT對于外傷性髖關節損傷的診斷具有重要作用,盡管四肢輻射敏感性低,但在不影響圖像診斷的前提下降低患者的輻射劑量一直是放射人員的目標[7]。使探測器數據均勻化,蝶形Bowtie濾波器被應用于調制X線束,該濾波器特有的凹面體結構能使周邊射線隨角度增大而增加濾過效果,中心射線濾過效果最低,從而實現劑量減少。不同SFOV的Bowtie濾波器具有不同的X線濾過效率,同樣的條件下小體型SFOV比大體型平均減少19.4%輻射劑量[8]。在A組進行常規掃描時,患側髖關節偏離掃描中心,為保證獲得較大的SFOV會使用濾過效率較低的大體型Bowtie濾波器,而BCD三組等中心掃描時,患側髖關節位于中心,可選擇最小SFOV高效率的小體型Bowtie濾波器。因此常規掃描患者不僅會受到更多的輻射劑量,同時偏離中心的患側髖關節會與Bowtie濾波器較厚部分重疊,使圖像噪聲過大,甚至產生條紋偽影。本研究結果,A組圖像質量客觀評價(SD、SNR、CNR)低于其他等中心三組,且CTDIvol及DLP明顯高于C、D組,之間均有統計學差異(均P<0.05),說明等中心掃描在相對較低的輻射劑量下,能保證良好的圖像質量,這與閆士舉等[9]及肖夢強等[10]的研究結果一致。另外,在等中心掃描時生殖腺處于Bowtie濾波器的高濾過區,Euler等[11]發現患者偏離中心的邊緣區域在高濾過效率Bowtie濾過器作用下不會額外增加散射輻射。由此可見,等中心掃描是單側髖關節CT檢查的首選方式。

ATCM系統是CT中劑量優化同時保持圖像質量的最重要創新之一,該技術可根據不同位置的衰減信息自動調節管電流強度,能在保證圖像質量的同時減少輻射劑量[12],但只有少數研究者關注準確的ATCM系統性能[13]。GE設備的ATCM系統是基于最后一次采集定位像的數據,沿著定位像投影方向測量幾何寬度及X線的衰減,然后通過復雜的算法估計不同位置的最優管電流,保證圖像處于同一噪聲水平[14,15]。因此,最后一次采集的定位像信息決定了能否合理應用ATCM系統,劉丹丹等[16]也認為不同的定位像方向會顯著影響CT圖像質量和輻射劑量。本研究將B、C、D組在以患側髖關節為中心進行掃描時,患者整體處于偏中心位置,應用ATCM系統不當會增加輻射劑量[5,17]。當B組側定位像[圖2(b)]選擇X線管球靠近身體長軸的方向時,會使身體在側面的幾何投影相對常規體位的側定位像[圖2(a)]明顯放大,ATCM系統會高估患者體型,導致較高的管電流,患者會受到比實際需要更多的輻射劑量;當C組側位定位像[圖2(c)]X線管球選擇遠離身體長軸的方向時,在側位的幾何投影相對常規略縮小,ATCM系統會制定相對較低的管電流;在D組使用0°定位像[圖2(d)],ATCM系統僅選取的是患者前后方向的信息,能相對正確地預估患者體型,從而使用合適的管電流。

比較B、C、D三組等中心掃描模式結果,B組輻射劑量明顯高于C、D兩組,D組略低于C組,因為人體結構側位定位像X線衰減大于正位,所以基于正位定位像的輻射劑量要低于側位定位像[18],但本研究C、D兩組之間輻射劑量差異無統計學意義(P>0.05),這兩組相近的輻射劑量導致兩組間的圖像質量亦無統計學差異(P>0.05),即可以認為C、D兩組掃描方案在單側髖關節掃描中的效果是一致的。由于C、D兩組方案輻射劑量整體降低16%～35%,在同一圖像重建算法下,不可避免會導致兩組的圖像質量客觀評價低于B組,因噪聲與管電流平方根成反比,B組相較于C、D組增加的輻射劑量,所提升的圖像質量影響較小,同時B、C、D三組在圖像質量主觀評價中各項指標的差異并無統計學意義(P>0.05),表明C、D兩組與B組圖像質量客觀評價上的差別并不影響醫生的診斷,整體圖像質量完全能滿足臨床。即前后定位像或選擇X線管球遠離身體長軸的側位定位像是單側髖關節等中心掃描時的最佳定位像方向。

本研究尚存在一些局限性,一是未選取BMI超過27 kg/m2肥胖患者;二是由于各廠家的ATCM系統算法技術原理和設計存在差異,本研究結論是否適用于其他廠家還需進一步探究。

綜上所述,在基于最后一次采集定位像信息的ATCM系統中進行單側髖關節多排螺旋CT掃描時,推薦等中心掃描方案同時選擇小體型掃描視野的高效率Bowtie濾波器,將前后定位像或選擇X線管遠離身體長軸的側位定位像作為最后一次執行計劃,能保證單側髖關節圖像質量的同時進一步優化輻射劑量,對減少受檢者不必要輻射暴露具有積極的臨床意義。