能譜純化技術在降低CT引導下肺腫瘤微波消融術中輻射劑量的應用研究

上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院 腫瘤介入科，上海 200127

引言

近年來，微波消融術（Microwave Ablation，MWA）廣泛應用于各種肺部腫瘤的治療，相比于其他的熱消融技術，MWA具有消融時間短、消融范圍大，受血流灌注影響小，局部復發率低等優勢[1-2]。CT是目前肺腫瘤熱消融最常用和最準確的影像引導手段[3-4]。然而，消融操作過程中反復多次的局部掃描會使患者受到過高的輻射暴露[5-6]。因此，降低患者肺腫瘤MWA中所受的輻射具有重要的臨床意義。

隨著CT掃描技術的革新，各種低劑量掃描技術越來越多的應用于臨床，以減少患者在CT檢查中所受的輻射劑量[7-9]。其中，能譜純化技術已經被證實可以大幅降低胸部CT平掃患者所受的輻射劑量以及抑制線束硬化偽影[10-12]。然而，目前尚無研究表明能譜純化技術是否可以應用于CT引導下肺腫瘤MWA中，以降低患者所受的輻射劑量。因此，本研究擬通過比較能譜純化技術與常規劑量掃描下CT引導肺腫瘤MWA中圖像質量，操作時間，輻射劑量等指標，明確能譜純化技術在降低CT引導下肺腫瘤MWA中輻射劑量的可行性及臨床應用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象

2019年3月至2020年3月，連續納入我院診斷為肺部惡性腫瘤需行CT引導下肺腫瘤MWA的患者60名。使用隨機數表法將60名患者隨機分為實驗組和對照組，每組30例。記錄兩組患者的年齡、性別、體質量指數（Body Mass Index，BMI）、腫瘤病理類型、病變特征、操作時間等信息。本研究方案已經醫院倫理委員會審查批準，所有患者均簽署實驗知情同意書。

1.2 檢查方法

首先根據患者先前影像學資料選擇合適的體位并進行病灶局部掃描，以確定最佳的體表穿刺點和進針角度。在患者體表進行穿刺點標記，常規消毒鋪單及局部麻醉后，采用逐步進針法使用微波消融針穿刺靶病灶，并通過多次病灶局部掃描，調整消融針方向及深度，直至達到滿意的消融位置并進行消融。消融結束后，進行全肺掃描（包括肺尖至肺底范圍），以確定有無即刻氣胸，出血等并發癥的發生。所有肺腫瘤消融患者于術后第二天行胸部平片檢查以明確有無延遲性氣胸發生。

所有掃描均使用第三代西門子雙源CT。實驗組掃描電壓為Sn100 kV，啟用自動管電流調制技術，參考值96 mAs。對照組掃描電壓為120 kV，啟動CAREDose 4D，參考值94 mAs。其余掃描及重建參數相同：準直為2 mm×96 mm×0.6 mm、螺距1.2、轉速0.5 s/圈。所有圖像原始數據重建軟組織窗（卷積和：B30f）、肺窗（卷積和：B60f）；重建層厚2 mm，間隔1.5 mm。使用ADMIRE迭代強度3進行迭代重建。

1.3 圖像分析

客觀圖像質量評價：所有患者的圖像傳輸到工作站進行測量，使用消融結束后全肺掃描的縱膈窗圖像進行測量，胸主動脈層面畫圓形感興趣區（大小為2 cm2，避開明顯鈣化、軟斑塊和硬化偽影）測量血管的平均CT值。使用相同大小的感興趣區測量同一層面的圖像噪聲（胸壁外空氣的CT值的標準差），并計算圖像信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），具體計算公式為：SNR=血管的CT值/背景噪聲。

