能譜CT成像在肺癌診斷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

麥衛(wèi)平 張永林

030001太原，山西醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院影像科

能譜CT成像在肺癌診斷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

麥衛(wèi)平 張永林

030001太原，山西醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院影像科

能譜成像是近年來CT成像領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，具有多參數(shù)、定量分析等成像特點(diǎn)，其主要技術(shù)包括物質(zhì)分離、單能量圖像、能譜曲線和有效原子序數(shù)測(cè)定。通過多種參數(shù)和分析工具的綜合應(yīng)用，能譜CT能夠客觀反映病變的組織特征，對(duì)確定病變的組織來源和范圍、鑒別診斷等方面具有潛在價(jià)值。其在肺癌的篩查、肺結(jié)節(jié)的良惡性判定等方面的研究中也取得了初步成果，筆者就能譜CT的主要技術(shù)及其在肺癌診斷中的應(yīng)用作一綜述。

肺腫瘤；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；能譜成像；能譜曲線

肺癌是世界范圍內(nèi)常見的惡性腫瘤，2008年肺癌取代肝癌成為中國(guó)惡性腫瘤人群的首要死因，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年有60萬人死于肺癌[1-2]。隨著寶石能譜CT的問世，能譜成像已在臨床研究及疾病診斷方面取得了初步成果，在腫瘤的診斷、鑒別診斷及療效評(píng)估方面已成為研究熱點(diǎn)。

1 能譜CT成像基本原理及主要技術(shù)

1.1 基本原理

X射線能量通常用單位keV來表示，代表一個(gè)電子經(jīng)過1V電勢(shì)加速后具有的動(dòng)能，傳統(tǒng)CT成像中120 kVp指峰值在120 kV時(shí)的混合能量。CT能譜成像是通過單源瞬時(shí)高低kVp（80 kVp至140 kVp）切換技術(shù)，幾乎同時(shí)同角度得到兩種能量X線的采樣數(shù)據(jù)，依據(jù)這兩種能量數(shù)據(jù)來確定體素在40～140 keV能量范圍內(nèi)的衰減系數(shù)，進(jìn)而得到101個(gè)單能圖像。單能量CT圖像（keV圖像）與常規(guī)混合能量CT圖像（kVp圖像）相比，其能有效消除X線硬化偽影、提高圖像的噪聲比、獲得穩(wěn)定而精確的CT值[3]。不同的物質(zhì)對(duì)于不同能量的X線衰減系數(shù)不同，說明任何物質(zhì)都有與其對(duì)應(yīng)的X線衰減的特征性能譜曲線。且物質(zhì)的X線衰減系數(shù)可以用兩種基物質(zhì)的吸收系數(shù)來決定，能譜CT成像中最常用碘-水物質(zhì)分離，它包含了從軟組織到含碘對(duì)比劑以及醫(yī)學(xué)中常見的物質(zhì)范圍，通過碘基圖像可準(zhǔn)確、客觀地反映物質(zhì)真實(shí)的碘濃度[4]。

1.2 主要技術(shù)

1.2.1 物質(zhì)分離

任何組織皆可通過兩種物質(zhì)組合產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)來表達(dá)，即經(jīng)過高低兩組電壓掃描的X線衰減圖可以表達(dá)兩種物質(zhì)的密度圖，此過程即物質(zhì)分離。CT常用碘（水）圖來反映增強(qiáng)后組織有無強(qiáng)化及強(qiáng)化程度，碘（鈣）圖則用來區(qū)分高密度物質(zhì)的主要成分是對(duì)比劑還是鈣化，尿酸（鈣）圖用于區(qū)分真假痛風(fēng)石等[5]?；镔|(zhì)能通過去除增強(qiáng)圖像中的碘而得到虛擬平掃圖像，這樣可以減少患者平掃檢查所接受的輻射劑量。目前，虛擬平掃圖像已經(jīng)在尿路結(jié)石的檢出及顱腦血管成像時(shí)顱內(nèi)出血的檢出等方面得到應(yīng)用[6－7]。

