不同放疗定位CT扫描条件对气管支架图像质量影响的研究

林涛1,2,3,倪昕晔2,3,高留刚2,3,眭建锋2,3,谢凯2,3,常树全1

1. 南京航空航天大学,江苏 南京 210000;2. 南京医科大学附属常州第二人民医院 放疗科,江苏 常州 213003;3. 南京医科大学 医学物理研究中心,江苏 常州 213003

[摘 要] 目的 比较不同扫描条件下气管支架的定位CT图像,探讨适合含有气管支架的放疗病人的模拟定位CT扫描条件。方法将气管支架放入自制的泡沫管套中,一起放入非均匀模体中进行CT定位扫描,扫描条件为80 kV/120 mAs、120 kV/80 mAs、120 kV/120 mAs,扫描方式为轴向扫描和螺旋扫描,扫描层厚分别为0.6、1、2、3 mm,扫描完成后传到治疗计划系统,两名有经验的放疗科医生对各组图像进行评分,使用Matlab 8.3数据处理软件读取各组图像同一层面支架的CT值。结果 相同条件下轴向扫描比螺旋扫描图像更清晰;扫描层厚越小,图像伪影越少,图像越清晰;管电流对支架CT值没有影响,管电压越小,支架CT值越大。结论 在条件允许情况下,含有气管支架的肿瘤病人放疗CT定位时扫描方式选择螺旋扫描,扫描层厚选择1 mm,选择固定的管电压。

[关键词] 气管支架;体层摄影术;扫描参数;图像质量

引言

气管支气管支架可以扩展狭窄气道,改善通气,当肺癌病人合并呼吸道梗阻、慢性窒息和阻塞性肺炎等并发症时应用气管支气管支架,可立即缓解病人呼吸困难症状,改善生活质量[1],为下一步的治疗提供基础,临床上应用越来越多。体内含有支气管支架的病人进行放射治疗时,放疗计划系统计算肿瘤组织和正常组织的吸收剂量是根据CT 图像的CT 值-密度转化曲线得到的电子密度来计算的,金属支架周围的CT 值能否准确读取,关系到周围组织剂量计算的准确性[2-3]。本文分析放疗定位时不同扫描条件对气管支架的图像质量和CT 值的影响,探讨适合含有气管支架的放疗病人的模拟定位CT 的扫描条件。

1 材料与方法

1.1 实验材料

气管支架(镍钛合金,南京微创医学科技股份有限公司)由直径为0.2~0.3 mm 的镍钛记忆合金丝编织而成,德国西门子SOMATOM Definition Flash CT 机,美国CIRS 公司产非均匀模体,硬泡沫(密度与非均匀模体中模拟肺组织的材料密度相近)。

1.2 材料加工与CT扫描

根据CIRS 非均匀模体中插植孔和气管支架的尺寸,将泡沫加工成内径为1.5 cm,外径为2.5 cm 的空心圆柱体,将3个支架分别放入其中,然后置入模体内(图1),进行CT 扫描,扫描准直器宽度为0.6 mm×64 mm,管电压管电流分别为80 kV/120 mAs、120 kV/80 mAs、120 kV/120 mAs,扫描方式为轴扫和螺旋扫,扫描层厚分别为0.6、1、2、3 mm。记录各次扫描时所对应的CT 容积剂量指数(Volume Computed Tomography Dose Index,CTDIvol)。

图1 装有气管支架的模体

1.3 图像主观质量评价

由2 名放疗科主治以上医师在同一台工作站上采用双盲法对各组扫描条件所得CT 图像的图像质量进行评分,采用3 分法进行评分。评分标准:图像清晰,伪影少,能够显示支架的网状结构记3 分;图像显示尚可,小的伪影,支架网状结构显示模糊,记2 分;伪影较重,不能显示支架网状结构,记1 分。对三批次的金属支架打分后取平均值。

1.4 支架CT值读取

将CT 图像导入Matlab 8.3(美国MathWorks 公司)数据处理软件,各组扫描条件所得CT 图像的同一层面选取15 个点读取支架的CT 值,取平均值。

1.5 统计学分析

使用SPSS 19.0 软件,采用单因素方差分析进行各扫描条件所得支架CT值的比较,P<0.05表示差异有统计学意义。采用Kappa 检验评价两名观察者间的一致性,认为一致性较好。

2 结果

2.1 不同扫描条件图像质量比较

不同扫描方式及扫描条件的支架CT 图像横断位与冠状位如图2 所示。在各组扫描条件中,随重建层厚的增加,支架CT 图像变模糊,网状结构逐渐消失。层厚为0.6 mm与1 mm 各扫描条件扫描方式所得的CT 图像质量无明显差异;层厚为2 mm 时,轴向扫描各扫描条件中支架的网状结构可见而螺旋扫描各扫描条件支架网状结构模糊成环状;层厚为3 mm 时,各扫描条件扫描方式所得的图像都无法分辨出支架的网状结构。

