低剂量CT扫描结合人工智能辅助髋关节置换术三维规划的可行性分析

裴锦奎 汪禾青 谢安杰 黄晋旺 张进慧 复旦大学附属中山医院厦门医院放射诊断科 （福建 厦门 361015）

内容提要：目的：探讨不同噪声指数（Noise Index，NI）行双下肢全长CT检查，对人工智能辅助全髋关节置换术（total hip arthroplasty，THA）三维规划关节的假体型号匹配度及辐射剂量的影响。方法：纳入50例拟行全髋关节置换手术患者，随机分为两组，每组各25例。观察组NI=16和对照组NI=8，其余扫描参数一致。比较两组规划关节型号与实际运用符合率及辐射剂量结果差异。结果：与对照组相比，观察组CT容积剂量指数降低了67%、剂量长度乘积和有效剂量降低了75%，差异均有统计学意义（P<0.05）。两组规划关节假体型号与实际运用一致性，差异无统计学意义（P>0.05）。结论：在人工智能辅助髋关节置换术三维规划中，低剂量CT扫描可在保证规划关节的假体型号匹配度情况下显著降低辐射剂量。

随着我国科学技术的进步、医保制度的不断完善和医疗技术的不断提高[1-4]，越来越多的晚期原发性或继发性骨关节炎患者、强直性脊柱炎患者、类风湿关节炎患者以及严重的股骨头缺血坏死、股骨颈骨折、髋臼发育不良、髋部肿瘤等患者接受了全髋关节置换手术，其目的主要是为了解除关节疼痛、改善关节功能和提高生活质量。全髋关节置换手术的术前规划中，模板二维测量意义非常重大[5]，需要拍摄髋关节正侧位X射线片以及双下肢全长X射线片来进行模板测量制定术前计划。随着信息时代的到来和信息化的发展，人工智能在生物医疗领域的运用越来越广泛，根据相关文献报道[6]，人工智能辅助全髋关节置换术前三维规划（采用双下肢全长CT扫描）与二维胶片模板术前规划相比具有更高的准确性和有效性。但其辐射剂量也随之有所增加。本研究旨在通过调整噪声指数来降低CT的辐射剂量，研究人工智能辅助髋关节置换术三维规划关节的假体型号匹配度影响。

1.资料与方法

1.1 临床资料

收集本院2019年1月～2022年12月50例行双下肢全长CT扫描的患者，随机分为观察组和对照组，每组各25例。观察组中男8例，女17例，年龄50～83岁，平均（65.92±8.83）岁，BMI为18.65～23.88kg/m2，平均（21.98±2.11）kg/m2；对照组中男10例，女15例，年龄30～88岁，平均（58.88±12.99）岁，BMI为18.73～23.83kg/m2，平均（22.46±1.41）kg/m2。

纳入标准：髋关节发育不良、股骨头坏死等准备进行全髋关节置换手术的患者。

排除标准：无法配合CT扫描者、髋关节或其他部位存在活动性感染者、髋外展肌肌力不足或丧失者。

1.2 方法

采用Canon Aquilion ViSION 320排CT行双下肢全长CT扫描，患者取仰卧位，足先进，脚尖内旋10˚～15˚，双手上举抱头，去除扫描区域内的所有金属物质，嘱患者在检查过程中身体保持不动；CT扫描参数：观察组NI=16，对照组NI=8，其余扫描参数均相同，管电压120kV，管电流采用自动管电流调节（CARE Dose 4D）技术，并且将管电流最小值设定为40mA,最大值设定为350mA，矩阵512×512，探测器宽度0.5×160，层厚1mm，层间距1mm，螺旋扫描，AIDR 3D重建方式。采用AIHIP JOINT（北京长木谷医疗科技有限公司科研平台）制定三维术前计划，测量并确认出髋臼杯（见图1）、内衬、球头、股骨柄型号（见图2）以及尖肩距、股骨截骨位置与小转子距离、股骨前倾角。以术中实际运用假体型号为金标准，三维术前规划假体型号（见图3）与术中实际运用假体型号进行对比，根据其符合情况分为0、1两个等级，其中0级代表不完全符合，1级代表完全符合。

图1.髋臼杯术前规划二维与三维效果视图

图2.股骨柄术前规划三维效果视图

图3.整体术前规划效果视图

1.3 观察指标

记录两组规划与实际运用假体型号、容积剂量指数（volume computed tomography dose index，CTDIvol）、剂量长度乘积（dose length product，DLP），根据DLP计算有效剂量（effective dose，ED），ED=DLP×k，其中换算系数k=0.015。

1.4 统计学分析

采用SPSS25.0统计学软件进行分析，符合正态分布的计量资料采用独立样本t检验，以±s表示，非正态分布采用Mann-Whitney U检验，以中位数和上下四分位数M（P25，P75）表示。采用χ2检验比较两组性别、假体型号差异。P<0.05为差异有统计学意义。

