能谱纯化技术在降低CT引导下肺肿瘤微波消融术中辐射剂量的应用研究

上海交通大学医学院附属仁济医院 肿瘤介入科，上海 200127

引言

近年来，微波消融术（Microwave Ablation，MWA）广泛应用于各种肺部肿瘤的治疗，相比于其他的热消融技术，MWA具有消融时间短、消融范围大，受血流灌注影响小，局部复发率低等优势[1-2]。CT是目前肺肿瘤热消融最常用和最准确的影像引导手段[3-4]。然而，消融操作过程中反复多次的局部扫描会使患者受到过高的辐射暴露[5-6]。因此，降低患者肺肿瘤MWA中所受的辐射具有重要的临床意义。

随着CT扫描技术的革新，各种低剂量扫描技术越来越多的应用于临床，以减少患者在CT检查中所受的辐射剂量[7-9]。其中，能谱纯化技术已经被证实可以大幅降低胸部CT平扫患者所受的辐射剂量以及抑制线束硬化伪影[10-12]。然而，目前尚无研究表明能谱纯化技术是否可以应用于CT引导下肺肿瘤MWA中，以降低患者所受的辐射剂量。因此，本研究拟通过比较能谱纯化技术与常规剂量扫描下CT引导肺肿瘤MWA中图像质量，操作时间，辐射剂量等指标，明确能谱纯化技术在降低CT引导下肺肿瘤MWA中辐射剂量的可行性及临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象

2019年3月至2020年3月，连续纳入我院诊断为肺部恶性肿瘤需行CT引导下肺肿瘤MWA的患者60名。使用随机数表法将60名患者随机分为实验组和对照组，每组30例。记录两组患者的年龄、性别、体质量指数（Body Mass Index，BMI）、肿瘤病理类型、病变特征、操作时间等信息。本研究方案已经医院伦理委员会审查批准，所有患者均签署实验知情同意书。

1.2 检查方法

首先根据患者先前影像学资料选择合适的体位并进行病灶局部扫描，以确定最佳的体表穿刺点和进针角度。在患者体表进行穿刺点标记，常规消毒铺单及局部麻醉后，采用逐步进针法使用微波消融针穿刺靶病灶，并通过多次病灶局部扫描，调整消融针方向及深度，直至达到满意的消融位置并进行消融。消融结束后，进行全肺扫描（包括肺尖至肺底范围），以确定有无即刻气胸，出血等并发症的发生。所有肺肿瘤消融患者于术后第二天行胸部平片检查以明确有无延迟性气胸发生。

所有扫描均使用第三代西门子双源CT。实验组扫描电压为Sn100 kV，启用自动管电流调制技术，参考值96 mAs。对照组扫描电压为120 kV，启动CAREDose 4D，参考值94 mAs。其余扫描及重建参数相同：准直为2 mm×96 mm×0.6 mm、螺距1.2、转速0.5 s/圈。所有图像原始数据重建软组织窗（卷积和：B30f）、肺窗（卷积和：B60f）；重建层厚2 mm，间隔1.5 mm。使用ADMIRE迭代强度3进行迭代重建。

1.3 图像分析

客观图像质量评价：所有患者的图像传输到工作站进行测量，使用消融结束后全肺扫描的纵膈窗图像进行测量，胸主动脉层面画圆形感兴趣区（大小为2 cm2，避开明显钙化、软斑块和硬化伪影）测量血管的平均CT值。使用相同大小的感兴趣区测量同一层面的图像噪声（胸壁外空气的CT值的标准差），并计算图像信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），具体计算公式为：SNR=血管的CT值/背景噪声。

主观图像质量评价：对患者信息和扫描参数进行隐藏后，采用双盲法评估，由2名资深介入科医师对各组检查获得的肺窗和纵隔窗图像做出主观评价，按照肺纹理和肺内病变显示的清晰程度以及消融针的线束硬化伪影程度对图像进行4级分级打分，评分标准为：4分即双肺纹理及肺内病变显示清晰，无线束硬化伪影存在干扰，图像能提供充分的消融定位信息；3分即双肺纹理及肺内病变显示较清晰，有轻度线束硬化伪影存在，图像能提供足够的消融定位信息；2分即双肺纹理及肺内病变显示欠清晰，有较严重的线束硬化伪影存在，图像提供的消融定位信息不足。1分即双肺纹理及肺内病变无法清晰显示，线束硬化伪影重，图像完全不能提供消融定位信息。

1.4 辐射剂量评估

将所有患者扫描结束后产生的每次病灶局部扫描的管电压、管电流、容积CT剂量指数（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol）、剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）记录下来，按照公式算出有效剂量（Effective Radiation Dose，ED）值 ：ED=DLP×k(k=0.014 mSv/[mGy×cm])[13]，并计算出每个患者在整个消融过程中所受的总体辐射剂量及每次病灶局部扫描的辐射剂量。

1.5 统计学方法

使用SPSS 13.0软件进行统计学分析。采用独立样本t检验评价两组患者的年龄、BMI、辐射剂量、操作时间等指标的差异，以及两组图像的CT值、图像噪声、信噪比的差异。采用χ2检验比较两组间性别构成比等比例资料的差异。采用Wilcoxon signed-rank检验，比较图像质量主观得分。2名医师关于图像质量的主观评价的一致性使用k统计数据。k值小于0.20表示较差相关性；k值为0.21～0.40表示一般相关性；k值0.41～0.60表示中等的相关性；k值0.61～0.80表示较好的相关性；k值0.81～1.00显示良好的相关性。P值小于0.05认为有统计学差异。