图2 螺旋扫描与轴向扫描不同扫描条件支架CT图像

2.2 不同扫描条件下的CTDIvol

轴向扫描方式下80 kV/120 mAs、120 kV/80 mAs、120 kV/120 mAs 条件下CTDIvol 分别为5.31、12.22、18.33 mGy;螺旋扫描方式下80 kV/120 mAs、120 kV/80 mAs、120 kV/120 mAs条件下CTDIvol 分别为2.35、5.41、8.11 mGy。

2.3 影像质量评分结果比较

两位放疗医师对各组不同扫描方式和扫描条件的CT图像质量进行了评分比较,结果如表1 所示,两名医师间的观察一致性较好(Kappa=0.64)。

表1 螺旋扫描与轴向扫描不同扫描条件图像主观评价得分

扫描条件 (kV/mAs) 0.6 层1 厚 (mm 2) 3 80/120 3 3 1.5 1螺旋扫描120/80 3 3 1.5 1 120/120 3 3 1.5 1 80/120 3 3 2 1轴向扫描120 /80 3 3 2.5 1 120/120 3 3 2.5 1

2.4 气管支架CT值对照

不同扫描方式及扫描条件所得气管支架图像中支架的CT 值如表2 所示,扫描层厚对CT 值的影响有统计学差异(P<0.05),1 mm 扫描层厚所得的CT 值与其他层厚所得的CT 值进行两两比较的P 值如表3 所示,1 mm 与0.6 mm扫描层厚CT 值间的差异大多数情况下无统计学差异,与其他两组螺旋扫描时有统计学差异(P<0.05),轴向扫描时与3 mm 层厚组CT 值差异有统计学意义(P<0.05)。扫描方式对支架的CT 值有影响,管电压为80 kV 时,螺旋扫描方式所得支架的CT 值比轴向扫描高,管电压为120 kV时,螺旋扫描方式所得支架的CT 值比轴向扫描低,其他条件相同时,螺旋扫描与轴向扫描方式所得支架CT 值间差异有统计学意义(P<0.05);表1 和表3 表明层厚1 mm与层厚0.6 mm 图像质量与支架CT 值间无明显差距,层厚1 mm CT 图像质量评分优于2 mm 及3 mm 图像质量。

表2 不同扫描方式扫描条件所得气管支架的CT值(HU

层厚 螺旋扫描 (kV/mAs) 轴向扫描 (kV/mAs)(mm)80/120 120/80 120/120 80/120 120/80 120/120 0.6 1038±155 744±88 729±62 853±206 897±104 942±165 1 1043±124 698±63 668±59 777±98 977±195 877±125 2 949±72 693±48 680±35 736±98 897±161 856±102 3 951±116 672±34 713±36 691±35 814±77 759±50 P 0.024 0.02 0.005 0.007 0.029 0.001

表3 扫描层厚1 mm与其他扫描层厚组CT值对比的P值表

层厚 螺旋扫描 (kV/mAs) 轴向扫描 (kV/mAs)(mm)80/120 120/80 120/120 80/120 120/80 120/120 0.6 0.892 0.050 0.001 0.105 0.130 0.141 2 0.023 0.040 0.043 0.371 0.132 0.623 3 0.025 0.001 0.000 0.060 0.003 0.009

所有的扫描条件中,管电压变化对支架CT 值的影响较大,其他条件相同时,管电压不同时,支架CT 值差异显著(P<0.01),支架CT 值随管电压的降低而增大,CT值变化的结果有统计学意义(P<0.05)。管电压为80 kV 螺旋扫描所得支架CT 值最大。其他条件相同时,管电流的变化对支架的CT 值大小影响较小,各组间的CT 值变化无统计学意义(P>0.05)。

3 讨论

治疗计划系统计算射线在患者体内的剂量沉积是根据体内各部分的相对电子密度的不同得到的,相对电子密度由CT 图像根据CT 值-电子密度曲线转换而来,CT 值的正确读取直接关系到剂量计算的准确性。定位CT 作为放疗计划设计的重要组成部分,CT 图像的质量影响肿瘤靶区及危及器官的勾画和剂量计算的精准度。定位CT 扫描条件不同时,相同组织所得CT 值不尽相同,剂量计算出现偏差影响治疗效果。所以需要在进行定位CT 前确定扫描方式与扫描参数,以保证剂量计算的精确性。

轴向扫描在扫描过程中扫描床不运动,获得的图像伪影小,分辨率高,有效层厚偏离更小,图像质量高[4-5]。螺旋扫描是指在扫描过程中,X 线球管围绕机架连续旋转曝光,曝光同时检查床同步匀速运动,探测器同时采集数据,运动和插值使图像产生伪影,分辨率变低,噪声变高,图像质量变差。螺旋扫描由于在扫描过程中扫描床也一起动,扫描时间减少,降低呼吸运动造成的运动伪影。随着CT扫描技术的发展,螺旋扫描方式图像质量可媲美轴向扫描,而且因为螺旋扫描采集的是容积数据,在图像各向重建上比轴向扫描有优势,提高微小病灶的诊断率[6]。本研究中层厚为0.6、1 mm 时轴向扫描和螺旋扫描两种方式所得CT图像质量一致,当层厚为2 mm 时轴向扫描图像质量好于螺旋扫描,3 mm 时轴向扫描和螺旋扫描所得图像均较差。考虑气管支架所在位置,因呼吸运动产生运动伪影,为减少运动伪影需缩短扫描时间,建议选择螺旋扫描方式。伪影的减少有利于肿瘤靶区的勾画。