1．2．2 單能量圖像

基于對(duì)圖像質(zhì)量和密度分辨率的需求，能譜CT能提供40～140 keV的101個(gè)能級(jí)的單能圖像，可消除硬化偽影，提供相對(duì)純凈的CT值及較好的噪聲比。不同能量水平下，同一物質(zhì)的吸收衰減系數(shù)不同，在某一單能量水平下病變與鄰近組織的吸收衰減系數(shù)差異最大并且圖像噪聲最低，此能量水平下的圖像為顯示該病變的最佳單能量圖像。能譜CT的optimal CNR軟件可以尋找出顯示某病變的最佳單能量圖像，從而更好地顯示病變的輪廓與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。低keV單能圖像可優(yōu)化低濃度對(duì)比劑動(dòng)靜脈成像效果，提高微小病灶檢出率，Lv等[8]研究顯示，能譜成像技術(shù)能夠提高鑒別肝微小血管瘤和小肝癌的靈敏度。而合適的高keV圖像可以有效去除金屬偽影及提高陰性結(jié)石顯示率。

1．2．3 能譜曲線

物理學(xué)上，每種物質(zhì)都有其特征性的能譜曲線，不同曲線代表不同結(jié)構(gòu)和病理組織類型，如純水曲線形態(tài)近似一條水平線，脂肪的標(biāo)準(zhǔn)化曲線表現(xiàn)為上升型曲線，大多數(shù)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化曲線為隨keV升高而CT值逐漸下降。因此能譜曲線在腫瘤良惡性鑒別、同源性數(shù)據(jù)分析等方面可提供更多診斷信息。

1．2．4 有效原子序數(shù)

X線衰減曲線很大程度上取決于物質(zhì)有效原子序數(shù)的大小，因而可以用有效原子序數(shù)來對(duì)物質(zhì)化學(xué)組成成分進(jìn)行分析，尤其CT值相近的物質(zhì)，利用有效原子序數(shù)可對(duì)物質(zhì)進(jìn)行更準(zhǔn)確分析。Qu等[9]研究提示，能譜成像能夠較好地區(qū)分不同種類的腎結(jié)石，并能根據(jù)有效原子序數(shù)來確定結(jié)石類型。

2 能譜CT在肺癌中的應(yīng)用

2．1 肺癌病灶的檢出

胸片廣泛應(yīng)用于肺癌篩查，但早期肺癌在平片上主要表現(xiàn)為密度不均的小結(jié)節(jié)，在正位胸片上，約43%肺部面積與心臟、縱隔、橫隔等組織重疊，容易漏診較大的惡性結(jié)節(jié)[10]。近年，國(guó)內(nèi)外采用低劑量螺旋CT來對(duì)胸部疾病進(jìn)行普查，雖然降低了輻射劑量，但因管電流的降低，圖像質(zhì)量受到一定的影響，對(duì)微結(jié)節(jié)顯示不盡人意。能譜CT低劑量掃描結(jié)合自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建技術(shù)，既能降低X射線劑量，又能保證圖像質(zhì)量，對(duì)肺野內(nèi)微細(xì)結(jié)構(gòu)顯示清晰，對(duì)于≤10 mm的結(jié)節(jié)檢出率高于常規(guī)低劑量CT，是高危人群早期肺癌篩查的重要手段[11]。

