不同扫描体位和定位像方向对单髋关节CT图像及辐射剂量影响

蒋栋栋, 王亚囡, 周 蕾, 孙 澳, 吕国义*

1. 武汉市第四医院放射科, 湖北 武汉 430033;2. 华中科技大学同济医学院附属武汉儿童医院影像中心, 湖北 武汉 430017

由于多排螺旋CT(multi-row spiral computed tomography)在密度分辨率和显示病变空间关系方面的优势,临床上在髋关节的应用越来越重要[1]。但CT产生的电离辐射可能带来的健康问题已引起人们广泛关注[2]。CT自动管电流调制(automatic tube current modulation,ATCM)技术及蝶形滤波器(Bowtie filter)是保证图像质量的前提下能降低辐射剂量的有效手段[3,4]。ATCM系统及Bowtie滤波器的使用需要将患者置于扫描架中心,否则会对患者受到的辐射剂量及图像质量产生不利影响[5]。由于髋关节解剖部位的特殊性,在临床实际检查中行常规扫描时,以身体中轴线为中心,一侧髋关节偏离扫描架中心,在Bowtie滤过器作用下会增加图像噪声,而在以单侧髋关节为中心进行等中心扫描时,身体长轴会偏向健侧,ATCM系统有可能错误地计算患者的体型,从而增加患者辐射剂量。本文旨在探究选择不同扫描体位及定位像方向,对单侧髋关节患者辐射剂量和图像质量的影响,将ATCM系统与Bowtie滤波器合理运用,最大提升单侧髋关节CT检查收益风险比。

1 资料与方法

1.1 临床研究对象

选取2022年1月至2023年3月本院由于外伤行单侧髋关节CT检查的成年患者,18.5 kg/m2≤体质量指数(body mass index,BMI)≤27 kg/m2,排除髋关节肿瘤、金属内固定、严重骨质疏松及粉碎性骨折不能配合患者,将入组120例患者根据随机数字表分为4组,每组30例,其中男56例,女64例,年龄18～80岁,平均年龄(59±14)岁,左髋55例,右髋65例。本研究经伦理委员会批准(伦审字号:KY2022-102-01)。

1.2 扫描方法

使用GE Revolution CT,患者仰卧头先进,水平定位线为腋中线。扫描范围髋臼上缘5 cm至股骨中上1/3处。定位像投照方向0°(X线管球位于检查床正上方即前后位)、90°(X线管球位于患者左侧即右侧位)、270°(X线管位于患者右侧即左侧位),A组常规扫描以身体正中线作矢状垂直定位线,定位像方向采用0°+ 90°,扫描视野(scan field of view,SFOV)选择大体型(large body)Bowtie滤波器,见图1(a);其余三组均行等中心扫描,即以患侧髋关节为中心,将髂前上棘与耻骨联合连线中点作矢状垂直定位线,SFOV均选择小体型(small body)Bowtie滤波器,其中B组定位像采用前后位+侧位,侧位选择X线管方向靠近身体长轴的定位像,如左髋关节侧位定位像方向选择270°,右髋关节侧位定位像方向选择90°,见图1(b);C组定位像采用前后位+侧位,侧位选择X线管方向远离身体长轴的定位像,如左髋关节侧位定位片方向选择90°,右髋关节侧位定位片方向选择270°,见图1(c);D组定位像X线管球方向采用0°,见图1(d)。4组共同参数如下:定位像参数管电压120 kV,管电流10 mA。螺旋扫描参数:管电压120 kV,管电流均使用ATCM,参考管电流120～650 mA,噪声指数(noise index,NI)8,探测器宽度40 mm,螺距0.516∶1,旋转时间0.5 s,层厚5 mm,迭代指数(ASIR-V)前置30%,后置60%,重建算法使用标准重建。