患者在CT 扫描时接受的辐射剂量与CT 扫描方式与条件有关,在获得满足诊断要求的图像前提下尽量降低辐射剂量。降低CT 扫描剂量的方法主要有降低管电压、增加螺距、降低管电流等方法[4]。CTDIvol 随kV 和mAs 增大而增大。本研究中其他扫描条件相同时轴向扫描的辐射剂量是螺旋扫描的约2.26 倍。

本研究中扫描层厚越小,图像分辨率越高,图像越清晰。这一结果与相关报道一致[6],这是因为图像质量取决于扫描层面上体素的数量,扫描层厚越小,扫描层面上同一容积内体素数量增加,图像重建的数据量增加,图像质量提高[7-9]。扫描层厚对支架CT 值的影响较小[10]。扫描层厚越薄,扫描所得肿瘤体积越接近实际大小,提高治疗精度[11]

CT 值是扫描组织的线性衰减系数与水的线性衰减系数的相对差值,与组织物质成分和X 射线的能谱相关。本研究中同一管电压时,管电流变化时支架的CT 值差异不大,可不考虑管电流对CT 值的影响,这与相关报道结果一致[12-13],这是因为改变管电流并没有改变X 射线的能谱,物质衰减系数没有影响,对支架的CT 值影响较小。管电压对CT 值有直接影响[14-15],管电压变低时,支架的CT 值更高,本研究中80 kV 管电压条件下支架的平均CT 值比120 kV 管电压时大393 MU,这是因为管电压变化时,CT 机中发出的X射线光子能量改变,不同能量的射线在物质中的衰减系数不同,其获得的支架CT 值发生变化。气管支架为高密度金属物质,管电压的改变对于高原子序数物质CT值的影响较大[16],管电压降低时,X 射线光子能量降低,物质衰减系数变大,CT 值变大。每一个管电压都对应着一个CT-ED 曲线,因此在放疗定位时,定位部位相同时,需固定管电压,建立相应的CT-电子密度曲线,以获得精确的放疗剂量计算分布[17-18]

总之,对于含有气管支架的病人做放疗CT 定位时,扫描方式选择螺旋扫描,扫描层厚选择1 mm,管电压选择固定的管电压。

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Study on Effects of CT Image Quality Which Contain Tracheal Stent Under Different Scanning Conditions in Radiotherapy Simulation Positioning

LIN Tao1,2,3, NI Xinye2,3, GAO Liugang2,3, SUI Jianfeng2,3, XIE Kai2,3, CHANG Shuquan1
1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210000, China; 2. Department of Radiation Oncology,Changzhou Second People's Hospital Affiliated to Nanjing Medical University, Changzhou Jiangsu 213003, China; 3. Center of Medical Physics, Nanjing Medical University, Changzhou Jiangsu 213003, China

Abstract: Objective To evaluate the tumor localization CT scan conditions suitable for patients with tracheal stent, by comparing the CT images of tracheal stents under different scanning conditions. Methods The tracheal stent was placed in a self-made foamed tube,with which the stent was then placed in a non-homogeneous phantom for CT positioning scanning. The scanning conditions were 80 kV/120 mAs, 120 kV/80 mAs, 120 kV/120 mAs, and the scanning methods were axial scanning and helical scanning. The slice thickness of scanning were 0.6, 1, 2 and 3 mm. After the scanning, the images were sent to the treatment planning system. Two experienced radiologists rated the images for each group. CT values of the tracheal stent at the same level in each group of images were read using Matlab 8.3 data processing software. Results Under the same condition, the axial scan is clearer than the spiral scan.The smaller the scanning slice thickness, the less the artifacts and the clearer the image. The tube current had no effect on the CT value of the stent. The smaller the tube voltage, the larger the CT value of the stent. Conclusion In the radiotherapy CT localization of tumor patients with tracheal stent, spiral scan should be selected as the scanning mode, the slice thickness of scanning should be 1 mm, and the fixed tube voltage should be selected.

Key words: tracheal stent; tomography; scanning parameters; image quality

收稿日期:2018-08-22 修回日期:2018-10-12

基金项目:国家自然科学基金面上项目(81871756)。

通讯作者:倪昕晔,研究员,主要研究方向为肿瘤临床放疗。

通讯作者邮箱:nxy2000@aliyun.com

[中图分类号] R814.42;R815.6;R734

[文献标识码] A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2019.08.019

[文章编号] 1674-1633(2019)08-0085-04