低剂量容积螺旋穿梭技术4D运动轨迹成像在髌股关节紊乱检查中的优势

杨宝军，席建平，赵春丽，王谦，张博阳，马晨

作者单位：宝鸡市中医医院，aCT室，b妇产科，陕西 宝鸡721001

髌股关节具有独特的解剖构型及复杂的生物力学属性［1］，多种因素可使髌骨偏离正常的运动轨迹而导致髌股关节紊乱，为膝关节疼痛的主要原因之一［2］，其发病率高达15%～45%［3］。以往对于髌股关节疾病的研究主要在于评价髌股关节的咬合关系，而目前绝大多数学者认为能反应髌股关节运动规律及力学变化的髌骨运动轨迹应作为诊断该病的关键性指标［3-4］。容积螺旋穿梭技术（volume helical shuttle，VHS），即动态500排技术，能显著提高CT的时间分辨率，动态显示关节的运动，有利于捕捉髌骨的运动轨迹［5-6］。本研究将该扫描技术应用于髌股关节紊乱病人的CT扫描中，探讨其在髌股关节CT检查中的优势。

1 资料与方法

1.1一般资料选择2017年1月至2019年3月经宝鸡市中医医院骨关节科临床综合检查后确诊的48例髌股关节紊乱病人，采用随机数字表法将其分为常规组及VHS组，每组各24例。纳入标准：（1）年龄≥18岁；（2）膝关节无骨折及手术史；（3）VHS组病人膝关节运动不受限，能完全掌握并完成VHS扫描动作。排除标准：（1）伴有严重的膝关节内外翻畸形、骨性关节炎，膝关节感染等病变；（2）病人及近亲属对不同扫描方案辐射剂量较为敏感。两组病人间的一般资料比较见表1，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。本研究符合《世界医学协会赫尔辛基宣言》相关要求，所有病人均知情同意。

表1 常规组及容积螺旋穿梭（VHS）组髌股关节紊乱48例一般资料对比

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，以髌骨为中心，扫描范围从髌骨上缘3～5 cm至胫骨粗隆下2 cm。VHS组病人使用VHS扫描模式，病人取仰卧位，脚先进，双膝并拢，双足中立位并用束缚带固定，腘窝下垫三角垫；扫描前反复对病人进行双膝关节缓慢屈膝运动训练，保证其动作于20秒内尽量达到缓慢、准匀速，无明显的侧移及往复运动；双膝关节于完全伸直位扫描定位，启动扫描后嘱病人缓慢匀速屈膝；扫描条件：管电压80 kV，管电流为自动管电流或60～80 mAs固定管电流，层厚5 mm，穿梭7～10个时像，每次穿梭时间为2 s，螺距0.984∶1，球管旋转1周0.6 s，扫描后对所有时像图像进行80%～90%权重自适应统计迭代重建（ASiR），重建的层厚和间距为0.625 mm。常规组病人取仰卧位，脚先进，双膝并拢，膝下垫支撑垫使关节固定屈曲约20°～30°后行常规螺旋扫描，扫描条件：管电压120 kV，管电流为250～300 mAs，层厚5 mm，扫描后进行0.625 mm减薄并三维重建。

1.3图像的处理及评价指标

1.3.1客观评价 将扫描及处理后的图像传至AW4.6工作站，两组图像均行2D多平面重组（MPR），3D容积再现（VR）重建，常规组测量反映髌股咬合关系的指标：外侧髌股角（LPFA）、髌股适合角（CA）、髌骨倾斜角（PTA）［7］；VHS组分别测量各个时像图像的LPFA、CA、PTA，并使用4D Body Shuttle软件重建膝关节屈曲活动，显示髌骨的4D运动轨迹。将LPFA开口朝内、CA＞16°、PTA＞10°作为判定髌股关节失稳之常规指标异常的标准［8］，将髌骨在屈膝活动中明显的外移、倾斜视为轨迹异常的指标［9-10］。统计所有指标异常关节，比较两种方法对髌股关节紊乱的检出率。

1.3.2主观评价 由2名长期从事CT诊断工作的副主任医师对髌骨运动轨迹以及图像质量分别进行评分。运动轨迹从其完整性、连续性及光滑性上予以评判：5分——轨迹完整（0～60°），连续无顿挫、无侧方摆动及往复运动或为轻微的顿挫及侧方摆动；3分——轨迹能满足临床基本需求（0～30°），顿挫、侧方摆动或往复运动较为明显，但不影响髌骨运动轨迹的判定及常规指标的测量；0分——轨迹不完整（＜30°），顿挫、侧方摆动或往复运动过多、过大，不能有效判定髌骨运动轨迹及对常规指标的准确测量。3分以上即为合格轨迹。图像质量评判标准为：5分——结构清晰，边缘锐利，噪声及运动伪影小，软组织清晰可辨；3分——图像结构基本清晰，噪声及伪影较大，软组织边界模糊，骨性结构清晰可辨；0分——图像细微结构显示不清晰，骨性结构边界模糊，噪声及伪影过大。3分以上即为图像质量满意。当评判意见不一致时，两人讨论取得一致。

1.4辐射剂量两组病人完成检查后，CT自动提供容积剂量指数（CTDIvol）、剂量长度乘积（DLP）的数据。基于DLP估算CT辐射剂量的方法快捷方便，无须大量计算，所以本研究以DLP数值来评估两组辐射剂量。

1.5统计学方法所有数据采用SPSS 22.0统计软件进行分析。计量资料用x±s表示，采用两独立样本t检验；计数资料采用χ2检验或Fisher确切概率法。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

