基于低剂量CT扫描策略行胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印的可行性研究

1.东部战区总医院（原南京军区南京总医院） a.医学影像科；b.泌尿外科，江苏 南京 210002；2.北部战区总医院 a.重症（战）创伤救治中心实验室；b.放射诊断科，辽宁 沈阳 110016

引言

胸腹主动脉及肾动脉病变是一种致死率极高的大血管病变，发病率呈逐年上升的趋势。胸腹主动脉及肾动脉病变通常包括：胸腹主动脉瘤、主动脉夹层、壁内血肿、先天性肾动脉狭窄及肾动脉发育异常（早发分支、副肾动脉）等[1-2]。对胸腹主动脉及肾动脉病变的早期诊断，可有效的降低患者死亡率。目前，临床常选择胸腹主动脉及肾动脉CT血管成像（CT Angiography，CTA）作为诊断胸腹主动脉及肾动脉病变的首选方法[3]。由于胸腹主动脉及肾动脉CTA成像是在二维胶片上进行显示，其逼真性和立体性仍存在一定的不足。近年来，随着3D打印技术在医学领域中的运用，胸腹主动脉及肾动脉3D打印可为胸腹主动脉及肾动脉病变的诊治提供新的思路。

胸腹主动脉及肾动脉3D打印可利于病变（发生部位、范围及程度）的显示，使手术医生可以真正做到三维立体的去观测病变，对手术方案的制定、模拟手术过程起着重要作用，特别是在肾肿瘤切除时，术前准确显示出肾动脉与肿瘤关系，可大大节省手术时间、减低手术难度。目前，常采用多层螺旋CT扫描获取的DICOM文件作为3D打印的源数据[4]，为了提高3D打印模型的质量，人们常采用增加CT扫描时的管电压和管电流来得以实现。根据国际放射防护委员会规定，公众个人受照射的年辐射剂量当量应低于50 mSv，这是因为较高的CT辐射剂量可对人体的甲状腺、性腺及晶状体等造成损伤，甚至诱发某些恶性肿瘤[5-6]。如何能在保证胸腹主动脉及肾动脉3D打印模型质量的前提下，尽可能的降低患者所受的CT辐射剂量，则成为一名影像工作者不可推卸的责任。本研究通过采用KV assist联合自动管电流调制技术（Automated Tube Current Modulation Technique，ATCM），探讨降低胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印辐射剂量的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年1月至2019年4月间疑拟行胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印的患者40例，其中男性29例，女性11例，年龄32～83岁，平均年龄（57.48±18.53）岁。随机分为A、B两组，每组20例，A组男性14例，女性6例，平均年龄（53.9±11.7）岁；B组男性15例，女性5例，平均年龄（52.7±13.2）岁。所有患者均签署知情同意书，并排除造影剂使用禁忌。

1.2 胸腹主动脉及肾动脉CT DICOM文件获取

采用Discovery CT750 HD（GE公司，美国）进行检查，扫描范围从胸廓入口处至耻骨联合水平处。A组（低剂量CT扫描方案）：KV assist技术（80～140 kV）联合ATCM（50～600 mA）及自适应统计迭代重建（Adaptive Statistical Iterative Reconstruction，ASiR）；B组（常规剂量CT扫描方案）：120 kV，250 mA及滤波反投影（Filtered Back Projection，FBP）重建。噪声指数（Noise Index，NI）为11.75。其它扫描参数如下：探测器宽度40 mm，扫描层厚0.625 mm，螺距1.375:1，进床速度27.5 mm/r，机架旋转速度0.8 s/r。采用对比剂团注跟踪技术，当峰值达到150 HU时，进行手动触发，监测层面设为主动脉弓水平。自肘前静脉注射对比剂320 mgI/mL，注射速率为6.0 mL/s，注射剂量为60～80 mL，并以相同速率注射生理盐水30 mL进行冲管。将两组扫描方案获取的CT数据，拆分为0.625 mm层厚传至GE AW 4.6工作站，进行三维重建。

1.3 胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印

将两组CT DICOM数据导入Mimics 10.01软件（Materialise公司，比利时）进行胸腹主动脉及肾动脉三维重建，去除周围无关的组织结构，并将重建结果导入至Materialise 3-matic软件（Materialise公司，比利时），将数据转化为STL格式，采用CAD软件完成胸腹主动脉及肾动脉3D建模；最后将其输入Z Corp快速成型打印机（Z Corporation公司，美国），完成胸腹主动脉及肾动脉3D打印。

1.4 胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印的客观评价

记录两组方案CT扫描后所提供的CT剂量加权指数（Volume CT Dose Index，CTDIvol）和剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP），并根据有效辐射剂量（Effective Dose，ED）计算公式，ED=DLP×K，计算出患者所受的辐射剂量，其中K值为转换因子，根据欧盟委员会CT质量标准指南，本研究中K=0.017 mSv/(mGy·cm)[7]。

1.5 胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印的主观评价

由两名泌尿外科医师（一名从事本专业工作10年，另一名从事本专业工作20年）对两组胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印结果进行盲态评估。采用4分法对胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印质量进行评分。评分标准：1分，3D建模质量差，血管无法明确显示，解剖结构严重缺失，解剖细节粗陋，无法满足临床诊治需求；2分，3D建模质量尚可，血管可见明确显示，解剖结构部分缺失，解剖细节粗糙，无法较好满足临床诊治需求；3分，3D建模质量较好，血管显示清晰，解剖结构完整，解剖细节清晰，可满足临床诊治需求；4分，3D建模质量优，血管显示清晰、逼真，解剖结构完整，解剖细节清晰、锐利，可较好满足临床诊治需求。3D建模结果的主观评分：3～4分，认为满足临床需求；1～2分，认为不符合临床需求；最终结果取两位医师评分值的均值。

