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.pdf

收稿日期 2020-06-25摇 修回日期 2020-11-06作者单位 南京医科大学附属儿童医院 放射科,江苏 南京 210008作者简介 牟道远(1989-),男,初级技师.通信作者 刘摇 鹏,副主任技师.E鄄mail:809500592 文章编号 1000鄄2200(2023)05鄄0625鄄05影像医学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,王摇 颖,张摇 见,刘摇 鹏摘要目的:探讨低参数设置和改良体位对学龄前儿童肘关节 CT 扫描图像质量及辐射剂量的影响。方法:前瞻性连续采集行肘关节 CT 检查的 1 5 岁患儿 137 例,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 组管电压均为80 kV,A 组患儿患肢置于脊柱一侧,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毅,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。记录3 组患儿的 CT容积剂量指数(CT volume dose index,CTDIvol)和剂量长度乘积(dose length product,DLP),分别采用 iDose4和 IMR 算法进行图像重建,并对图像质量进行主观及客观评分。结果:组间比较显示,3 组患儿 iDose4图像的主观和客观评分均为 B 组 A 组 C 组(P A 组 C 组(P 0.05);组内比较显示,A 组和 C 组 IMR 图像的主观和客观评分均高于 iDose4图像(P 0.05)。3 组患儿CTDIvol 和 DLP 均为 A 组 B 组 C 组(P groupA group C(P group A group C(P 0.05).The CTDIvol and DLP in three groups were the group A group B group C(P 0.05).Conclusions:The CT scan of elbow in children is feasible under the affected limb is raised about 45毅 with self鄄made sponge pad,the摇摇摇affected limb is not in the same plane as the spine andsternum,the fixed tube current is 50 mAs,and the tubevoltage is 80 kV.The IMR reconstruction algorithm canfurther improve the image quality.Key words elbow;computed tomography;拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾拾radiation dose14摇 张琰,张红,郭军华,等.肌肉骨骼超声对痛风性关节炎的诊断意义J.中华内科杂志,2012,51(4):304.15摇 王楚彬,林腾,郑宝群,等.痛风性关节炎的肌肉骨骼超声表现及超声对其诊断意义J.临床医学工程,2014,9(7):823.16摇 张立峰,林炜,柯天.第一跖趾关节痛风性关节炎的超声特征及其诊断价值J.浙江临床医学,2015,17(11):1997.17摇 魏巍,曹博,朱盈俊.肌肉骨骼超声在血清阴性类风湿关节炎应用中的诊断价值J.现代实用医学,2016,28(6):817.(本文编辑摇 赵素容)526蚌埠医学院学报 2023 年 5 月第 48 卷第 5 期摇 摇 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摇 资料与方法1.1摇一般资料摇前瞻性连续采集 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 依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 摇方 法 摇所 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 伊 0.625,视野 200 mm 伊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毅(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 50mAs。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摇 观察指标摇1.3.1摇 图像质量客观评价摇分别选取 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/N5。1.3.2摇 图像质量主观评价摇由 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。逸3 分的图像被认为可以满足临床诊断需求6。1.3.3摇 辐射剂量测量摇从 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 volumedose index,CTDIvol)和剂量长度乘积(dose lengthproduct,DLP)。1.4摇 统计学方法摇 采用 t 检验、方差分析、q 检验和秩和检验。