不同重建算法对儿童肘关节低剂量CT扫描图像质量的影响

牟道远,边传振,王 颖,张 见,刘 鹏

肘关节外伤在儿童中非常常见,临床常采用普通X线片检查明确诊断,但肘关节结构复杂,外伤后常处于被动体位,且儿童X线片检查配合度低,因此较难获得标准正侧位图像,难以发现某些隐匿性骨折[1],易漏诊而造成严重后果。CT能够清晰显示肘关节的细微骨折,在临床的应用越来越广泛,尤其是近年来3D打印技术的发展,某些已明确骨折需要手术的患儿也需CT检查,以便进行手术模拟及手术方案的制定[2]。但人们对CT带来的辐射危害也越来越重视,研究[3]表明,儿童所受累计超过50 mGy辐射剂量,罹患白血病的风险会增加3倍,超过60 mGy,罹患脑肿瘤的风险也会增加3倍。为了降低电离辐射风险,同时得到准确的临床诊断,应选择最合适的体位、扫描参数及重建算法进行儿童肘关节CT检查[4]。近期,CT重建算法成为业内各界研究的焦点并取得良好成果,低剂量扫描结合全模型迭代重建(IMR)或混合迭代重建(HIR) iDose4技术相对于常规剂量扫描滤过反投影重建技术,在不损害图像质量的情况下能大量降低胸腹部及血管造影CT检查的辐射剂量[4]。但这2种重建算法对儿童肘关节低剂量CT图像质量的影响未见报道,本研究探讨IMR和iDose4重建算法对不同低剂量扫描条件下儿童肘关节CT扫描图像质量和辐射剂量的影响。现作报道。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性连续采集2018年6月至2019年6月在我院行肘关节CT检查的1～5岁患儿137例,其中男70例,女67例,年龄(3.47±0.55)岁。采用随机数字表法将患儿分为A组48例、B组45例和C组44例。3组患儿性别、年龄、扫描范围及体质量等临床资料均具有可比性。本研究通过医院伦理委员会审批后进行。

1.2 方法 所有患儿均采用荷兰飞利浦Brilliance128iCT进行数据采集,扫描前不配合患儿行水合氯醛镇定(1 mL/kg),检查前去除患儿身上能产生伪影的异物,用铅衣遮挡患儿其他非投照部位。扫描时患儿仰卧,使患儿身体偏向健侧,尽量使患侧肘关节置于扫描中心,采用正位定位像从肱骨远端至尺桡骨近端一次完成扫描,扫描管电压80 kV,使用机器推荐螺距(0.914),X射线管旋转1周0.33 s,探测器64×0.625,视野200 mm×200 mm。A组患儿患肢置于脊柱一侧,手心向上,手臂尽量伸直,采用DoseRight技术;B组患儿患肢采用自制海绵垫抬高约45°(见图1～2),使患肢与脊柱和胸骨等不在同一平面内,采用DoseRight技术;C组患儿扫描体位同B组,采用固定管电流50 mAs。扫描完成后所有扫描数据分别采用IMR和HIR iDose4重建出层厚1 mm、层距1 mm的骨窗和软组织窗CT图像,其他横断位、矢状位和冠状位图像均在原始数据基础上进行重组。

1.3 观察指标

1.3.1 图像质量客观评价 分别选取iDose4图像和IMR图像肱骨内上髁层面和桡骨粗隆层面CT图像内侧肌肉(靠近脂肪一侧)区域20～50 mm2区域为感兴趣区(ROI),测量该区域的CT值(S)和CT值标准差(N),其中S作为信号值,N为噪声值,计算信噪比(SNR)=S/N[5]。

1.3.2 图像质量主观评价 由CT诊断室一位副主任医师和一位主管技师为观察者,对所得图像依据骨小梁结构、骨皮质清晰锐利度和软组织层次的显示清晰度进行5分制评分。图像质地细腻,噪声少,组织结构及细微骨折线显示清晰,对比度良好,完全满足诊断需求者计5分;图像质地较细腻,噪声不大,组织结构及细微骨折线尚能显示清晰,对比度尚可,能用于临床诊断计4分;图像质地一般,噪声稍大,组织结构及细微骨折线显示欠佳但依稀可见,能基本满足临床诊断计3分;图像质地差,噪声较多,组织结构及细微骨折线显示不清,不能满足诊断需求计2分;图像质地很差,噪声多,组织结构及细微骨折线完全无法显示,完全没有临床价值计1分。观察者打分不一致时,由观察者商议决定最终得分。≥3分的图像被认为可以满足临床诊断需求[6]。

1.3.3 辐射剂量测量 从CT机自动生成的辐射剂量报表获得患儿的CT容积剂量指数(CT volume dose index,CTDIvol)和剂量长度乘积(dose length product,DLP)。

1.4 统计学方法 采用t检验、方差分析、q检验和秩和检验。

2 结果

2.1 3组患儿图像质量客观评价指标比较 组间比较显示,3组患儿肱骨内上髁层面和桡骨粗隆层面处iDose4算法、IMR算法图像SNR均为C组0.05)(见表1)。

