一种用于验证胸腔LDCT-PCNB扫描参数模型的设计与应用

赵子健，李若梅，吴瑞祥，叶亮，沈雪芹，陆璐，魏夏红

1. 安徽医科大学附属合肥医院 影像科，安徽 合肥 230011；2. 中国科技大学 合肥离子医学中心 综合部，安徽 合肥 230011

引言

胸腔低剂量CT引导下经皮穿刺活检（Low-Dose CTGuided Percutaneous Core Needle Biopsy，LDCT-PCNB）是目前肺部占位活检的首选检查项目，而近年来LDCT技术和迭代算法的普及，使得低剂量活检穿刺研究进展迅速[1]。在已有的文献资料中可知，LDCT-PCNB在优化参数及扫描方法后，可极大程度降低辐射剂量[1-2]。研究显示，在极低剂量参数下，胸腔LDCT-PCNB仍然可以保证图像质量，不影响穿刺成功率[3]。但是以上种种研究均基于不同厂家、不同CT平台、不同重建算法，而且扫描优化的参数及重建方式差异极大，相互之间并不通用[4]。

1 材料与方法

1.1 设计LDCT胸腔穿刺参数验证体模

1.1.1 国内LDCT穿刺体模现状

目前，国内在CT体模实验方面研究相对较少，大多体模实验均为研究普通扫描或增强扫描[5]。体模实验在CT检查参数设置时有重大参考意义，一个CT的序列是否恰当、参数是否合适，首选各种体模实验获得先期参数，然后才能进行人体实验[6]。这样可以通过伦理检查，保护患者不受过量X线照射。目前，各CT厂家使用的体模均为含水体模，由于穿刺探针的材质是医用不锈钢或者医用钛合金，其密度远高于胸部其他组织[7]。实心的含水体模无法模拟穿刺活检状态，而且国内尚无成熟的LDCT-PCNB相关的体模产品与文献资料。

1.1.2 设计胸部LDCT-PCNB体模思路

CT成像的原理是通过X线的线性衰减，由阵列处理器计算重建出图像。经多个文献证实，LDCT-PCNB的辐射剂量有较大的降低空间，由于胸腔内肺组织是含气的高对比度器官，在平扫确定病灶后，低剂量扫描依然可以发现病灶，特别针对磨玻璃结节显示更佳，并能测量其病灶大小及几何关系[8]。之后计算得出穿刺的角度及距离，插入探针，获取病灶组织。但由于金属探针密度过高，在CT扫描中会产生放射状伪影，这种放射伪影与小病灶重叠时会遮盖小病灶。所以设计体模时有以下要求：① 充分模拟胸部空腔结构，合理显示穿刺针与病灶的几何关系；② 充分考虑X线在模型内的衰减过程，在各种剂量条件下仍可模拟穿刺状态；③ 可模拟病灶的不同性质、不同大小、不同位置，并适用于大部分CT机，且可反复使用。试验流程如图1所示。

图1 LDCT-PCNB体模测试的流程图

1.1.3 通过SKUP设计空腔LDCT-PCNB体模

根据1.1.2总结的要求，使用SKUP（SketchUp）设计穿刺体模。相对于Soildwork等传统建模软件，SketchUp的操作更加轻量化，而且建模简单，其缺点是没有平面计算机辅助设计绘制功能[9]。打开SketchUp，在x-z轴设定体模大小，y轴拉伸长度，使用形状和圆角等工具不断修正体模，并根据胸腔形状设定靶物质插槽、穿刺针插槽与标尺。具体流程如图2所示，其主要作用是模拟胸腔大体形状，并可以放置不同大小、性质的实性靶物质，穿刺插槽允许探针从不同角度、不同深度穿刺，并可以观察两者的几何位置关系。

图2 使用SKUP设计LDCT-PCNB体模全过程

1.2 通过熔融沉积制造技术3D打印制作实体模型

1.2.1 使用CURA对模型进行切片处理

将SketchUp制作得体模数据保存，并导出为立体光刻语言（STereolithography Language，STL）格式文件，STL是3D打印的通用格式，不同厂家的切片软件会进一步转换为专用格式[10]。这里使用的是Allcct-334 3D打印机，匹配CURA 3.0切片软件。考虑到该体模需要一定的精度保证测试准确性，在切片时参数选择为层厚0.1 mm，这增加了打印时间，为此将参数填充密度改为30%，可以在保证体模结构强度的前提下减少大量打印时间，节约打印材料。最后使用Netfabb软件检验模型完整度，导出为GCODE格式，文件的关键代码如图3所示。

图3 导出为TXT格式的LDCT-PCNB体模关键3D打印代码

1.2.2 通过Allcct334打印机制作体模实体

将导出的GCODE格式文件导入Allcct334打印机中，打印参数为：打印速度60 mm/s，移动速度120 mm/s，填充速度100 mm/s，喷头温度200℃，热床温度40℃，支撑类型为全部，平台附着类型为底层边线，回退速度30 mm/s，回退长度 3 mm，打印材料聚乳酸（Polylactic Acid，PLA），PLA材料是一种环保材料，由玉米颗粒制作而成，无毒可降解，成型后具有一定工程强度，不溶于水，并可反复使用，缺点是熔点低无法高温消毒[11]，打印过程如图4所示。

图4 基于熔融沉积制造技术打印LDCT-PCNB体模全过程

2 应用效果

2.1 将体模带入CT，不同参数下扫描，对比实验结果

2.1.1 质量剂量比

在实验之前，首先阐述一个剂量对比概念，目前的医学影像CT图像质量与辐射剂量的对比通常使用信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）、容积 CT剂量指数（Volume CT Dosimetry Index，CTDIvol）、剂量长度乘积（Dose-Length Product，DLP）、有效剂量（Dose-Length Product，ED）等一系列参数比较，非常繁琐[12]。CT的辐射剂量与图像质量不仅对立，更是统一的存在。这里引入“质量剂量比”（Image quality / Radiation dose）这一概念，是一种可以同时反映图像质量与辐射剂量关系的非刚量数值，资料显示，质量剂量比为CNR与CTDIvol比值的绝对值，这个数值与CNR成正比，与辐射剂量成反比[13]，其公式如式(1)所示。