626J Bengbu Med Coll,May 2023,Vol.48,No.52摇 结果2.1摇 3 组患儿图像质量客观评价指标比较摇组间比较显示,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 A组 B 组(P 0.05)。组内比较显示,A 组、C 组患儿的肱骨内上髁层面和桡骨粗隆层面处 SNR 均为IMR 图像明显高于 iDose4图像(P 0.05)(见表 1)。2.2摇 3 组患儿图像质量主观评价得分比较摇组间比较显示,3 组患儿软组织窗和骨窗的 iDose4图像主观评分均为 C 组 A 组 B 组(P 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)(见图 3 5、表 2)。表 1摇 3 组患儿图像质量客观评价指标比较(x 依 s)分组n肱骨内上髁层面处 SNR摇 IMR摇 摇 摇 摇 摇 摇 iDose4摇 摇 摇 摇 摇 摇 t摇 摇 摇 摇 摇 P摇桡骨粗隆层面处 SNR摇 IMR摇 摇 摇 摇 摇 摇 iDose4摇 摇 摇 摇 摇 摇 t摇 摇 摇 摇 摇 P摇A 组488.11 依0.417.35 依0.349.890.0111.28 依3.079.07 依0.464.930.0513.04 依3.41*12.81 依0.31*0.450.05C 组447.54 依0.21*#6.03 依0.46*#19.810.019.74 依3.32*#7.12 依0.21*#5.220.01F288.17532.8511.393 114.75P0.010.010.010.01MS组内0.1090.17510.6610.120摇 摇 q 检验:与 A 组比较*P 0.05;与 B 组比较#P 0.05726蚌埠医学院学报 2023 年 5 月第 48 卷第 5 期表 2摇 3 组患儿图像质量主观评价评分比较(n)分组n软组织窗iDose4摇 摇 摇 IMR(5/4/3)摇 摇(5/4/3)ucP骨窗iDose4摇 摇 摇 IMR(5/4/3)摇 摇(5/4/3)摇ucPA 组4816/12/20 摇 23/15/10 2.02 0.05 19/9/2024/18/62.15 0.05 26/17/2*30/14/11.04 0.05C 组4413/9/22*#摇 22/12/10 2.54 0.0514/8/22*#22/11/112.27 0.05字211.414.0014.014.49P0.050.05摇 摇 q 检验:与 A 组比较*P 0.05;与 B 组比较#P 0.52.3摇 3 组患儿辐射剂量比较摇 3 组患儿 CTDIvol 和DLP 间差异均有统计学意义(P 0.01),其中 C 组 B 组 A 组(P 0.05)(见表 3)。表 3摇 3 组患儿辐射剂量比较(x 依 s)分组nCTDIvol/mGyDLP/(mGycm)A 组485.71 依0.2682.55 依7.41B 组454.58 依0.17*75.48 依6.64*C 组443.49 依0.43*#66.57 依5.69*#F612.1066.54P0.010.01MS组内0.09344.125摇 摇 q 检验:与 A 组比较*P 0.05;与 B 组比较#P 0.053摇 讨论摇摇自 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(下转第 632 页)826J Bengbu Med Coll,May 2023,Vol.48,No.5tumorigenesisJ.Anticancer Res,2018,38(11):6217.3摇 THOMAS M,KELLY ED,ABRAHAM J,et al.Invasive lobularbreast cancer:a review of pathogenesis,diagnosis,management,and future directions of early stage diseaseJ.Semin Oncol,2019,46(2):121.4摇 SUN YS,ZHAO Z,YANG ZN,et al.Risk factors and preventionsof breast cancerJ.Int J Biol Sci,2017,13(11):1387.5摇 DESSAI AS,DOMINGUEZ MP,CHEN UI,et al.Transcriptionalrepression of SIRT3 potentiates mitochondrial aconitase activationto drive aggressive prostate cancer to the boneJ.Cancer Res,2021,81(1):50.6摇 SHI Y,HE R,YANG Y,et al.Potential relationship between Sirt3and autophagy in ovarian cancerJ.Oncol Lett,2020,20(5):162.7摇WEI Z,SONG J,WANG G,et al.Deacetylation of serinehydroxymethyl鄄transferase2bySIRT3promotescolorectalcarcinogenesisJ.Nat Commun,2018,9(1):4468.8摇 ZHANG J,XIANG H,LIU J,et al.Mitochondrial Sirtuin 3:newemerging biologicalfunctionandtherapeutictarget J.Theranostics,2020,10(18):8315.9摇ZHANG S,ZHANG J,AN Y,et al.Multi鄄omics approachesidentify