VHS技术髌骨4D运动轨迹80 kV低剂量成像中管电流参数的优化探讨

杨宝军，席建平，赵春丽，马新，张玲惠，王阿娇

宝鸡市中医医院 a.CT室；b.妇产科，陕西 宝鸡 721001

引言

近年来的研究表明髌骨运动轨迹在髌股关节不稳的诊断中有着举足轻重的作用[1-4]，而CT动态500排容积螺旋（Volume Helical Shuttle，VHS）技术能通过扫描床的往复运动，最大程度的采集到关节活动的整个数据，为捕捉髌股关节4D运动轨迹提供了有效、便捷的方法[3-5]。但该技术扫描的时相多，成像的Z轴范围过大，明显增加了检查的辐射剂量，使患者细胞和分子水平的致癌及遗传效应风险大增[6-7]。如何既可有效降低辐射剂量，又能保障图像质量是CT研究的热点及发展方向。基于目前对VHS技术髌骨4D运动轨迹的低剂量成像研究方案较少，本研究以WHO提出的ALARA（As Low As Reasonal Achievable）为原则[6]，采用80 kV超低管电压，探讨不同管电流下的图像质量，以期获取最佳的成像参数。

1 资料与方法

1.1 临床资料

严格依据纳入标准及排除标准，选择2017年1月至2019年7月临床拟诊髌股关节紊乱患者72例，其中男性19例，女性53例；年龄18～53岁，平均年龄（35.08±11.41）岁；发病周期（5.49±2.36）年。所有患者按动态随机法分为A组（自动mA组）、B组（100 mA组）、C组（80 mA组）共3组，每组各24例，各组患者的年龄、发病周期等一般资料经检验无统计学差异。

纳入标准：① 年龄≥18岁；② 膝关节无骨折、占位及手术史，无较多的关节腔积液；③ 经过严格的膝关节屈伸训练后能掌握动作要领、高度配合。排除标准：① 具有明显的膝关节内外翻畸形；② 膝关节伴有严重的骨性关节炎、滑膜炎、关节结核等病变；③ 患者主观上不能掌握及完成扫描规定的动作，或客观上因疾病所限不能完整、按时完成规定动作；④ 患者及家属对辐射敏感，过于纠结不同扫描方案间的辐射剂量差别等。本研究经医院伦理委员会批准，所有患者均知情同意。

1.2 检查仪器与方法

使 用GE公 司Healthcare Optima CT660 64排128层螺旋CT扫描仪，患者检查时取仰卧位，脚先进，用铅衣（毯）遮蔽颈胸腹等非扫描部位，腘窝下垫三角垫，双膝及双足并拢后于中立位用束缚带固定。开始扫描前反复对病人进行双膝关节屈膝运动训练：首先膝关节完全伸直，然后以腘窝下的三角支撑垫为活动轴，股骨远端保持不动，双小腿缓慢、准匀速屈膝，并保证其一个屈膝动作于20 s内完成，尽量做到无明显的左右侧移及往复运动。扫描定位采用0°正位像，120 kV、10 mA，双膝完全伸直，以髌骨为中心，从髌骨上缘3～5 cm至胫骨粗隆下2 cm；令患者开始缓慢屈膝时即可启动扫描。扫描参数：VHS扫描模式，管电压80 kV，层厚5 mm，穿梭7～10个时像，每次穿梭时间为2 s；A组采用自动管电流调制技术（Automatic Tube Current Modulation，ATCM)，预设噪声指数（Noise Index，NI）为20，mA波动区间10～300 mA；B组采用100 mA手动固定管电流；C组采用80 mA手动固定管电流。扫描后进行0.625 mm的层厚减薄，标准算法重建。将所有数据传至AW 4.6工作站，各组图像均行2D多平面重组（Multiplanar Reconstruction，MPR），3D曲面重建（Curve Planar Reconstruction，CPR）及容积再现（Volume Rendering，VR），于冠状位、矢状位及横轴位连续动态观察，并使用4D Body Shuttle软件重建出膝关节屈曲活动、显示并勾画出髌骨的4D运动轨迹。

1.3 图像的评价

1.3.1 客观评价方法

主要对图像的噪声、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）进行客观测量：软组织窗上对股骨髁上、髌骨中部、胫骨粗隆水平层面的前区（股四头肌）及后区（半膜肌）以拷贝感兴趣区（Region of Interest，ROI）的方法进行测量。CT值表达图像上的组织密度，代表着采集的信号强度，标准差（Standard Deviation，SD）作为图像噪声，体现其不均匀性，两者的比值作为SNR，记录平均值。