式中 ，CTDIvol为容积CT剂量指数[14]，SI为取样CT值（HU），SD为取样的标准差 。

在后续的体模带入实验中，通过I/R，可以较为方便直观地计算出不同参数条件下的辐射剂量和图像质量的关系，并找出最佳的质量剂量比。这样可以快速比较多种LDCTPCNB扫描参数之间的差异，并对临床实际操作中的参数设定有一定指导作用。

2.1.2 体模实验，对比实验参数

使用GE（美国通用）Light speed 64 VCT，放入体模模型，设置进针角度与距离，设置病灶大小。分别使用文献里引用较多的两种不同的低剂量参数：参数A管电压为110 kV，自动毫安控制最大55 mA[15]；参数B管电压为100 kV，自动毫安控制最大20 mA[16]。其余参数相同：噪声指数12，ASiR设定：60%，螺距为0.984:1，层厚层距同为2.5 mm，视野为250 mm，靶组织选取30 mm ROI为SIα，边框选取30 mm ROI为SIβ。分别测量三次，获得不同SNR、CNR、ED[17-18]。计算不同组别质量剂量比，选取最佳配套参数。并对两者的I/R进行t检验（SPSS 17.0），实验结果如表1所示。

表1 两种LDCT-PCNB扫描参数的具体数值比较

通过数据可知，参数A与参数B均可以在一定程度上降低辐射剂量，但是参数A的图像质量客观评价要低于参数B。而且，通过I/R值计算，参数A的质量剂量比也远低于参数B。所以在胸腔LDCT-PCNB的体模实验中，参数B可以用更低的剂量获得更高的SNR和CNR，I/R远高于参数A。

2.2 LDCT-PCNB试验数据的实际应用

经过2.1.2的体模实验，得知参数B不仅质量剂量比较优，且体模实验图像符合穿刺要求，可以代入实际操作，进行临床穿刺。患者女，80岁，脑梗塞6个月，身体不适3日入院，CT检查可见胸腔右肺上叶占位，高度怀疑肿瘤。遂进行CT-PCNB，经过2次平扫定位后，代入参数B行LDCT-PCNB，再经过2次定位，穿刺成功，获得组织。病理检测为免疫组化标记（XIHC19181）：TTF-1（+）、CK7（+）、Napsin-A（+）、P40（-）、P63（-）、Ki-67（+，约 20%），确诊为腺癌。普通扫描和参数A扫描的单次各项结果及I/R的t检验如表2所示。

表2 CT-PCNB与LDCT-PCNB单次扫描实际结果具体数值比较

由结果可知，使用参数B的ED值比普通扫描降低了约25倍，I/R则远高于普通扫描，其可在大幅降低辐射剂量的同时保证图像质量。LDCT-PCNB体模在这一整套流程之中，起到检验、对比的作用。毕竟不同CT条件不一，贸然带入其他实验数据必然存在效果和伦理的问题[19-21]。使用LDCT穿刺体模，不仅可以在临床实践前检验这些参数，并可以在不同参数中对比计算出最优解。

3 讨论

CT引导下穿刺是一项相对成熟的技术，由于CT分辨率高、定位精确、价格便宜，研究显示CT引导下穿刺特别是胸部穿刺是活体穿刺检测的首选[22]。而且受到穿刺病灶位置、大小、方向、患者配合程度、医师自身穿刺技术限制，在穿刺过程中或多或少会重复扫描以校正探针方向,导致重复扫描，以上种种最终导致患者吸收CT辐射剂量过大[23]。在本研究中，先通过体模实验对不同的低剂量扫描参数进行比对筛选，再将筛选出的参数带入实际扫描中，其结果显示，验证过的参数扫描，不仅大幅度降低辐射剂量，而且图像拥有高质量剂量比。通过体模实验，最大程度避免了传统低剂量穿刺应用中，反复尝试重复扫描，减少患者辐射，提高辐射使用效率，减少伦理问题。

国内外已有多篇研究CT低剂量扫描的文献，从CT机的自身性能、kV、mA以及迭代算法等力图降低辐射剂量[21]。但是以上种种低剂量研究均是从普通胸部低剂量扫描直接移植参数，或者先有结果后有过程，罕有做过穿刺体模实验。在参考这些根据经验或者穷举的低剂量扫描参数时，考虑到不同医院机型条件各不相同，如何选择适合自己的参数、该参数是否在本CT上适用、直接引入该参数进行人体穿刺又是否符合伦理，有待斟酌。而使用体模实验可以无限次重复比较各种参数，在没有伦理限制的条件下，计算出适合本院CT机型的最佳低剂量参数。

4 总结

精准医疗，影像先行，对更低辐射剂量的追求一直是医学影像界的共识。在现有的大量低剂量CT引导胸腔穿刺研究中，不同机型、不同条件导致各个研究差异较大，后续学者在参考验证这些数值时，也受到机型、效果和伦理的限制。本研究提供一种可验证以上不同参数的模型，在没有伦理限制的情况下，通过体模实验和I/R计算出适用于本单位机型的最佳参数，有效地提高研究的便捷性和准确性。但不足的是，该模型材料为30%PLA，其密度有限，仍需改进其对射线的衰减程度。总而言之，在初步显示了LDCT-PCNB体模的使用价值后，有必要扩充研究数量，提供更多的数据证明该体模的可实用性。