2．2 肺結(jié)節(jié)良惡性的鑒別

孤立性肺結(jié)節(jié)（solitary pulmonary nodules，SPN）指可勾畫輪廓的、影像學(xué)上不透明的、直徑＜3 cm、周圍完全被含氣肺組織包繞的圓形或橢圓形密度增高影，不伴肺不張、肺門腫大和胸腔積液[12－13]。肺結(jié)節(jié)為肺內(nèi)常見病變，依據(jù)結(jié)節(jié)大小，將≤8 mm的病灶定義為亞厘米結(jié)節(jié)，直徑＞3 cm的病灶定義為腫塊，影像學(xué)上將肺小結(jié)節(jié)分為非實(shí)性結(jié)節(jié)（純磨玻璃結(jié)節(jié)）、部分實(shí)性結(jié)節(jié)（混合性磨玻璃結(jié)節(jié)）及實(shí)性結(jié)節(jié)，非實(shí)性結(jié)節(jié)和部分實(shí)性結(jié)節(jié)的惡性率較實(shí)性結(jié)節(jié)高[14]。SPN有良、惡性之分，常見的良性結(jié)節(jié)有肉芽腫、錯(cuò)構(gòu)瘤、結(jié)核球、硬化性肺細(xì)胞瘤及炎性假瘤等，惡性結(jié)節(jié)多為支氣管肺癌[15]。早期對(duì)SPN定性診斷，對(duì)改善患者預(yù)后有重大意義，惡性者可以早期手術(shù)切除，良性者則可以避免過度診斷與治療。CT是檢出SPN的重要方法，傳統(tǒng)CT主要從形態(tài)上鑒別SPN。惡性SPN：一般形態(tài)不規(guī)則，邊緣有細(xì)毛刺，邊緣出現(xiàn)叢毛征、不規(guī)則小棘狀突起或出現(xiàn)大小不等、深淺不一的分葉，內(nèi)部可見空泡征或空洞，一般單發(fā)厚壁，洞壁朝向胸膜面，洞內(nèi)壁一般不規(guī)則，有壁結(jié)節(jié)。結(jié)節(jié)周邊常出現(xiàn)血管集束征、胸膜凹陷征及肺門引流征等。良性SPN：呈圓形或橢圓形，有衛(wèi)星灶，內(nèi)部常見鈣化，胸膜面呈帶狀或星狀密度增高影，肺門引流呈“雙軌狀”，結(jié)節(jié)內(nèi)空洞一般呈裂隙狀。因存在異病同影及同病異影的現(xiàn)象，單純CT征象鑒別肺結(jié)節(jié)良惡性較為困難。

常規(guī)CT掃描因X線硬化現(xiàn)象影響CT值的準(zhǔn)確測(cè)量，而且不同CT機(jī)型因采用的球管不同所測(cè)得的CT值也存在偏差。不同性質(zhì)病變的平掃CT值相近，增強(qiáng)強(qiáng)化模式不典型，使不同性質(zhì)SPN鑒別存在一定的困難。能譜CT單能量成像有效去除偽影，提供比常規(guī)混合能量成像更精確的CT值，有利于肺結(jié)節(jié)的鑒別。方亞軍等[16]對(duì)不同密度肺結(jié)節(jié)模型同時(shí)行能譜掃描和常規(guī)掃描，并測(cè)量肺結(jié)節(jié)模型的CT值，顯示能譜掃描測(cè)得的CT值較常規(guī)掃描更準(zhǔn)確。碘是CT增強(qiáng)對(duì)比劑的主要成分，通過對(duì)組織碘含量定量分析，可有效反映組織的血流動(dòng)力學(xué)狀況。能譜CT提供的碘基圖可更好地反映病灶內(nèi)碘的分布情況，其碘濃度能客觀準(zhǔn)確地反映病灶的血供情況，從而區(qū)分炎性或惡性病變。吳維等[17－18]將SPN分為良性組、惡性組及炎性組，惡性組主要有肺癌、類癌和肺轉(zhuǎn)移瘤；良性組主要為錯(cuò)構(gòu)瘤、硬化性肺細(xì)胞瘤、結(jié)核球等；炎性組主要包括炎性假瘤、肺膿腫及霉菌球等；分別對(duì)這3組患者行胸部能譜雙期或三期增強(qiáng)掃描，分析各組結(jié)節(jié)不同增強(qiáng)時(shí)期碘基值、能譜曲線及曲線斜率變化，結(jié)果顯示，惡性組與炎性組在各個(gè)時(shí)期能譜曲線的位置均高于良性組，兩組的曲線斜率和結(jié)節(jié)病灶碘基值也高于良性組。影響能譜曲線CT值衰減的主要因素是病變的密度、血供及強(qiáng)化差異，惡性結(jié)節(jié)內(nèi)的微血管網(wǎng)主要由增多、扭曲、擴(kuò)張的支氣管動(dòng)脈分支構(gòu)成，在動(dòng)脈增強(qiáng)早期強(qiáng)化；炎性結(jié)節(jié)的微血管同樣來源于支氣管動(dòng)脈的毛細(xì)血管網(wǎng)，很多炎性病變內(nèi)微血管數(shù)量更密集，擴(kuò)張更明顯，血供更豐富，所以強(qiáng)化程度較惡性結(jié)節(jié)更明顯；而常見的良性結(jié)節(jié)是乏血供的，強(qiáng)化程度一般較弱。吳維等[17－18]得出，炎性組的能譜曲線位置最高，曲線斜率和碘基值最大，可以有效鑒別炎性結(jié)節(jié)和惡性結(jié)節(jié)。