1.3.2 主观评价方法

由2名长期从事CT诊断工作的副主任医师使用相同的窗宽和窗位分别对轴位图像及髌骨4D运动轨迹图像的软组织窗及骨窗进行综合分析，并根据检查目的对图像主观评价达成一致性评分。评分标准参考Kalra等[8]和Johnson等[9]的方法并适当改良，采用4分评价法：4分指图像解剖结构清晰、边界锐利，图像没有或仅有少许的颗粒感，密度均匀、无伪影，视觉感受良好，图像质量为优；3分指图像有轻度的颗粒感，但图像密度尚均匀，解剖结构边界清楚或稍模糊，视觉感受一般，图像质量为良；2分指图像有中度的颗粒感，能显示骨性解剖结构，但软组织边界模糊，密度不均，通过窗宽窗位的优化调节在视觉上可以接受，图像质量为合格；1分指图像颗粒感明显、较粗大并不均匀，骨性解剖细微结构显示不清、边界模糊，或伪影明显，通过窗宽窗位的优化调节后视觉感受不佳，图像质量为差。

1.4 辐射剂量及A组管电流变化

患者完成检查后，记录SR图像序列中显示的容积CT剂量指数（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）等数据，以DLP数值来评估三组患者的检查辐射剂量。对A组实际输出的mA值进行统计，选择股骨髁上、股骨侧髁、股骨髁间、半月板、胫骨侧髁、胫骨粗隆层面为横坐标，各层相应的mA输出值为纵坐标，绘制曲线图，观察mA变化趋势。

1.5 统计学分析

所有数据采用SPSS 22.0统计软件进行分析。计量资料用均值±标准差（±s）表示，三组间的差异采用方差分析，方差齐性检验后对符合要求的进行单因素方差分析，对有意义的变量采用LSD法两两比较。以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 A组实际mA输出值的变化

A组预设mA值范围是10～300 mA，实际输出mA值为（155.36±28.83） mA。由具体数值变化及趋势可知半月板层面mA输出最低，股骨侧髁、髁上mA输出较高，整体趋势呈“V”形改变（图1）。

图1 A组管电流变化趋势图

2.2 辐射剂量比较

在80 kV相同管电压条件下，A组采用ATCM技术，DLP为（447.23±30.16）mGy.cm，B组采用100 mA管电流曝光，DLP为（266.12±25.27）mGy.cm，较A组辐射剂量下降了40.51%，C组80 mA管电流，DLP为（178.89±28.33）mGy.cm，辐射剂量最低，分别较A组及B组辐射剂量下降了60.01%及32.78%；经单因素方差分析有统计学意义（表1）。

2.3 图像质量比较

A组图像噪声12.32±3.56，B、C组图像噪声较A组显著升高，分别为20.95±4.11和24.37±5.76，具有统计学意义，C组图像噪声较B组增高约16%，经LSD检验无统计学差异。三组图像的信噪比依次降低，经检验A组与B组、C组之间存在明显差异，B组与C组间差异无统计学意义。三组图像骨窗评分相近，软组织窗评分有一定差异，综合评判后A组评分较高（3.02±0.16）分，B组及C组评分依次降低，分别为（2.86±0.78）、（2.63±0.94）分；三组间经检验差异无统计学意义（表1、图2）。

图2 不同mA图像的骨窗及软组织窗

3 讨论

3.1 VHS技术4D髌骨运动轨迹低剂量成像的必要性

VHS技术的核心是CT扫描时扫描床的精准、持续地往复运动，配合动态容积穿梭及锥形束的重建，扩大了CT成像的Z轴范围，可有效实现组织器官的功能成像，临床主要应用于CT灌注成像、关节功能成像等方面[10-12]。本课题应用该技术捕捉髌骨4D运动轨迹，较文献报道的其它方法具有一次定位、一次扫描、图像后处理简单、轨迹观察比较直观、可重复性强等优点[2,5,10]，但该技术需多时相连续扫描，使X线球管曝光时间延长，扫描范围增大，显著增加了患者的辐射剂量（本课题使用常规扫描参数预扫描，DLP平均值可达（1858±51.43）mGy.cm）。较高的辐射剂量增加了癌症的罹患率，并且需要行该检查的髌股关节不稳患者多系中青年育龄女性，对辐射更为敏感[13]，因此超低剂量4D髌骨运动轨迹成像非常必要。