SF3B3 and SIRT3 as candidate autophagic regulators anddruggable targets in invasive breast carcinomaJ.Acta PharmSin B,2021,11(5):1227.10摇 XU LX,HAO LJ,MA JQ,et al.SIRT3 promotes the invasion andmetastasis of cervical cancer cells by regulating fatty acid synthaseJ.Mol Cell Biochem,2020,464(1/2):11.11摇 CHEN S,YANG X,YU M,et al.SIRT3 regulates cancer cellproliferationthroughdeacetylationofPYCR1inprolinemetabolismJ.Neoplasia,2019,21(7):665.12摇 CHEN H,ZHANG DM,ZHANG ZP,et al.SIRT3鄄mediatedmitochondrial unfolded protein response weakens breast cancersensitivity to cisplatin J.Genes Genomics,2021,43(12):1433.13摇 CHEN J,WANG A,CHEN Q.SirT3 and p53 deacetylation inaging and cancerJ.J Cell Physiol,2017,232(9):2308.14摇 AREFAN D,HAUSLER RM,SUMKIN JH,et al.Predicting cellinvasion in breast tumor microenvironment from radiologicalimaging phenotypesJ.BMC Cancer,2021,21(1):370.15摇 SCHMIDT JA,KNEPPER JE.The use of mouse mammary tumorcells in an in vitro invasion assay as a measure of oncogenic cellbehaviorJ.J Vis Exp,2019(148):e59732.(本文编辑摇 卢玉清)(上接第 628 页)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。参考文献1摇 马连菊,李武,付加珍.16 排螺旋 CT 肘关节外伤扫描方法的优化探讨J.西部医学,2011,23(7):1350.2摇 李克伟,戎帅,滕勇,等.3D 打印技术个性化手术治疗儿童DDHJ.中国矫形外科杂志,2019,27(5):465.3摇PEARCE MS,SALOTTI JA,LITTLE MP,et al.Radiationexposure from CT scans in childhood and subsequent risk ofleukaemia and brain tumors:a retrospective cohort studyJ.Lancet,2012,380(9840):499.4摇 钱伟亮,丰川,周丹静,等.FBP、iDose4和 IMR 重建算法对低剂量双下肢 CTA 图像质量的影响J.中国医学影像技术,2017,33(2):290.5摇 边传振,张楠,刘鹏,等.呼吸频率及螺距对儿童胸部 CT 检查图像质量及辐射剂量的影响J.中国临床医学影像杂志,2019,30(7):468.6摇 卞柳利,姚利华.64 排螺旋 CT 肘关节优化体位扫描技术的应用J.中国 CT 和 MRI 杂志,2017,15(6):145.7摇 赵飞,李磊,蒲进,等.双定位像结合 Care Dose 4D 和 Care kV技术在降低肺部 CT 辐射剂量的临床应用价值J.中华放射医学与防护杂志,2017,37(5):389.8摇 陈光文,赵黎明,彭盛坤,等.MSCT 薄层联合三维重组技术对局限性腹膜炎的诊断价值J.西部医学,2018,30(7):1041.9摇 袁知东,刘远健,江国银,等.双上肢均不能上举患者胸腹部CT 扫描技术改进J.中华放射学杂志,2010,44(2):198.10摇 NOMURA Y,HIGAKI T,FUJITA M,et al.Effects of iterativereconstruction algorithms on computer鄄assisted detection(CAD)software for lung nodules in ultra鄄low鄄dose CT for lung cancerscreeningJ.Acad Radiol,2017,24(2):124.11摇YUKI H,ODA S,UTSUNOMIYA D,et al.Clinical impact ofmodel鄄based type iterative reconstruction with fast reconstructiontime on image quality of low鄄dose screening chest CTJ.ActaRadiol,2016,57(3):295.12摇 徐健,陈军法,毛德旺,等.头颅 CT 扫描中心层面水当量直径估算体型特异性辐射剂量的可行性J.中华放射学杂志,2018,52(7):538.13摇 徐蕾,李惠民,程爱兰,等.儿童胸部 CT 检查极限低剂量的可行性J.中华放射医学与防护杂志,2018,38(6):416.(本文编辑摇 卢玉清)236J Bengbu Med Coll,May 2023,Vol.48,No.5