表1 3组患儿图像质量客观评价指标比较

2.2 3组患儿图像质量主观评价得分比较 组间比较显示,3组患儿软组织窗和骨窗的iDose4图像主观评分均为C组0.05)。组内比较显示,A组、C组患儿软组织窗和骨窗处的IMR图像主观评分均优于iDose4图像(P<0.05),B组IMR和iDose4图像主观评分差异均无统计学意义(P>0.05)(见图3～5、表2)。

2.3 3组患儿辐射剂量比较 3组患儿CTDIvol和DLP间差异均有统计学意义(P<0.01),其中C组

表3 3组患儿辐射剂量比较

3 讨论

自动曝光控制(automatic exposure control,AEC)能降低CT检查的辐射剂量并且保证较好的图像质量。飞利浦公司的DoseRight技术属于AEC的一种,DoseRight的自动毫安调节功能能够依据CT扫描定位像所确定的病人体型、受检部位和X线的衰减情况实时进行相关计算,依据参考管电流的设置情况采用上下浮动的方式提前给出每一层CT图像适当的曝光量,因此DoseRight技术能优化扫描条件,在降低输出剂量的前提下保证满足诊断的图像质量[7];纵向输出剂量动态调节功能主要体现在对Z轴方向管电流的实时调节上[8];轴向输出剂量动态调节功能主要体现在横断面管电流的调节上,由此可见,在儿童肘关节CT检查时不同摆放体位会对CT扫描仪的输出剂量产生影响并间接影响图像质量和辐射剂量。

本研究中,A组和B组患儿均采用80 kV管电压和DoseRight技术进行检查,但A组无论是iDose4图像还是IMR图像质量均较B组差,另外A组患儿DLP也较B组高,说明将患肢抬高使之不与脊柱及胸骨等在同一平面内能够提高肘关节CT图像质量、降低辐射剂量。可能原因包括:(1)A组患肢与脊柱处于同一平面内,增大了定位像扫描区域的平均密度及厚度,管电流通过自动调节增大了输出量[9];(2)A组患肢与脊柱处于同一平面内在左右射线投照方向上骨质密度增大,导致X线吸收增大,同时也增大了线束硬化伪影,从而影响图像质量。C组患儿采用80 kV、固定管电流进行扫描,所得图像质量较B组差但能满足诊断需求,而C组DLP较B组低13.4%,说明B组患儿的平均管电流高于C组,多出的辐射剂量虽然提高了图像质量,但对于对辐射敏感的患儿来说,提高的图像质量并不十分必要。

本研究对一组数据采用了iDose4和IMR算法进行重建,所得图像均能满足诊断需求。iDose4重建属于部分迭代重建法,它在投影空间和图像空间进行基于双模型(噪声模型、解剖模型)的迭代运算,其中噪声模型主要用来提高图像质量,解剖模型主要用来提高重建速度;该算法能消除低光子伪影,大幅度提高重建图像的空间分辨率及密度分辨率,最大限度降低图像噪声的同时,能保证较快的运算速度[7],因此iDose4能较好地弥补因降低管电流所带来的一系列负面影响,但iDose4的重组模型大都基于较简单的统计学原理,缺少与多模型的系统的全面对比校正。另外,iDose4技术中还含有滤波反投影的成分,这些都限制了其对图像质量的改善效能[8]。IMR技术是使用多模型的完全迭代重建算法,是基于统计和系统模型精确测定的数据和图像的统计模型,考虑到了焦点尺寸、X线束宽度、体素大小、探测器像素尺寸和光束及探测器间的相互作用等因素,能全面在数据空间和图像空间对统计和系统模型进行优化,从而更精确地还原扫描信息,在抑制噪声的同时能提高图像分辨率。研究[10]表明,在行低剂量胸腹部及大血管造影CT扫描时IMR算法图像质量均优于iDose4算法,特别是对于噪声的抑制。本研究中,B组患儿的IMR图像客观和主观得分与iDose4图像差异无统计学意义,A、C组患儿IMR图像质量均高于iDose4图像,说明IMR重建算能够改善低剂量条件下肘关节图像质量,这与YUKI等[11]报道相一致。

综上,在儿童肘关节CT检查时使患侧抬高不与脊椎在同一平面内能够降低辐射剂量同时提高图像质量;在80 kV、固定50 mAs条件下对儿童肘关节CT扫描是可行的,再结合IMR重建算法能够进

一步提高图像质量,这为进一步降低扫描管电流提供了条件,今后我们会尝试采用IMR算法在更低管电流条件下进行肘关节扫描。同时,本研究为进一步降低肘关节CT辐射剂量开辟了新思路,在儿童肘关节CT检查时不一定要拘泥于自动曝光控制提供的最优扫描条件,CT技师应注重手动控制及个性化扫描方案的设计,在满足诊断需求的前提下最大限度降低患儿辐射剂量。

本研究的不足之处在于:(1)图像质量主观评分与观察者的读片习惯与倾向有关,评分结果可能存在争议;(2)未对辐射剂量进行实际测量,研究中所获得的CTDIvol为机器自动给出,可能与实际有/或不相符;(3)有研究[12-13]显示,CTDIvol和DLP评估患儿CT检查时受到的辐射剂量并不准确,目前人们尝试采用体型特异性剂量估算值来评估患儿辐射剂量,但肘关节用这种方法评估存在困难,今后我们会对这方面进行深入研究。