3.2 VHS技术4D髌骨运动轨迹低剂量成像的可行性

影响辐射剂量的主要因素有管电压、管电流、曝光时间、螺距等。管电压与辐射剂量呈指数关系，降低管电压可显著降低辐射剂量，但同时因射线质的下降导致图像噪声增高，影响了密度及空间分辨率；管电流与辐射剂量呈线性关系，低管电流对密度分辨率的影响大于对空间分辨率的影响[14]。膝关节天然对比良好，而且髌骨4D运动成像主要评价髌骨与股骨滑车之间的咬合关系及髌骨的运动曲线，可立体成像，对关节面及周围软组织的解剖、病变细节的显示要求较低，对图像噪声的容忍度较高，因此使用低管电压及低管电流进行低剂量成像具有明显的可行性[15-16]。在本研究中，曝光时间及螺距等受多时相成像技术的要求可调控范围较窄，在超低80 kV管电压下，管电流的调控则凸显的重要而不可或缺。

3.3 VHS技术4D髌骨运动轨迹低剂量成像的辐射剂量与成像参数

本研究三组均选择了80 kV超低管电压，分别组合ATCM、100 mA、80 mA三种低管电流技术，大幅度的降低了患者的辐射剂量，以C组效果最好，分别较A组及B组辐射剂量下降了60.01%及32.78%。A组采用ATCM技术，mA的输出曲线呈“V”形改变，扫描时组织密度大的股骨及胫骨髁层面mA值偏高，组织密度较低的半月板层面mA值减小，体现了其基于个体组织不对称性的特点；因膝关节变化差异较小，所以mA值变化幅度不大。该技术实现了实时对各扫描层管电流进行输出调制，减少了传统手动固定管电流不必要的X线曝光，增加了X线的利用率，减少了辐射剂量[17]，一经问世迅速广泛应用于全身各部位的低剂量成像中，效果明显。但在本研究中ATCM技术降低辐射的效果逊色于B组及C组的传统手动法，呈“效能不足”状态，结合本研究的数据及ATCM技术三个关键性控制因素，考虑其主要原因有以下几点：首先是预设的NI偏低，对膝关节最佳的NI罕有报道，参考胸腹部及四肢CTA低剂量成像最佳NI值（12.5～15）[17-18]，本研究再增加30%后确定为20。在标准重建算法时，NI近似于图像实际的噪声值。A组图像噪声（12.32±3.56），低于NI预设值20，依从性较好，根据B组及C组的图像噪声，NI的预设值有进一步提高的空间，据研究NI值每升高5%，辐射剂量将减少10%[17,19-20]。其次是定位像因素，当定位像为0°正位、管电流过低时，扫描将无法获得足够的衰减信息，使辐射剂量增高；腘窝的支撑垫增加了“体厚”，可导致管电流的输出增高；管电流由定位像信息确定调制幅度后，患者体位的动态变化也会影响最终的调制效果[21-22]。第三为超低管电压，为了维持相同的图像噪声水平，球管会自动提高管电流输出来补偿[20]。所以在无最佳的ATCM扫描参数作指导时，手动固定管电流输出比ATCM技术在膝关节4D成像时辐射剂量降低的更为直接、有效。

表1 三组辐射剂量和图像质量评价比较（±s）

表1 三组辐射剂量和图像质量评价比较（±s）

A组 (n=24) B组 (n=24) C组 (n=24) F值 P值 P值（LSD-t）A/B A/C B/C图像噪声 12.32±3.56 20.95±4.11 24.37±5.76 22.307 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.247图像信噪比 6.88±0.71 3.56±0.47 3.17±0.54 34.982 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.441图像评分/分 3.02±0.16 2.86±0.78 2.63±0.94 8.725 0.083 0.170 0.100 0.216 DLP/mGy.cm 447.23±30.16 266.12±25.27 178.89 ±28.33 135.540 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

3.4 VHS技术4D髌骨运动轨迹低剂量成像的图像质量比较

A、B、C三组图像噪声依次升高，SNR依次降低具有一定的差异，两两比较时B组与C组差异无统计学意义，考虑可能与样本量少、未区分体重及腿围腿型等因素有关。图像噪声的影响在软组织窗时较为明显，而在骨窗观察时视觉差距不大，且本研究主要观察髌骨与股骨之间咬合关系的变化，对图像噪声的容忍度高，所以综合评分三组间无显著差异，均能满足临床诊断。

3.5 本研究不足之处

过低的管电压及管电流会导致射线质量下降，反而因散射线过多而造成辐射损伤[11,20]，所以本研究未进一步探讨80 mA以下管电流对图像的影响，亦未对最佳NI及相应的辐射、图像质量变化进行探讨。

综上所述，ATCM技术在80 kV超低管电压髌骨4D运动轨迹低剂量成像时会因各种因素能效不足，没有对辐射剂量起到最大优化的作用。而80 mA手动管电流简单、直接，可达到CT图像质量和低辐射剂量的有效平衡，为推荐的最佳管电流参数。