2．3 肺癌病理類型的鑒別

肺癌根據(jù)組織病理學(xué)分為非小細(xì)胞肺癌和小細(xì)胞肺癌兩大類，非小細(xì)胞肺癌中最常見的是肺鱗癌和肺腺癌[19]。肺癌病理診斷主要通過活檢或細(xì)胞學(xué)檢查獲得，如何通過無創(chuàng)檢查手段來確定病理類型是臨床始終探索的目標(biāo)。同一大類腫瘤的不同類型的瘤細(xì)胞在物質(zhì)構(gòu)成及細(xì)胞排列的緊密程度等方面存在細(xì)微差異。例如，鱗癌主要以堆積式生長(zhǎng)，瘤細(xì)胞增殖堆積逐漸充滿肺泡，鱗癌多存在細(xì)胞間橋及角化珠，瘤體一般偏大且瘤內(nèi)血管分布不均，瘤細(xì)胞易發(fā)生變性壞死，局部酸堿度改變，易引起鈣質(zhì)沉著。腺癌則以伏壁式生長(zhǎng)為主，瘤細(xì)胞沿肺泡壁等肺內(nèi)支架結(jié)構(gòu)蔓延生長(zhǎng)，常伴有腺樣分化及黏液產(chǎn)生[20]。這些差異在CT成像上主要表現(xiàn)為CT值不同，傳統(tǒng)CT混合能量成像獲得的單一CT值難以顯示這種細(xì)微差異。林曉珠等[21]研究發(fā)現(xiàn)，CT能譜成像對(duì)富血供小病灶的檢測(cè)、腫瘤特征的分析具有傳統(tǒng)CT所沒有的新作用，可為臨床提供更多病理信息。王雪梅等[22]研究顯示，能譜CT平掃鱗癌的鈣含量及Effective-Z均大于腺癌；增強(qiáng)掃描后，鱗癌在不同keV水平下的CT值均高于腺癌，其標(biāo)準(zhǔn)碘含量及40～90 keV能量段能譜曲線斜率大于腺癌，提示CT能譜成像可以作為鱗癌和腺癌鑒別診斷的有效輔助手段。孟曉燕[23]研究提示，能譜CT定量指標(biāo)對(duì)肺鱗癌與肺腺癌沒有鑒別意義；而標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度值對(duì)小細(xì)胞癌與非小細(xì)胞癌的鑒別具有一定臨床價(jià)值。目前，能譜CT定量指標(biāo)是否能用于鑒別肺癌的不同病理類型尚存爭(zhēng)議，還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

2．4 肺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的評(píng)估

肺癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移與否是確定術(shù)前分期、治療方案及預(yù)后評(píng)價(jià)的重要因素，判斷縱隔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的方法主要有纖維支氣管鏡、超聲引導(dǎo)下穿刺活檢及縱隔鏡檢查等，診斷準(zhǔn)確率高，但均為有創(chuàng)侵入性檢查，容易并發(fā)氣胸、出血及瘤細(xì)胞種植等而受到一定限制[24－25]。PET/CT作為無創(chuàng)檢查方法，靈敏度較高，但易出現(xiàn)較高的假陽性率，且因價(jià)格昂貴而不能普及[26]。能譜CT可通過顯示縱隔淋巴結(jié)的最佳單能圖像來更好地顯示淋巴結(jié)病變，將病變淋巴結(jié)與肺內(nèi)原發(fā)病灶兩者的能譜曲線進(jìn)行同源性數(shù)據(jù)分析，克服了傳統(tǒng)CT只依賴淋巴結(jié)形態(tài)學(xué)的診斷模式。劉金剛等[27]對(duì)淋巴瘤、肺腺癌、肺鱗癌及膽管癌的轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)行能譜CT研究顯示，分析碘含量及低能量下的CT值對(duì)不同來源的轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)有一定的鑒別意義。李明英等[28]研究提示，能譜曲線能夠?yàn)榭v隔轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)診斷提供新方法，有利于肺癌患者術(shù)前更準(zhǔn)確分期。能譜CT在評(píng)價(jià)縱隔轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)中已經(jīng)發(fā)揮一定價(jià)值，但相關(guān)研究樣本均較小，需擴(kuò)大樣本研究以得出更可靠的理論依據(jù)。

