双源CT迭代重建技术联合低剂量扫描应用于腰椎滑脱3D打印的临床研究

罗立镇 陈嘉华 邓烨 刘东旭 赵欣

我国大中型医院CT配置率很高，CT已成为协助临床诊断与治疗不可或缺的工具。随着CT广泛应用于临床工作，人均接受辐射的剂量明显增长，辐射剂量越来越受人们重视，降低CT辐射剂量逐渐成为大家争相追逐的研究热点，如何降低辐射剂量成为关注的焦点[1]。科学技术的不断发展，让低剂量扫描成为了现实，越来越多低剂量技术应用于临床，以双源CT为例，双球管应用、Flash大螺距、Care Dose4D自动电流调节技术、迭代重建技术等，要降低辐射剂量，必须尽量降低扫描管电流和管电压，普通滤波反投影重建（FBP）技术降低剂量后噪声较明显，对比度不佳，影响图像质量，不利于诊断；而应用原始数据的迭代重建技术（SAFIRE）Strength 3级，降低更多剂量同时应用于3D打印腰椎模型及导板，不影响3D打印质量。双源CT迭代重建技术应用于腰椎的临床研究比较少，而联合低剂量扫描应用于腰椎滑脱3D打印更是没有先例，值得开展该临床研究。以往腰椎低剂量扫描研究者多为不同患者间比较低剂量扫描，不同患者因人体厚度、BMI等个体差异影响，数据不客观，而相同个体间对比研究更具说服力，数据更客观真实，存在较大研究价值。另外我院脊柱外科为重点特色专科，脊柱病例多，以腰椎为主，腰椎滑脱病患手术例数多，对于复杂病例术前进行3D打印腰椎模型和导板很有必要，能为腰椎滑脱内固定手术提供很好的帮助。

1 材料与方法

1.1 一般资料选取2015年5月～2018年2月我院收治第4腰椎向前滑脱伴椎间盘病变的患者40例，其中男24例，女16例；年龄25～65岁，平均43.5岁；病程最长2年，最短1月。临床表现：腰腿痛、双下肢麻木等。此40例均为平片诊断后行腰椎常规剂量扫描确诊腰椎滑脱合并椎间盘病变需随访复查的患者，拟每年随访复查1次并逐次降低剂量扫描，共复查2次。3次CT检查中，第1次为常规剂量扫描（120kV、300mAs），第2次为低管电流扫描、管电压不变（120kV、150mAs），第3次为低管电压及低管电流扫描（100kV、150mAs），扫描范围为第4腰椎体上缘至第5腰椎体下缘，3次扫描图像依照顺序被分成A、B、C 3组，预测3次检查辐射剂量远少于平常第1腰椎至第1骶椎的一次常规剂量扫描，不必担心辐射剂量伦理问题。本研究开展均取得患者同意并签署知情同意书并经医院伦理委员会批准。剔除严重骨质疏松者及怀孕、短期备孕者。

1.2 检查方法检查设备：采用德国西门子第二代Flash双源CT。扫描参数：A组管电压120kV，应用 CARE Dose 4D 技术，设置参考 mAs为 300；B 组管电压 120kV，应用 CARE Dose 4D 技术，设置参考mAs为 150；C 组管电压 100kV，应用 CARE Dose 4D技术，设置参考mAs为150。其余参数相同：矩阵512×512，螺距 0.6，重建层厚 1.0mm，层距 0.75mm。扫描范围由第4腰椎上缘至第5腰椎下缘。

1.3 图像重组全部患者横断面软组织窗及骨窗均行1mm薄层重组，矢状位骨窗行3mm重组。A组采用 FBP重建，B、C 组采用 SAFIRE Strength 3级迭代重建。

1.4 辐射剂量辐射剂量采用公式：ED=DLP×K（K=0.011 mSv/mGy.cm）[2]，由于同一患者 K 值相同，本组研究的辐射剂量以有效DLP数值作为参考。

1.5 图像评价客观图像质量评价：测量椎间盘、硬膜囊、腰大肌及腰椎体骨松质、附件骨皮质平均CT值（MD）及标准差（SD），分别测三次后取得平均值，椎间盘、硬膜囊、腰大肌及腰椎体骨松质ROI大小20mm2，附件骨皮质ROI大小2mm2，计算各ROI的信噪比（SNR）及椎间盘与硬膜囊的对比噪声比（CNR）。计算公式：SNR=MD/SD，CNR=（MD椎间盘-MD硬膜囊）/两者平均标准差SD。

主观评价：两名高级医师在不清楚A、B、C三组图像情况下盲评，评价椎间盘、硬膜囊、腰大肌及腰椎体骨松质、附件骨皮质清晰情况，采用辛文龙等[3]所用的评价标准[4]：结构清晰、轮廓清楚、无伪影、可明确诊断为2分；结构清晰、轮廓欠清晰、轻度伪影、但不影响诊断为1分；结构不清、轮廓不清、伪影较重、影响诊断为0分。

1.6 统计学方法应用SPSS 17.0软件学统计，计量资料用±s表示，各客观指标采用单因素方差分析（ANOVA）；观察者图像主观评价一致性采用Kappa检验，测定不同医师评分结果的一致性，一致性较差（＜0.40），一致性中等（0.40～0.75），一致性较好（＞0.75）。以P＜0.05为差异具有统计学意义。