主觀圖像質量評價：對患者信息和掃描參數進行隱藏后，采用雙盲法評估，由2名資深介入科醫師對各組檢查獲得的肺窗和縱隔窗圖像做出主觀評價，按照肺紋理和肺內病變顯示的清晰程度以及消融針的線束硬化偽影程度對圖像進行4級分級打分，評分標準為：4分即雙肺紋理及肺內病變顯示清晰，無線束硬化偽影存在干擾，圖像能提供充分的消融定位信息；3分即雙肺紋理及肺內病變顯示較清晰，有輕度線束硬化偽影存在，圖像能提供足夠的消融定位信息；2分即雙肺紋理及肺內病變顯示欠清晰，有較嚴重的線束硬化偽影存在，圖像提供的消融定位信息不足。1分即雙肺紋理及肺內病變無法清晰顯示，線束硬化偽影重，圖像完全不能提供消融定位信息。

1.4 輻射劑量評估

將所有患者掃描結束后產生的每次病灶局部掃描的管電壓、管電流、容積CT劑量指數（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）記錄下來，按照公式算出有效劑量（Effective Radiation Dose，ED）值 ：ED=DLP×k(k=0.014 mSv/[mGy×cm])[13]，并計算出每個患者在整個消融過程中所受的總體輻射劑量及每次病灶局部掃描的輻射劑量。

1.5 統計學方法

使用SPSS 13.0軟件進行統計學分析。采用獨立樣本t檢驗評價兩組患者的年齡、BMI、輻射劑量、操作時間等指標的差異，以及兩組圖像的CT值、圖像噪聲、信噪比的差異。采用χ2檢驗比較兩組間性別構成比等比例資料的差異。采用Wilcoxon signed-rank檢驗，比較圖像質量主觀得分。2名醫師關于圖像質量的主觀評價的一致性使用k統計數據。k值小于0.20表示較差相關性；k值為0.21～0.40表示一般相關性；k值0.41～0.60表示中等的相關性；k值0.61～0.80表示較好的相關性；k值0.81～1.00顯示良好的相關性。P值小于0.05認為有統計學差異。

2 結果

2.1 研究對象

60名患者均成功在CT引導下完成肺腫瘤MWA，無嚴重消融并發癥及死亡發生。60名患者的基本信息如表1所示，兩組間患者在年齡、性別、BMI、掃描體位、病理類型分布、病變基本特征等方面均無統計學差異（P值均大于0.05）。另外，實驗組和對照組患者在消融操作過程中，醫生操作時間和局部病灶掃描次數亦無統計學差異。

2.2 圖像分析結果

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兩名介入科醫生（分別有5年和10年的影像介入工作經驗）對圖像質量評價的一致性良好（k=0.733）。兩患者圖像質量的分析結果如表2所示。實驗組的圖像噪聲顯著高于對照組，圖像的SNR低于對照組，均有統計學差異（圖1）。而兩組間圖像的CT值以及主觀評分均無統計學差異。

表2 兩組患者圖像質量的分析

圖1 兩組患者客觀圖像質量比較

2.3 輻射劑量

實驗組實際掃描的電流值為（165.50±98.14）mAs，顯著高于對照組的（103.43±46.76）mAs（P=0.033）。兩組患者在肺腫瘤MWA中所受的輻射劑量比較如表3所示。實驗組患者所受輻射劑量（無論是局部病灶掃描輻射劑量還是總體輻射劑量）顯著低于對照組（P值均小于0.05）。相比于對照組，實驗組患者所受的輻射劑量下降約90%。圖2所示實驗組患者在消融過程中的圖像質量及輻射劑量。

圖2 實驗組患者在消融過程中的圖像質量及輻射劑量

3 討論

本研究首次將能譜純化技術應用于CT引導下的肺腫瘤MWA中，研究結果表明與常規劑量掃描方案相比，能譜純化技術掃描方案可以降低MWA中約90%的輻射劑量，而不影響圖像質量和增加手術操作時間。