2．5 肺癌療效評(píng)估

肺癌個(gè)體化治療方案選擇及療效評(píng)價(jià)一直是臨床關(guān)注的問題，臨床上肺癌的療效評(píng)價(jià)主要依據(jù)CT等圖像中實(shí)體腫瘤大小變化，即實(shí)體瘤治療反應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，來判斷治療療效，其靈敏度和準(zhǔn)確率有限。因形態(tài)學(xué)改變晚于組織代謝方面的改變，瘤體縮小與瘤細(xì)胞死亡間存在不同步性。能譜CT對(duì)腫瘤療效的評(píng)價(jià)研究主要運(yùn)用物質(zhì)分離技術(shù)，得到碘基圖像進(jìn)而對(duì)碘的濃度進(jìn)行定量測(cè)量。腫瘤組織治療前后，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，因而進(jìn)入瘤體的碘相應(yīng)發(fā)生變化，所測(cè)得碘濃度值亦發(fā)生了變化。當(dāng)肺癌伴有阻塞性肺不張、肺炎，或因胸腔積液導(dǎo)致肺壓縮使病變表現(xiàn)復(fù)雜化，難以準(zhǔn)確測(cè)得瘤體大小時(shí)，可通過最佳單能圖像來勾畫瘤體邊緣，以更好地觀測(cè)治療前后瘤體的變化情況。

3 不足與展望

能譜CT繼承了傳統(tǒng)CT優(yōu)點(diǎn)，為臨床工作提供了重要的影像學(xué)診斷信息。能譜成像在去除偽影、微小病灶的檢出、微細(xì)結(jié)構(gòu)的顯示及低劑量成像等方面顯示了其特有的優(yōu)點(diǎn)；在腫瘤良惡性鑒別診斷、病理類型預(yù)判、評(píng)估淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移及治療療效評(píng)估等方面具有潛在價(jià)值。目前，能譜定量指標(biāo)與病理對(duì)照研究尚少，其指標(biāo)的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性仍需提高樣本量來研究驗(yàn)證。雖然能譜CT的研究已經(jīng)取得一定成果，但各項(xiàng)研究結(jié)果間尚存一定爭(zhēng)論，所以CT能譜成像在肺癌中的應(yīng)用價(jià)值有待于進(jìn)一步深入研究驗(yàn)證。

利益沖突 本研究的署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨(dú)立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明 張永林負(fù)責(zé)論文命題的提出、論文審閱；麥衛(wèi)平負(fù)責(zé)收集整理相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)大量文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀、整理、翻譯及總結(jié)，最后進(jìn)行論文撰寫等工作。

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Research progress of spectral imaging in the diagnosis of lung cancer

Mai Weiping,Zhang Yonglin
Department of Radiology,the Second Hospital of Shanxi Medical University,Taiyuan 030001,China

Zhang Yonglin,Email:463959354@qq.com

Spectral imaging is a new technique in the field of CT imaging in recent years,with many parameters,quantitative analysis of imaging characteristics,the main technology including material separation,single energy image,can measure the spectrum curve and the effective atomic number.Through the comprehensive application of various parameters and analysis tools,spectrum imaging can reflect the characteristics of lesions,and has potential value to determine the source and scope,differential diagnosis etc..The screening of lung cancer,the identifying of benign and malignant pulmonary nodules and other aspects of the study also achieved initial results.This article focuses on the spectrum technology and its application in diagnosis of lung cancer.

Lung neoplasms;Tomography,X-ray computed;Spectral imaging;Spectral curve

張永林，Email：463959354@qq.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2016.01.015

2015-07-24）