图1 各组右髋关节CT扫描示意图

1.3 图像质量客观评价

将扫描图像(如图2所示)传至Philips Extended Brilliance后处理工作站。由一名有5年以上图像处理经验技师分别测量横断层图像中股骨头骨皮质CT值(CT骨)、周边正常肌肉CT值(CT肌)及标准差(SD肌),选取感兴趣区(region of interest,ROI)面积30～50 mm2,避开肌肉间隙及骨折区域,测量3次取平均值,图像客观噪声=SD肌肉均值,信噪比(SNR)=CT肌/SD肌,对比信噪比(CNR)=(CT骨-CT肌)/SD肌。

图2 各组患者髋关节CT扫描定位像

1.4 图像质量主观评价

由2名具有10年以上骨关节诊断经验医师在工作站上对120例患者图像进行独立评价,2名医师在不知道患者资料、图像扫描方法等情况下对图像主观噪声、伪影和诊断信心度进行分级评分[6]。图像主观噪声评估在软组织窗口设置(窗宽400 HU,窗位40 HU)中进行,以5分制对图像主观噪声(1=最小图像噪声,2=低于平均图像噪声,3=平均图像噪声,4=高于平均图像噪声,5=不可接受的图像噪声)进行评估。条纹伪影按4分制进行分级(1=无伪影;2=不干扰诊断决策的次要伪影;3=影响主要结构可视化的主要伪影,仍可诊断;4=影响诊断信息的伪影)。除了默认的窗宽和窗位外,诊断医生可以根据他们的舒适度来改变窗宽和窗位进行诊断评估,诊断信心度以4分制评价(1=完全自信;2=可能自信;3=仅对有限的临床情况有信心,如明显错位骨折;4=信心较差),二者意见不同时需要再次阅片最终达成一致。

1.5 辐射剂量记录

记录CT每次扫描后自动生成的辐射剂量报告数值,包括CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)。

1.6 统计学分析

各组数据经整理后,录入SPSS 25.0软件包进行统计学分析。性别构成比采用χ2检验,年龄、BMI、扫描长度、图像客观噪声、SNR、CNR、CTDIvol、DLP的比较采用单因素方差分析,图像质量主观评分采用Kruskal-Wallis秩和检验,若总体存在差异,则采用Bonferroni法进行组间两两比较,以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料统计结果

各组患者间的性别、左右侧髋关节、年龄、体质量指数、扫描长度差异均无统计学意义(均P>0.05)。见表1。

表1 各组一般资料比较

2.2 患者图像质量客观评价及辐射剂量统计结果

各组患者单侧髋关节客观噪声(SD)、SNR、CNR、CTDIvol、DLP的差异有统计学意义(均P<0.01),组间两两比较显示,C与D组间的差异无统计学意义(均P>0.05),其余组间两两比较各项均有统计学差异(均P<0.01)。见表2。

表2 各组图像质量客观评价及辐射剂量比较

2.3 患者图像质量主观评价评分统计结果

各组患者在图像主观噪声、条纹伪影及诊断信心度评级中的差异均无统计学意义(均P>0.05)。见表3。

表3 各组图像质量主观评价比较

3 讨论

CT对于外伤性髋关节损伤的诊断具有重要作用,尽管四肢辐射敏感性低,但在不影响图像诊断的前提下降低患者的辐射剂量一直是放射人员的目标[7]。使探测器数据均匀化,蝶形Bowtie滤波器被应用于调制X线束,该滤波器特有的凹面体结构能使周边射线随角度增大而增加滤过效果,中心射线滤过效果最低,从而实现剂量减少。不同SFOV的Bowtie滤波器具有不同的X线滤过效率,同样的条件下小体型SFOV比大体型平均减少19.4%辐射剂量[8]。在A组进行常规扫描时,患侧髋关节偏离扫描中心,为保证获得较大的SFOV会使用滤过效率较低的大体型Bowtie滤波器,而BCD三组等中心扫描时,患侧髋关节位于中心,可选择最小SFOV高效率的小体型Bowtie滤波器。因此常规扫描患者不仅会受到更多的辐射剂量,同时偏离中心的患侧髋关节会与Bowtie滤波器较厚部分重叠,使图像噪声过大,甚至产生条纹伪影。本研究结果,A组图像质量客观评价(SD、SNR、CNR)低于其他等中心三组,且CTDIvol及DLP明显高于C、D组,之间均有统计学差异(均P<0.05),说明等中心扫描在相对较低的辐射剂量下,能保证良好的图像质量,这与闫士举等[9]及肖梦强等[10]的研究结果一致。另外,在等中心扫描时生殖腺处于Bowtie滤波器的高滤过区,Euler等[11]发现患者偏离中心的边缘区域在高滤过效率Bowtie滤过器作用下不会额外增加散射辐射。由此可见,等中心扫描是单侧髋关节CT检查的首选方式。