2.结果

2.1 两组患者一般资料比较

两组患者的性别、BMI及所患疾病差异均无统计学意义（P>0.05），年龄差异具有统计学意义（P<0.05），见表1。

表1.两组患者一般资料比较

2.2 假体型号匹配度

观察组的符合率为92.00%（23/25），对照组的符合率为96.00%（24/25），差异无统计学意义（P>0.05），见表2。

表2.规划关节假体型号与实际运用的一致性比较

2.3 辐射剂量

观察组CTDIvol 为2.50（3.69±3.28）mGy，低于对照组12.11（11.24±3.50）mGy； 观察组DLP 为301.70（293.54±54.23）mGy.cm，低于对照组1208.45（1191.04±352.38）mGy.cm；观察组ED为4.53（4.41±0.82）mSv，低于对照组18.13（17.87±5.29）mSv。差异均有统计学意义（P均<0.05），见表3。

表3.两组CT辐射剂量比较

3.讨论

较好的术前规划不仅能给临床医生减少手术时间，提高手术的成功率，亦可以减少患者术后的并发症[7]，因此术前规划就显得格外重要。现在普遍使用传统的胶片测量方法进行术前假体规划，但有些骨折患者无法进行配合完成相应的X射线检查，例如双下肢全长X射线片，且容易对患者造成二次伤害[8]，髋关节的解剖较为复杂，其功能较多，使用X射线胶片法二维术前规划没有办法很好地测量出髋臼的前后径，在二维角度下其放大率也存在着一定的误差[9]，操作者和患者的双重影响使得拍摄投照角度存在差异也无法准确反映股骨髓腔直径和小转子位置，加上股骨旋转和髋关节屈曲的影响、假体型号及种类不全等问题，术前规划常不准确，增加手术难度和手术时间，同时也增加了患者术后并发症。CT薄层扫描可以通过MPR、VR等强大的后处理技术重建出所需的不同方位的影像[10,11]，有效解决X射线胶片测量法所存在问题的同时，还能测量出偏心距、尖肩距、股骨截骨位置距离小转子距离、股骨前倾角、外展角、覆盖率等一系列数据，更好地重建出髋关节的生物力学，与胶片模板测量法相比具有术前规划更加精确、术中手术时间更短、出血量更少、术后并发症少等优点[12]。

本研究通过调整CT扫描参数的NI值显著降低了辐射剂量[13]，观察组和对照组假体型号匹配度均与吴东等[6]研究结果相近。髋关节病变最主要的为骨性结构的改变，人工智能深度学习术前规划对CT影像要求为1mm薄层扫描，矩阵512×512，便可实现对CT数据进行快速的三维重建、精准智能分割骨骼结构和判断截骨位置以及实现智能匹配髋臼杯和股骨柄，其主要是通过识别患者的骨性标志来进行三维重建和术前规划。CT图像质量的影响因素主要为图像对比度、空间分辨率、图像噪声和伪影等，其中噪声是图像质量的决定因素，其受管电压、管电流、图像重建方式及像素等因素的影响，观察组和对照组通过设定不同NI值对患者进行检查，这样可以预期图像噪声还可以保证图像质量，两组数据均满足人工智能术前规划对影像资料的需求，假体型号匹配度无统计学差异，且显著降低了辐射剂量。

目前一致认为放射学检查应当遵循“合理使用低剂量”（as low as reasonably achievable，ALARA）的原则，应做到对扫描参数进行优化，在满足临床需求的情况下允许存在一定的图像噪声，Kalra等也提出放射学检查不应该一味降低噪声[14]，这样一来就可以尽可能的降低辐射剂量。降低CT辐射剂量的方法很多，例如降低管电压、降低管电流、增大螺距、增加图像噪声等。在双下肢CT检查中，扫描范围从髂棘水平到足底部，骨盆处组织体厚大、结构多；大腿及小腿组织体厚小、结构少，在扫描范围内组织体厚和结构分布不均匀。在优化扫描参数来降低辐射剂量的过程中，由于双下肢这种体度及组织密度的差异性较大，管电压、管电流等扫描参数的设定难以把控，需在图像质量和辐射剂量之间取得平衡，通过单纯调整管电压和管电流等方法可能效果不佳。NI值的调整常运用在自动管电流调节技术中，其在体厚大的地方输出的管电流大，在体厚小的地方输出的管电流小，这样一来保证了双下肢CT扫描噪声一致性且提高了图像的质量，同时又减少不必要的辐射剂量，因此本研究就运用了自动管电流调节技术和调整NI值来有效地降低辐射剂量。

当然，本研究也存在着一些不足之处，比如相对于X射线检查来说，CT检查的费用相对较高，相对于X射线胶片测量法来说，人工智能术前规划所需的耗时更长，这些有待进一步的完善和优化流程。

综上所述，对于髋关节术前规划而言，低剂量CT扫描结合人工智能的术前规划能够更加准确和全面的为临床医生提供术前数据，减少手术难度和时间，最主要的是减少患者术后并发症，低剂量的检查方式能够有效减少患者的辐射剂量，这种低剂量的CT检查结合人工智能的术前规划方案是值得进一步推广和运用的。