两组病人从病膝检出情况、图像质量、辐射剂量方面进行了对比分析（表2）。

VHS组24例病人48只膝关节均成功建立了髌股关节4D运动轨迹，获得了髌骨运动轨迹及不同屈膝角度的常规测量指标数值，VHS组的检出率明显高于常规组（P＝0.001），VHS技术可检出常规膝关节扫描时不能发现的髌股关节紊乱（图1A，1B）。

VHS组24例采用低剂量扫描，经统计学分析两组病人辐射量差异有统计学意义（t＝3.667，P＝0.001），VHS组辐射剂量较常规组减少了37.6%，但两组图像质量总满意率经检验差异无统计学意义（P＝0.500）（图1C～1F）。

VHS组轨迹评分5分17只膝关节（35.4%），3分29只膝关节（60.4%），总合格率为95.8%，0分即不合格膝关节2只（4.2%）。不合格原因1只为轨迹不完整，1只为关节侧方摆动过大（图1G，1H）。

3 讨论

髌股关节紊乱是髌骨由于各种原因相对于股骨的运动偏离了正常的路线，继而引起下肢应力分布发生了改变，使膝关节的软组织结构、软骨等产生应激性反应，最终导致软骨炎、骨性关节炎等后果［11-12］。传统使用X线、CT及MRI测量其LPFA、CA、PTA等指标进行评价，但这些指标仅仅反映了某一点静止状态下的髌股关节咬合关系，不能体现膝关节运动中髌股关节的变化情况［13］，因此对髌骨运动轨迹的研究愈显重要。而VHS技术是由GE公司开发，它通过实时精控扫描床，使其在数据采集期间持续、精准地往复运动，借助动态螺距容积穿梭及锥形束重建，在提高了时间分辨率的同时，其成像Z轴范围增大至312.5 mm，可有效实现组织器官的功能成像。目前该技术主要应用于CT的灌注成像、动态血管成像、血流动力学成像等方面［14］。将该技术应用于捕捉髌股关节的运动轨迹，可在满足3D成像的基础上，最大程度的采集到关节活动的整个信息，实现直观的4D动态成像。

从本研究结果来看，VHS技术对病膝的检出率达到100.0%，明显高于常规方法的检出率（78.1%）。其主要原因是：首先VHS组可获得多组不同屈膝角度下的图像，信息量大而全，而常规组只有一组图像，信息量少；膝关节在屈伸何种角度下测量的指标具有诊断的特异性本就在临床实践中存在一定的争议［15］，何况常规组仅反映了关节在某一屈膝角度下的咬合关系，所以VHS组不仅有利于检出髌骨稳定性最差时（屈膝0～20°内）任一角度发生的关节不稳，也有利于检出少部分髌骨在屈曲20～30°后发生的不稳及一过性关节不稳［16］，检出范围广；其次VHS组可重建出髌股关节的运动轨迹，在人体运动中发现隐匿的髌股关节紊乱及运动功能的改变。

VHS技术能100%的建立了髌股关节的运动轨迹，但膝关节结构复杂，其运动除过屈伸运动外，还有内外侧的侧方位移、旋转等［17］。本研究通过使用束缚带固定脚踝及膝关节上方，尽量减少胫股关节运动所致的侧方运动，保证髌股关节运动轨迹的光滑性；扫描前对病人严格的训练，保证其运动准匀速、缓慢，尽量减少顿挫及关节的往复运动，保证髌股关节运动轨迹的连续性。VHS组轨迹不合格率为4.2%，主要原因是膝关节侧方摆动多大、或在规定时间内运动过于缓慢而屈膝不到位、或出现多次的重复运动，这些均属于因病人主观不能完全配合或是膝关节疾患影响了规定动作的完成所致，也是导致5分轨迹少（35.4%），3分轨迹较多（60.4%）的主要原因。

VHS技术需要多个时像的穿梭扫描，易增加辐射剂量。本研究VHS组使用低管电压（80 kV）、低管电流（自动管电流或60～80 mA），辐射剂量DLP仅为（175.69±15.61）mGy·cm，低于常规组扫描剂量的37.6%。辐射剂量的降低，明显增加了图像的噪声，影响图像质量，但ASiR技术通过多次迭代，对噪声加以校正及抑制，使得到的图像较为清晰，本研究两组图像满意率差异无统计学意义，体现了合理有效的最低剂量原则（ALARA）［18-19］。

表2 常规组及容积螺旋穿梭（VHS）组髌股关节紊乱检出率、图像质量及辐射剂量对比

以往学者对髌股关节进行多次及多角度的静态扫描，然后勾画髌骨中心的相对应位置来获得髌骨的运动轨迹，其扫描过程繁琐，图像后处理及轨迹的勾画复杂，直视性及可重复性差［20］。VHS技术改善了其研究的方法，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，可重复性强等特点，且其采集的数据较为全面，配合低剂量扫描方案，可有效检出髌股关节紊乱，较常规检查具有明显的优势，值得推广应用。

（本文图1见插图6-4）

图1 髌股关节紊乱病人膝关节CT扫描图像：A，B为容积螺旋穿梭（VHS）同一病人不同时像屈膝图，A为屈膝15°时髌骨轨迹异常，轻度外侧移位，B为屈膝30°时髌股关节关系如常；C，D为常规组一病人常规剂量扫描后骨窗及软组织窗；E，F为VHS组一病人低剂量扫描后经80%自适应统计迭代重建（ASiR）后的骨窗及软组织窗，两组图像骨窗显示清晰，软组织窗VHS组噪声稍大，两组图像总体评分相仿；G，H为VHS组不合格轨迹明显的侧方摆动伪影