一種用于驗證胸腔LDCT-PCNB掃描參數(shù)模型的設(shè)計與應(yīng)用

趙子健，李若梅，吳瑞祥，葉亮，沈雪芹，陸璐，魏夏紅

1. 安徽醫(yī)科大學(xué)附屬合肥醫(yī)院 影像科，安徽 合肥 230011；2. 中國科技大學(xué) 合肥離子醫(yī)學(xué)中心 綜合部，安徽 合肥 230011

引言

胸腔低劑量CT引導(dǎo)下經(jīng)皮穿刺活檢（Low-Dose CTGuided Percutaneous Core Needle Biopsy，LDCT-PCNB）是目前肺部占位活檢的首選檢查項目，而近年來LDCT技術(shù)和迭代算法的普及，使得低劑量活檢穿刺研究進展迅速[1]。在已有的文獻資料中可知，LDCT-PCNB在優(yōu)化參數(shù)及掃描方法后，可極大程度降低輻射劑量[1-2]。研究顯示，在極低劑量參數(shù)下，胸腔LDCT-PCNB仍然可以保證圖像質(zhì)量，不影響穿刺成功率[3]。但是以上種種研究均基于不同廠家、不同CT平臺、不同重建算法，而且掃描優(yōu)化的參數(shù)及重建方式差異極大，相互之間并不通用[4]。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計LDCT胸腔穿刺參數(shù)驗證體模

1.1.1 國內(nèi)LDCT穿刺體模現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)在CT體模實驗方面研究相對較少，大多體模實驗均為研究普通掃描或增強掃描[5]。體模實驗在CT檢查參數(shù)設(shè)置時有重大參考意義，一個CT的序列是否恰當、參數(shù)是否合適，首選各種體模實驗獲得先期參數(shù)，然后才能進行人體實驗[6]。這樣可以通過倫理檢查，保護患者不受過量X線照射。目前，各CT廠家使用的體模均為含水體模，由于穿刺探針的材質(zhì)是醫(yī)用不銹鋼或者醫(yī)用鈦合金，其密度遠高于胸部其他組織[7]。實心的含水體模無法模擬穿刺活檢狀態(tài)，而且國內(nèi)尚無成熟的LDCT-PCNB相關(guān)的體模產(chǎn)品與文獻資料。

1.1.2 設(shè)計胸部LDCT-PCNB體模思路

CT成像的原理是通過X線的線性衰減，由陣列處理器計算重建出圖像。經(jīng)多個文獻證實，LDCT-PCNB的輻射劑量有較大的降低空間，由于胸腔內(nèi)肺組織是含氣的高對比度器官，在平掃確定病灶后，低劑量掃描依然可以發(fā)現(xiàn)病灶，特別針對磨玻璃結(jié)節(jié)顯示更佳，并能測量其病灶大小及幾何關(guān)系[8]。之后計算得出穿刺的角度及距離，插入探針，獲取病灶組織。但由于金屬探針密度過高，在CT掃描中會產(chǎn)生放射狀偽影，這種放射偽影與小病灶重疊時會遮蓋小病灶。所以設(shè)計體模時有以下要求：① 充分模擬胸部空腔結(jié)構(gòu)，合理顯示穿刺針與病灶的幾何關(guān)系；② 充分考慮X線在模型內(nèi)的衰減過程，在各種劑量條件下仍可模擬穿刺狀態(tài)；③ 可模擬病灶的不同性質(zhì)、不同大小、不同位置，并適用于大部分CT機，且可反復(fù)使用。試驗流程如圖1所示。

圖1 LDCT-PCNB體模測試的流程圖

1.1.3 通過SKUP設(shè)計空腔LDCT-PCNB體模

根據(jù)1.1.2總結(jié)的要求，使用SKUP（SketchUp）設(shè)計穿刺體模。相對于Soildwork等傳統(tǒng)建模軟件，SketchUp的操作更加輕量化，而且建模簡單，其缺點是沒有平面計算機輔助設(shè)計繪制功能[9]。打開SketchUp，在x-z軸設(shè)定體模大小，y軸拉伸長度，使用形狀和圓角等工具不斷修正體模，并根據(jù)胸腔形狀設(shè)定靶物質(zhì)插槽、穿刺針插槽與標尺。具體流程如圖2所示，其主要作用是模擬胸腔大體形狀，并可以放置不同大小、性質(zhì)的實性靶物質(zhì)，穿刺插槽允許探針從不同角度、不同深度穿刺，并可以觀察兩者的幾何位置關(guān)系。

