利用低剂量颅骨三维CT建立虚拟三维颅骨模型的可行性

杨民霞 陈炳 赵振华 张雅萍 黄亚男 胡红杰

颅骨缺损可由外伤、感染、肿瘤、发育不良、脑梗死和去骨瓣减压术等引起，导致头皮凹陷，扰乱大脑自我调节，损害血流动力学状态，患者会出现如头晕、易怒、焦虑、烦躁等环锯综合征［1-2］。这些情况可以通过颅骨成形术来改善。而进行颅骨成形术前所有患者均行头颅薄层计算机断层扫描（CT）和三维（3D）重建，将CT 扫描数据发送给植入物重建公司，利用计算机辅助设计（Computer-Assisted Design，CAD）/计算机辅助制造（Computer-Assisted Model，CAM）技术制造出符合患者特点的钛网［2］。利用低剂量颅骨三维CT 成像，制作虚拟三维模型的可行性及实用性被提上了日程。作者采用低剂量颅骨三维CT 成像制作虚拟颅骨缺损三维模型，定制钛网植入物的可行性及实用性。

1 资料与方法

1.1 临床资料 本院2014 年3 月至2017 年12 月，需要颅骨成形术前进行颅骨三维CT 成像的颅骨缺损患者64 例，随机分为4 组，每组16 例。参考相关文献后按照颅骨三维CT 扫描参数分为4 组：常规剂量A 组120kV、180mA，低剂量B 组120kV、50mA，低剂量C 组120kV、30mA，低剂量D 组100kV、30mA。所有患者按组进行颅骨三维CT 扫描。将CT 数据发送给重建公司（中国苏州昆山，钛维生物）制造精确的钛种植体（强生公司）。在实施颅骨成形术之前，神经外科医师核实颅骨缺损区域、皮瓣轮廓和标记边缘，最后确认病人临床情况，全身麻醉后，暴露骨缺损区并植入定制的钛种植体。所有患者均于术后1~3d 内行薄层CT 扫描，证实种植体位置准确，同时进行一系列的临床功能评估。

1.2 CT 扫描及后处理 （1）扫描设备及成像方法：使用16 排螺旋CT 机（GE Brightspeed），扫描时，患者常规仰卧位，头置于头架中，下颌内收，从颅底鼻尖平面连续向上扫描至头顶。（2）扫描参数：旋转时间1s/rot，螺距1.375，层厚1.25mm，间隔1.25mm，矩阵512×512，FOV 250mm，窗宽2000Hu，窗位700Hu。（3）图像后处理：所得图像传送至GE ADW 4.6 工作站，应用容积再现（volume rendering，VR），多平面重建（Multiple planar reconstruction，MPR）等三维重建技术进行图像处理，建立颅骨三维模型。最后将原始图像与三维图像一并传到PACS 上，进行图像质量的评估。

1.3 评价指标 （1）辐射剂量：记录扫描后机器自动生成的CT 剂量指数（volume CT dose Index，CTDIvol）和剂量长度乘积（dose-length product，DLP）。通过DLP 与国际放射防护委员会发表的103 号出版物（ICRP 103）中的器官组织权重因子相乘计算，得到有效剂量（effective dose，ED）值。（2）图像质量评估：由2 名有>10 年CT 诊断工作经验的资深放射科医生，在隐藏扫描参数和患者信息后双盲法共同对病人图像评判诊断，如有分歧，经协商后取得一致。参阅相关文献后采用等级制对CT 图像质量进行评价：优秀：图像颗粒度细，颅骨壁锐利，无伪影，诊断无限制；良好：图像颗粒度较细，颅骨壁较锐利，有少许伪影，不影响诊断；一般：图像颗粒度较粗，颅骨壁略模糊，有伪影，但不影响诊断；差：图像颗粒度粗，颅骨壁模糊，有严重伪影，影响诊断。一般等级以上的图像均能满足诊断要求，即不影响放射医生诊断颅骨缺损部位，同时能够重建出虚拟的颅骨三维模型。

1.4 统计学方法 采用SPSS 21.0 统计软件。采用K-S检验数据是否符合正态分布，如符合正态分布且方差齐，则采用（±s）表示，组间比较用t 检验或方差分析；如不符合正态分布或者方差不齐，采用M（Q1，Q2）表示，组间比较采用K-W 秩和检验；当多组间比较的差异存在统计学意义时，进行两两比较。计数资料采用n（%）表示，组间差异比较采用卡方检验或者K-W 秩和检验；P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同扫描条件下组间辐射剂量情况 低剂量组的辐射剂量CTDIvol 明显低于常规剂量组。DLP 和ED四组内差异有统计学意义（Z=59.173，P<0.001）。进一步两两比较发现，低剂量C 组的DLP 和ED 分别比常规剂量A 组低83.0%和82.9%（P<0.001）。低剂量D 组的DLP 和ED 分别比常规剂量A 组低89.4%和89.6%（P<0.001）。64 例患者随访1~34 个月后，所有患者头皮伤口愈合良好，术后头颅CT 显示钛种植体固定良好，颅骨形态对称，美学效果显著，临床功能恢复理想，患者满意。见表1。