CT是肺腫瘤MWA治療最主要的引導手段，具有定位精確、及時發現并發癥和評估療效的優點[14]。CT密度分辨率高，能顯示病灶橫斷面位置，清楚顯示心臟、大血管與病灶的關系，可以避免損傷到心臟大血管、氣管、食管等重要結構。然而，輻射劑量是CT引導下介入操作中亟需解決的難題[15-16]：由于肺存在自主呼吸運動，同時肺組織血運豐富，導致了肺部腫瘤MWA具有穿刺定位的困難，常需要多次對病灶局部進行掃描，以確定微波消融針的到達滿意的消融位置以及評估術后是否有出血、氣胸等并發癥的發生。反復多次的掃描會使患者受到過高的輻射暴露。據報道，患者在肺消融過程中所受到的平均輻射劑量DLP可高達1004 mGy.cm[5]。在本研究中，對照組患者所受的輻射劑量DLP為609 mGy.cm，已經大幅低于文獻報道數值，而且使用能譜純化技術后，實驗組患者所受輻射劑量進一步下降，平均DLP僅為63.83 mGy.cm。

能譜純化技術是近年來新出現的一種肺部CT低劑量掃描技術，通過將一塊0.6 mm厚的錫過濾板移動到X線管前的X射線束準直器中，從而過濾掉X線束中能量＜30 keV的低能射線，可將100 kV的射線的平均能量從66.4keV提高到78.7 keV，使射線具有更好的穿透性，可以在保證圖像質量的前提下，大幅降低患者所受的輻射劑量[17]。已經有研究表明，使用能譜純化技術進行肺部低劑量掃描，可以將患者所受的輻射劑量降低至0.06 mSv，甚至低于一張胸片的輻射劑量[10]。因此，也有學者嘗試將能譜純化技術用于CT引導的肺部介入操作中，以期降低操作中患者所受的輻射劑量，并取得了理想的效果：Li等[18]將能譜純化技術應用于CT引導下肺部病灶穿刺活檢術，相比于常規劑量掃描方案，能譜純化技術可以將患者受的輻射劑量由1.78 mSv降低至0.14 mSv，且保持較高的圖像質量和活檢結果的陽性率；Liu等[19]將能譜純化技術應用于CT引導下胸腔鏡術前hook-wire放置，使得能譜純化技術可以保證技術成功率的前提下，大幅降低患者所受的輻射劑量。本研究首次將能譜純化技術應用于降低CT引導下肺腫瘤的MWA。另外，與常規劑量掃描方案相比，本研究的能譜純化技術掃描方案可以大幅降低患者在肺腫瘤MWA中所受的輻射劑量。而且，相比于以往的低劑量研究，手術操作時間是本研究新評估的一項新的重要參數。雖然實驗組的圖像在圖像噪聲，信噪比等評估中遜于對照組，但是其主觀圖像質量評分，手術操作時間與對照組相比無統計學差異，表明實驗組的圖像質量仍然可以滿足介入操作需求。

CT輻射劑量的降低通常意味著圖像噪聲的增加。為了提供滿足穿刺要求的圖像質量，本研究中使用了ADMIRE迭代重建技術來降低圖像的噪聲。ADMIRE可以利用系統模型、統計模型和解剖模型在原始數據域與圖像域進行反復迭代計算，從而減少圖像的背景噪聲并提高低對比度物體的可檢測性，使圖像噪聲與劑量之間呈非線性關系[20]。本研究中實驗組的實際掃描電流顯著高于對照組，提高管電流也可以在一定程度上補償低輻射劑量所帶來的圖像質量的損失。

但是，本研究也存在一些不足之處。例如：患者的樣本量相對較小、本文沒有評價兩組患者中肺腫瘤MWA的治療效果以及術后的并發癥發生率，以及受限于能譜純化技術的原理，本文僅研究了其在CT引導下肺部腫瘤MWA中的應用，對于其他部位的CT引導下的介入操作的可行性還有待于進一步研究。

綜上，本研究表明能譜純化技術可以在保證圖像質量和不增加操作時間的前提下，大幅降低CT引導下肺腫瘤MWA中患者所受的輻射劑量。