1.7 3D打印腰椎模型及导板导入患者薄层图像采集三维数据，利用Mimics软件制作腰椎模型及导板。

2 结果

2.1 患者辐射剂量B组较A组有效辐射剂量降低约60%，C组较A组有效辐射剂量降低约75%，见表1。

2.2 客观质量评价A、B组各兴趣区SNR及CNR差异无统计学意义（P＞0.05）；C组腰椎体骨松质和附件骨皮质兴趣区SNR及CNR与A、B组无差异（P＞0.05），其余兴趣区图像质量降低，见表2。

表1 辐射剂量数据统计表

表2 客观图像质量评价

2.3 主观图像质量评价A、B组腰椎间盘、硬膜囊、腰大肌及腰椎体骨松质、附件骨皮质图像质量好，A、B组各兴趣区主观图像质量评分无显著差异；C组腰椎体骨松质、附件骨皮质图像质量好，主观图像质量评分与A、B组无差异，用于3D打印效果佳，但其椎间盘、硬膜囊、腰大肌噪声增粗，图像质量降低，与A、B组差异明显，见图1。

2.4 各组主观图像质量评价及C组3D打印模型评分2名医师对各组兴趣区主观评分Kappa值分别为0.798、0.829、0.983，显示一致性很好。C 组低剂量图像数据用于3D打印腰椎模型及制作术前导板，3D打印主观图像质量评分佳，2名医师对3D打印模型Kappa值达0.787，见图2、表3。

图1 各组主观图像质量评价

图2 3D打印效果

表3 图像质量评分

3 讨论

由于CT设备本身特性，CT的辐射剂量明显高于传统X线检查。Brenner等[5]曾做过调查研究，一次胸部CT筛查扫描的剂量相当于拍一次正位胸片的300倍，一次经典腹部CT扫描的剂量至少相当于拍一次正位腹部平片的50倍。另外有研究表明[6，7]，CT辐射剂量对人体存在危害，与癌症发生存在相关性，尤其对儿童及青少年，辐射致癌风险更是几何倍数增长。我们使用过量的放射线来获取某一影像，而这种影像的获得与低于50%的放射线所获得的影像无差别[8]，所以CT检查时降低辐射剂量很有必要。

目前CT图像重建算法主要有解析算法和迭代算法[9]。自CT被引入临床以来，FBP算法一直被作为CT图像重建方法的基础和“金标准”，但该算法要求投影数据完备且精确定量，同时，该算法易受统计波动的影响，投影数据量不足时，重建的图像质量就会明显下降，因此保证完备的投影数据量已确保能重建出达到临床诊断要求的图像，该算法对CT的辐射剂量要求也较高[10]。而迭代重建技术SAFIRE则是对X线光子分布进行原始估计，在此基础上估算每个投影方向上探测器获得的可能计数（即正投影），再将正投影数据与探测器实际采集的投影数据进行比较，用于更新原始估计数据，经过多次迭代和校正更新就会重建出高质量和低噪声的图像。迭代重建算法所需的投影数少、具有可在数据不完全和低信噪比（低剂量）条件下成像等优点[11]。近来随着计算机技术和图像重建算法的不断发展以及低剂量成像的需求，迭代算法技术在CT领域的应用受到广泛关注[11]，SAFIRE技术是图像空间迭代重建技术的改进[12]，迭代重组（IR）可显著抑制噪声[13]。因此迭代重建技术SAFIRE应用于腰椎低剂量扫描比传统算法具有更大的优势。本研究选取SAFIRE Strength 3级迭代重建，图像质量评分高，与大部分学者研究报道只选择SAFIRE-3 与 FBP 比较具有高度一致性[2，14，15]。3D打印技术是基于材料累加原理进行快速成型操作，制作三维物体的技术，打印腰椎模型主要是采集腰椎骨质的三维数据。

以往较多腰椎低剂量扫描的研究利用不同患者进行对比辐射剂量与图像质量，达到探讨迭代重建腰椎低剂量扫描的可行性，而患者性别、年龄、BMI、体厚等各项指标不同，存在个体差异，而本组研究在患者同意情况下对同一患者进行降低剂量复查研究，患者性别、年龄、BMI、体厚等各项指标相仿，辐射剂量监测及图像质量具有很好的对比、对照参考价值，结果客观可信。本组研究检查设备采用更新一代的Flash双源CT，结果显示腰椎低剂量扫描（降低 50% 管电流）结合 SAFIRE Strength 3级迭代重建，有效辐射剂量明显少于常规扫描，降低60%辐射剂量的同时获得很好的图像质量，另外降低20%管电压、降低50%管电流的低剂量扫描，有效辐射剂量更低，降低约75%，虽然椎间盘、硬膜囊、腰大肌图像质量有所下降，但腰椎体骨松质、附件骨皮质等质量不影响，应用于3D打印腰椎模型及导板，3D打印效果佳，能指导临床制定术前方案，模拟打钉固定，进行术前演练，大大提高腰椎内固定手术的成功率和效率。本研究不足之处在于条件所限，仅探索尽可能低的辐射剂量扫描方案应用于3D打印腰椎模型的可行性，没有对常规剂量扫描图像进行3D打印腰椎模型与其对比分析。

综上所述，迭代重建技术应用于腰椎低剂量扫描完全可行，采用低管电流150mAs的低剂量扫描能把辐射剂量降低约60%，图像质量不受影响；而同时采用低管电压100kV及低管电流150mAs的双低剂量扫描能把辐射剂量降低约75%，应用于3D打印腰椎模型及导板，既大幅降低辐射剂量又不影响3D打印效果，值得推广应用于腰椎滑脱手术前演练，提高手术效率及成功率，减少患者术中出血量、术中透视次数及缩短手术时间。