ATCM系统是CT中剂量优化同时保持图像质量的最重要创新之一,该技术可根据不同位置的衰减信息自动调节管电流强度,能在保证图像质量的同时减少辐射剂量[12],但只有少数研究者关注准确的ATCM系统性能[13]。GE设备的ATCM系统是基于最后一次采集定位像的数据,沿着定位像投影方向测量几何宽度及X线的衰减,然后通过复杂的算法估计不同位置的最优管电流,保证图像处于同一噪声水平[14,15]。因此,最后一次采集的定位像信息决定了能否合理应用ATCM系统,刘丹丹等[16]也认为不同的定位像方向会显著影响CT图像质量和辐射剂量。本研究将B、C、D组在以患侧髋关节为中心进行扫描时,患者整体处于偏中心位置,应用ATCM系统不当会增加辐射剂量[5,17]。当B组侧定位像[图2(b)]选择X线管球靠近身体长轴的方向时,会使身体在侧面的几何投影相对常规体位的侧定位像[图2(a)]明显放大,ATCM系统会高估患者体型,导致较高的管电流,患者会受到比实际需要更多的辐射剂量;当C组侧位定位像[图2(c)]X线管球选择远离身体长轴的方向时,在侧位的几何投影相对常规略缩小,ATCM系统会制定相对较低的管电流;在D组使用0°定位像[图2(d)],ATCM系统仅选取的是患者前后方向的信息,能相对正确地预估患者体型,从而使用合适的管电流。

比较B、C、D三组等中心扫描模式结果,B组辐射剂量明显高于C、D两组,D组略低于C组,因为人体结构侧位定位像X线衰减大于正位,所以基于正位定位像的辐射剂量要低于侧位定位像[18],但本研究C、D两组之间辐射剂量差异无统计学意义(P>0.05),这两组相近的辐射剂量导致两组间的图像质量亦无统计学差异(P>0.05),即可以认为C、D两组扫描方案在单侧髋关节扫描中的效果是一致的。由于C、D两组方案辐射剂量整体降低16%～35%,在同一图像重建算法下,不可避免会导致两组的图像质量客观评价低于B组,因噪声与管电流平方根成反比,B组相较于C、D组增加的辐射剂量,所提升的图像质量影响较小,同时B、C、D三组在图像质量主观评价中各项指标的差异并无统计学意义(P>0.05),表明C、D两组与B组图像质量客观评价上的差别并不影响医生的诊断,整体图像质量完全能满足临床。即前后定位像或选择X线管球远离身体长轴的侧位定位像是单侧髋关节等中心扫描时的最佳定位像方向。

本研究尚存在一些局限性,一是未选取BMI超过27 kg/m2肥胖患者;二是由于各厂家的ATCM系统算法技术原理和设计存在差异,本研究结论是否适用于其他厂家还需进一步探究。

综上所述,在基于最后一次采集定位像信息的ATCM系统中进行单侧髋关节多排螺旋CT扫描时,推荐等中心扫描方案同时选择小体型扫描视野的高效率Bowtie滤波器,将前后定位像或选择X线管远离身体长轴的侧位定位像作为最后一次执行计划,能保证单侧髋关节图像质量的同时进一步优化辐射剂量,对减少受检者不必要辐射暴露具有积极的临床意义。