圖2 使用SKUP設(shè)計LDCT-PCNB體模全過程

1.2 通過熔融沉積制造技術(shù)3D打印制作實體模型

1.2.1 使用CURA對模型進行切片處理

將SketchUp制作得體模數(shù)據(jù)保存，并導(dǎo)出為立體光刻語言（STereolithography Language，STL）格式文件，STL是3D打印的通用格式，不同廠家的切片軟件會進一步轉(zhuǎn)換為專用格式[10]。這里使用的是Allcct-334 3D打印機，匹配CURA 3.0切片軟件。考慮到該體模需要一定的精度保證測試準確性，在切片時參數(shù)選擇為層厚0.1 mm，這增加了打印時間，為此將參數(shù)填充密度改為30%，可以在保證體模結(jié)構(gòu)強度的前提下減少大量打印時間，節(jié)約打印材料。最后使用Netfabb軟件檢驗?zāi)Ｐ屯暾龋瑢?dǎo)出為GCODE格式，文件的關(guān)鍵代碼如圖3所示。

圖3 導(dǎo)出為TXT格式的LDCT-PCNB體模關(guān)鍵3D打印代碼

1.2.2 通過Allcct334打印機制作體模實體

將導(dǎo)出的GCODE格式文件導(dǎo)入Allcct334打印機中，打印參數(shù)為：打印速度60 mm/s，移動速度120 mm/s，填充速度100 mm/s，噴頭溫度200℃，熱床溫度40℃，支撐類型為全部，平臺附著類型為底層邊線，回退速度30 mm/s，回退長度 3 mm，打印材料聚乳酸（Polylactic Acid，PLA），PLA材料是一種環(huán)保材料，由玉米顆粒制作而成，無毒可降解，成型后具有一定工程強度，不溶于水，并可反復(fù)使用，缺點是熔點低無法高溫消毒[11]，打印過程如圖4所示。

圖4 基于熔融沉積制造技術(shù)打印LDCT-PCNB體模全過程

2 應(yīng)用效果

2.1 將體模帶入CT，不同參數(shù)下掃描，對比實驗結(jié)果

2.1.1 質(zhì)量劑量比

在實驗之前，首先闡述一個劑量對比概念，目前的醫(yī)學(xué)影像CT圖像質(zhì)量與輻射劑量的對比通常使用信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）、容積 CT劑量指數(shù)（Volume CT Dosimetry Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose-Length Product，DLP）、有效劑量（Dose-Length Product，ED）等一系列參數(shù)比較，非常繁瑣[12]。CT的輻射劑量與圖像質(zhì)量不僅對立，更是統(tǒng)一的存在。這里引入“質(zhì)量劑量比”（Image quality / Radiation dose）這一概念，是一種可以同時反映圖像質(zhì)量與輻射劑量關(guān)系的非剛量數(shù)值，資料顯示，質(zhì)量劑量比為CNR與CTDIvol比值的絕對值，這個數(shù)值與CNR成正比，與輻射劑量成反比[13]，其公式如式(1)所示。

式中 ，CTDIvol為容積CT劑量指數(shù)[14]，SI為取樣CT值（HU），SD為取樣的標準差 。

在后續(xù)的體模帶入實驗中，通過I/R，可以較為方便直觀地計算出不同參數(shù)條件下的輻射劑量和圖像質(zhì)量的關(guān)系，并找出最佳的質(zhì)量劑量比。這樣可以快速比較多種LDCTPCNB掃描參數(shù)之間的差異，并對臨床實際操作中的參數(shù)設(shè)定有一定指導(dǎo)作用。

2.1.2 體模實驗，對比實驗參數(shù)

使用GE（美國通用）Light speed 64 VCT，放入體模模型，設(shè)置進針角度與距離，設(shè)置病灶大小。分別使用文獻里引用較多的兩種不同的低劑量參數(shù)：參數(shù)A管電壓為110 kV，自動毫安控制最大55 mA[15]；參數(shù)B管電壓為100 kV，自動毫安控制最大20 mA[16]。其余參數(shù)相同：噪聲指數(shù)12，ASiR設(shè)定：60%，螺距為0.984:1，層厚層距同為2.5 mm，視野為250 mm，靶組織選取30 mm ROI為SIα，邊框選取30 mm ROI為SIβ。分別測量三次，獲得不同SNR、CNR、ED[17-18]。計算不同組別質(zhì)量劑量比，選取最佳配套參數(shù)。并對兩者的I/R進行t檢驗（SPSS 17.0），實驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種LDCT-PCNB掃描參數(shù)的具體數(shù)值比較

通過數(shù)據(jù)可知，參數(shù)A與參數(shù)B均可以在一定程度上降低輻射劑量，但是參數(shù)A的圖像質(zhì)量客觀評價要低于參數(shù)B。而且，通過I/R值計算，參數(shù)A的質(zhì)量劑量比也遠低于參數(shù)B。所以在胸腔LDCT-PCNB的體模實驗中，參數(shù)B可以用更低的劑量獲得更高的SNR和CNR，I/R遠高于參數(shù)A。