2 结果

2.1 研究对象

60名患者均成功在CT引导下完成肺肿瘤MWA，无严重消融并发症及死亡发生。60名患者的基本信息如表1所示，两组间患者在年龄、性别、BMI、扫描体位、病理类型分布、病变基本特征等方面均无统计学差异（P值均大于0.05）。另外，实验组和对照组患者在消融操作过程中，医生操作时间和局部病灶扫描次数亦无统计学差异。

2.2 图像分析结果

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两名介入科医生（分别有5年和10年的影像介入工作经验）对图像质量评价的一致性良好（k=0.733）。两患者图像质量的分析结果如表2所示。实验组的图像噪声显著高于对照组，图像的SNR低于对照组，均有统计学差异（图1）。而两组间图像的CT值以及主观评分均无统计学差异。

表2 两组患者图像质量的分析

图1 两组患者客观图像质量比较

2.3 辐射剂量

实验组实际扫描的电流值为（165.50±98.14）mAs，显著高于对照组的（103.43±46.76）mAs（P=0.033）。两组患者在肺肿瘤MWA中所受的辐射剂量比较如表3所示。实验组患者所受辐射剂量（无论是局部病灶扫描辐射剂量还是总体辐射剂量）显著低于对照组（P值均小于0.05）。相比于对照组，实验组患者所受的辐射剂量下降约90%。图2所示实验组患者在消融过程中的图像质量及辐射剂量。

图2 实验组患者在消融过程中的图像质量及辐射剂量

3 讨论

本研究首次将能谱纯化技术应用于CT引导下的肺肿瘤MWA中，研究结果表明与常规剂量扫描方案相比，能谱纯化技术扫描方案可以降低MWA中约90%的辐射剂量，而不影响图像质量和增加手术操作时间。

CT是肺肿瘤MWA治疗最主要的引导手段，具有定位精确、及时发现并发症和评估疗效的优点[14]。CT密度分辨率高，能显示病灶横断面位置，清楚显示心脏、大血管与病灶的关系，可以避免损伤到心脏大血管、气管、食管等重要结构。然而，辐射剂量是CT引导下介入操作中亟需解决的难题[15-16]：由于肺存在自主呼吸运动，同时肺组织血运丰富，导致了肺部肿瘤MWA具有穿刺定位的困难，常需要多次对病灶局部进行扫描，以确定微波消融针的到达满意的消融位置以及评估术后是否有出血、气胸等并发症的发生。反复多次的扫描会使患者受到过高的辐射暴露。据报道，患者在肺消融过程中所受到的平均辐射剂量DLP可高达1004 mGy.cm[5]。在本研究中，对照组患者所受的辐射剂量DLP为609 mGy.cm，已经大幅低于文献报道数值，而且使用能谱纯化技术后，实验组患者所受辐射剂量进一步下降，平均DLP仅为63.83 mGy.cm。

能谱纯化技术是近年来新出现的一种肺部CT低剂量扫描技术，通过将一块0.6 mm厚的锡过滤板移动到X线管前的X射线束准直器中，从而过滤掉X线束中能量＜30 keV的低能射线，可将100 kV的射线的平均能量从66.4keV提高到78.7 keV，使射线具有更好的穿透性，可以在保证图像质量的前提下，大幅降低患者所受的辐射剂量[17]。已经有研究表明，使用能谱纯化技术进行肺部低剂量扫描，可以将患者所受的辐射剂量降低至0.06 mSv，甚至低于一张胸片的辐射剂量[10]。因此，也有学者尝试将能谱纯化技术用于CT引导的肺部介入操作中，以期降低操作中患者所受的辐射剂量，并取得了理想的效果：Li等[18]将能谱纯化技术应用于CT引导下肺部病灶穿刺活检术，相比于常规剂量扫描方案，能谱纯化技术可以将患者受的辐射剂量由1.78 mSv降低至0.14 mSv，且保持较高的图像质量和活检结果的阳性率；Liu等[19]将能谱纯化技术应用于CT引导下胸腔镜术前hook-wire放置，使得能谱纯化技术可以保证技术成功率的前提下，大幅降低患者所受的辐射剂量。本研究首次将能谱纯化技术应用于降低CT引导下肺肿瘤的MWA。另外，与常规剂量扫描方案相比，本研究的能谱纯化技术扫描方案可以大幅降低患者在肺肿瘤MWA中所受的辐射剂量。而且，相比于以往的低剂量研究，手术操作时间是本研究新评估的一项新的重要参数。虽然实验组的图像在图像噪声，信噪比等评估中逊于对照组，但是其主观图像质量评分，手术操作时间与对照组相比无统计学差异，表明实验组的图像质量仍然可以满足介入操作需求。

CT辐射剂量的降低通常意味着图像噪声的增加。为了提供满足穿刺要求的图像质量，本研究中使用了ADMIRE迭代重建技术来降低图像的噪声。ADMIRE可以利用系统模型、统计模型和解剖模型在原始数据域与图像域进行反复迭代计算，从而减少图像的背景噪声并提高低对比度物体的可检测性，使图像噪声与剂量之间呈非线性关系[20]。本研究中实验组的实际扫描电流显著高于对照组，提高管电流也可以在一定程度上补偿低辐射剂量所带来的图像质量的损失。

但是，本研究也存在一些不足之处。例如：患者的样本量相对较小、本文没有评价两组患者中肺肿瘤MWA的治疗效果以及术后的并发症发生率，以及受限于能谱纯化技术的原理，本文仅研究了其在CT引导下肺部肿瘤MWA中的应用，对于其他部位的CT引导下的介入操作的可行性还有待于进一步研究。

综上，本研究表明能谱纯化技术可以在保证图像质量和不增加操作时间的前提下，大幅降低CT引导下肺肿瘤MWA中患者所受的辐射剂量。