表1 不同扫描条件下组间辐射剂量情况（±s）

表1 不同扫描条件下组间辐射剂量情况（±s）

注：与A组比较，*P<0.001

A组 B组 C组 D组CTDIvol（mGy） 24.32 6.75 4.05 2.61 DLP（mGy·cm） 451.19±21.28 130.82±5.92 76.72±2.78* 48.23±3.59*ED（mSv） 0.95±0.04 0.27±0.01 0.16±0.01* 0.1±0.01*

2.2 四组间图像质量评估情况 组间图像质量评估比较，差异无统计学意义（P>0.05）。所有图像质量评估均在一般及以上等级（见表2）。比较显示常规剂量图像质量细腻，低剂量图像颗粒稍粗糙，但均能清晰显示颅骨缺损部位及范围，满足临床诊断及精确定制CAD/CAM 钛种植体的需求（图1、2）。

图1 常规剂量A组，扫描参数为120kV、180mA

图2 低剂量D组，扫描参数为100kV、30mA

表2 四组间图像质量评估情况

3 讨论

近年来，金属植入物中钛仍然是目前唯一用于颅骨成形术的金属［1-2］。越来越多的文献报道利用CAD/CAM 技术定制钛种植体在颅面外科重建手术如眶底、副鼻窦、上下颌骨、颧骨等颅骨颅面修复中的有效性［1-2］。此技术需要根据CT 数据制作一个缺陷模型，即每个患者均接受全颅骨的薄层高分辨率CT扫描，经过后处理和三维重建，获得颅骨的虚拟三维模型，制造商根据CT 数据重建颅骨CAD 模型，最后将CAD 数据传输至CAM 系统，进行最终钛植入物的制造［1-2］，因此颅骨三维CT 扫描十分重要。颅骨缺损患者因自身的基础疾病在临床抢救、治疗过程中需多次复查CT，方便临床医师随时观察患者的病情变化，现在为收集数据再做颅骨三维CT 扫描，会增加患者的辐射剂量。较多学者已经对辐射剂量与辐射危害的关系进行研究，发现眼晶体、性腺、甲状腺及骨髓较为敏感，随着剂量的增加，会出现不同程度的损伤，如白内障、绝育、恶性肿瘤或白血病。因此，任何可能导致辐射剂量增加的因素都必须认真对待，以避免病人接受不必要的辐射剂量。

目前，临床研究中在控制人为因素及机器自身条件相对固定的情况下，主要通过变换、优化扫描参数、调节管电流或管电压来实现低剂量扫描，因辐射剂量与管电压的平方呈正比，与管电流一次方呈正比［3-4］。故本研究在保持其他扫描条件不变的情况下，通过降低mA 值或kV 值来减少射线量。国内外报道有关不同扫描方案辐射剂量的比较，主要是通过对比CTDIvol，DLP 和ED［3-4］。CTDIvol 是由设备依据扫描技术（管电压、管电流和螺距等）自动计算并记录。CTDIvol 只是设备的输出值，未考虑被检者的体型因素，而DLP的出现克服了这一缺陷，DLP=CTDIvol×扫描长度。辐射有效剂量（ED）代表患者所接受的辐射量，非常实用［5］。

本资料中，随着管电压从120kV 降至100kV，管电流从180mA 降至30mA，辐射剂量CTDIvol 从24.32mGy 降 至6.75mGy，4.05mGy 甚 至2.61mGy，显著降低患者的辐射总量，减少辐射危害。且常规剂量组与低剂量三组间DLP 和ED 有显著差异，低剂量D组射线量减少约89%，较其他低剂量组更能减低射线量。同时三组低剂量扫描组均无不合格图像，与常规剂量图像相比，降低管电压、管电流的同时图像噪声有所增加，颗粒增粗，但因颅骨本身具有天然高对比度，重建颅骨模型是在CT 骨窗上进行，不需要看脑实质的病变和骨折等细节，故图像质量稍下降，但仍能清晰显示颅骨缺损部位及范围，满足诊断及精确定制钛种植体的需求。低剂量颅骨三维CT 扫描可以在临床应用。不过本研究样本量较少，制订的扫描技术参数相对保守，仅将管电压减低到100kV，是否能进一步减低管电压，减少受检者受照剂量，也需进一步研究。

随着公众对于降低辐射的迫切需求，全球均在努力减少辐射照射。国外研究者还利用MR 成像制作颅骨3D 模型，以此来减少辐射，但MR 在一些注重骨解剖细节上无法适用，仍以CT 扫描作为图像评估的金标准。本研究的低剂量颅骨三维CT 扫描对颅面骨修补患者均适用，不论是用钛还是其他异种材料，不论是采用CAD/CAM 技术还是3D 打印技术，符合国际放射防护委员会提出的正当化和最优化原则，遵循“合理使用低剂量原则”（ALARA）［6］。因此利用低剂量颅骨三维CT 成像制作虚拟的颅骨缺损三维模型，定制钛种植体具有极大的可能性及实用价值。