2.2 LDCT-PCNB試驗數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用

經(jīng)過2.1.2的體模實驗，得知參數(shù)B不僅質(zhì)量劑量比較優(yōu)，且體模實驗圖像符合穿刺要求，可以代入實際操作，進行臨床穿刺。患者女，80歲，腦梗塞6個月，身體不適3日入院，CT檢查可見胸腔右肺上葉占位，高度懷疑腫瘤。遂進行CT-PCNB，經(jīng)過2次平掃定位后，代入?yún)?shù)B行LDCT-PCNB，再經(jīng)過2次定位，穿刺成功，獲得組織。病理檢測為免疫組化標記（XIHC19181）：TTF-1（+）、CK7（+）、Napsin-A（+）、P40（-）、P63（-）、Ki-67（+，約 20%），確診為腺癌。普通掃描和參數(shù)A掃描的單次各項結(jié)果及I/R的t檢驗如表2所示。

表2 CT-PCNB與LDCT-PCNB單次掃描實際結(jié)果具體數(shù)值比較

由結(jié)果可知，使用參數(shù)B的ED值比普通掃描降低了約25倍，I/R則遠高于普通掃描，其可在大幅降低輻射劑量的同時保證圖像質(zhì)量。LDCT-PCNB體模在這一整套流程之中，起到檢驗、對比的作用。畢竟不同CT條件不一，貿(mào)然帶入其他實驗數(shù)據(jù)必然存在效果和倫理的問題[19-21]。使用LDCT穿刺體模，不僅可以在臨床實踐前檢驗這些參數(shù)，并可以在不同參數(shù)中對比計算出最優(yōu)解。

3 討論

CT引導(dǎo)下穿刺是一項相對成熟的技術(shù)，由于CT分辨率高、定位精確、價格便宜，研究顯示CT引導(dǎo)下穿刺特別是胸部穿刺是活體穿刺檢測的首選[22]。而且受到穿刺病灶位置、大小、方向、患者配合程度、醫(yī)師自身穿刺技術(shù)限制，在穿刺過程中或多或少會重復(fù)掃描以校正探針方向,導(dǎo)致重復(fù)掃描，以上種種最終導(dǎo)致患者吸收CT輻射劑量過大[23]。在本研究中，先通過體模實驗對不同的低劑量掃描參數(shù)進行比對篩選，再將篩選出的參數(shù)帶入實際掃描中，其結(jié)果顯示，驗證過的參數(shù)掃描，不僅大幅度降低輻射劑量，而且圖像擁有高質(zhì)量劑量比。通過體模實驗，最大程度避免了傳統(tǒng)低劑量穿刺應(yīng)用中，反復(fù)嘗試重復(fù)掃描，減少患者輻射，提高輻射使用效率，減少倫理問題。

國內(nèi)外已有多篇研究CT低劑量掃描的文獻，從CT機的自身性能、kV、mA以及迭代算法等力圖降低輻射劑量[21]。但是以上種種低劑量研究均是從普通胸部低劑量掃描直接移植參數(shù)，或者先有結(jié)果后有過程，罕有做過穿刺體模實驗。在參考這些根據(jù)經(jīng)驗或者窮舉的低劑量掃描參數(shù)時，考慮到不同醫(yī)院機型條件各不相同，如何選擇適合自己的參數(shù)、該參數(shù)是否在本CT上適用、直接引入該參數(shù)進行人體穿刺又是否符合倫理，有待斟酌。而使用體模實驗可以無限次重復(fù)比較各種參數(shù)，在沒有倫理限制的條件下，計算出適合本院CT機型的最佳低劑量參數(shù)。

4 總結(jié)

精準醫(yī)療，影像先行，對更低輻射劑量的追求一直是醫(yī)學(xué)影像界的共識。在現(xiàn)有的大量低劑量CT引導(dǎo)胸腔穿刺研究中，不同機型、不同條件導(dǎo)致各個研究差異較大，后續(xù)學(xué)者在參考驗證這些數(shù)值時，也受到機型、效果和倫理的限制。本研究提供一種可驗證以上不同參數(shù)的模型，在沒有倫理限制的情況下，通過體模實驗和I/R計算出適用于本單位機型的最佳參數(shù)，有效地提高研究的便捷性和準確性。但不足的是，該模型材料為30%PLA，其密度有限，仍需改進其對射線的衰減程度。總而言之，在初步顯示了LDCT-PCNB體模的使用價值后，有必要擴充研究數(shù)量，提供更多的數(shù)據(jù)證明該體模的可實用性。