1.6 统计学分析

应用统计学软件SPSS 17.0进行统计学分析。A、B两组患者的一般资料、CTDIvol、DLP及ED值均采用均值±标准差（x-±s）表示；A、B两组患者的3D建模打印图像质量主观评价应用Mann-Whitney U检验；两名3D打印工程师对3D建模质量的评分一致性采用Kappa检验。P＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般资料对比

结果显示，A、B两组患者的年龄、身高、体重及身体质量指数（Body Mass Index，BMI）均无统计学意义（P＞0.05）（表1）。

表1 两组一般资料对比结果

2.2 两组CT辐射剂量对比

A组的CTDIvol、DLP及ED均值均明显低于B组，差异均具有统计学意义（P＜0.05）（表2）。两组方案进行三维重建结果比较，见图1。

表2 两组CT辐射剂量对比结果

图1 两组CT扫描方案完成胸腹主动脉及肾动脉CTA三维重建结果比较

2.3 两组胸腹主动脉及肾动脉3D建模质量的主观评分

两组患者胸腹主动脉及肾动脉3D建模质量的主观评分均在3分及3分以上，完全满足临床诊治的需求，差异无统计学意义（P=0.752）。两名泌尿外科医师的主观评分一致性为良好（Kappa=0.713，P＜0.001）。（表 3、图 2）。

表3 两名泌尿外科医师对胸腹主动脉及肾动脉3D建模质量的一致性分析

图2 两组CT扫描方案完成胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印结果比较

3 讨论

随着3D打印技术在临床诊疗中的日益推广，胸腹主动脉及肾动脉3D打印可形象、逼真的显示胸腹主动脉及肾动脉解剖结构及常见病变，可有助于手术方案的制定、模拟手术过程、指导临床教学以及增进医患沟通提供新的方法[8]。然而，在获取CT DICOM数据时，CT扫描所带来的高辐射剂量危害，日益引起人们的关注，在某种程度上限制了3D打印技术在临床上的推广。近年来，低剂量CT扫描技术在国内外临床实践中均有运用，然而该技术在3D打印中却罕有报道。本研究通过探讨低剂量CT扫描技术在3D打印中的可行性，进而保证了3D打印技术在医疗领域的广泛推广，打消了3D打印技术给患者带来高辐射剂量危害的顾虑。

目前，低剂量CT扫描技术的方法主要有：降低管电压、降低管电流、减少Z轴扫描范围、缩短曝光时间，以及应用不同迭代算法等[9-11]。KV assist和ATCM技术均是智能降低辐射剂量的技术，这与当下流行的人工智能技术略有相似之处；KV assist技术可根据受检者的不同部位、检查目的及体型大小，参照预先设置好的图像质量水平，智能地计算出不同管电压下受检者所需的管电流基础值多少和变化范围曲线，并与CT机生成的CTDIvol相比较，自动筛选出较低、较适宜的kV值进行扫描[12]。ATCM技术是根据计算机系统参照CT定位相所检测到的受检部位和脏器的厚度、密度，并结合预先设定的图像噪声指数估算出扫描各层面所需要的管电流值，智能的进行管电流调节，进而得出较低、较适宜的mA值进行扫描[13]。通过上述技术，可智能化、个体化的降低患者所遭受的CT辐射剂量。

传统的FBP方法，是在较高的管电压、管电流进行的，在同样噪声允许的范围条件下，应用ASiR后，会大幅度的降低扫描时的管电压及管电流，从而减少患者所受的辐射剂量。FBP技术一直是传统CT影像重建技术，但当辐射剂量不足、噪声较大时，FBP重建图像质量有可能无法满足临床诊断需要。与FBP相比，ASiR具有可在数据不完整和低噪声比（低剂量）条件下获得更高质量图像的优点[14-15]。根据本课题组以往的研究结果证实，选用50%的ASIR算法进行数据补偿，发现在胸腹主动脉及肾动脉CTA图像上低剂量扫描方案与常规剂量扫描方案相比，两组胸腹主动脉及肾动脉CTA结果无显著差别[16-17]。本研究中，A组（低剂量组）较B组（常规剂量组）CT有效辐射剂量（ED）减少了5.81 mSv，辐射剂量下降约38.2%。而在最终胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印质量的主观评价中，发现采用两组方案完成的3D建模质量评分均在3分及以上，可较好的满足临床医生的需求，两组间无明显差异（P＞0.05）。同时，本研究经过泌尿外科医师和医学影像科医师共同商议，首次提出胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印质量的主观评分标准，为今后的此类研究提供了参考标准。

本研究着眼于3D建模打印的原因是，3D建模打印为3D打印前的最后一个环节，因此3D建模打印质量的好坏，直接决定着3D实物打印模型的质量，同时3D建模打印具有可重复性强、时间周期短、零材料消耗等优点，不仅节省了时间，避免了材料的浪费，同时为3D打印前的多次摸索提供了保障。此外，本研究尚存在一些不足之处：① 采用不同ASIR百分数值条件下，3D建模结果差异的比较，进而得出最佳ASiR百分数值获取的胸腹主动脉及肾动脉3D建模结果；② 本研究尚未考虑到对比剂用量的个体化问题，以及采用低浓度对比剂条件下进行3D建模打印的可行性。这些问题将在今后的研究中进一步论证。

综上所述，采用低剂量CT扫描技术生成CT DICOM数据行胸腹主动脉及肾动脉3D建模打印，可在保证3D打印质量的同时，大幅度降低受检者所受的CT辐射剂量。