能譜CT顯示前列腺病灶的最佳單能量研究

張曉斐， 許建榮， 朱正飛， 胡超蘇， 章真

?

·腹部影像學(xué)·

能譜CT顯示前列腺病灶的最佳單能量研究

張曉斐， 許建榮， 朱正飛， 胡超蘇， 章真

目的：運(yùn)用能譜CT研究顯示前列腺病灶的最佳單能量值及其圖像質(zhì)量分析。方法：回顧性分析28例前列腺外周帶病變患者的臨床和影像資料，共發(fā)現(xiàn)38個病灶，包括前列腺癌20個、前列腺增生18個?；颊呔腥趧討B(tài)增強(qiáng)(動脈期、靜脈期及實質(zhì)期)CT能譜成像，在140 kVp混合能量圖像和40～140 KeV各組單能量圖像上測量和計算病灶的對比噪聲比(CNR)，記錄每個病灶CNR最高的圖像所對應(yīng)的KeV值，每個病灶測量3次(選取3個不同層面)，計算其均值。對不同期相的140 kVp圖像和50 keV圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量的主觀評分(5級評分法)和客觀評價(CNR)，兩組間比較采用配對t檢驗。結(jié)果：統(tǒng)計分析結(jié)果顯示前列腺病灶的最佳單能量值為(50.7±1.53) keV。不同期相50 keV圖像的主觀評分分別為3.88±0.64、3.88±0.64和3.63±0.74，140 kVp圖像的相應(yīng)評分分別為2.63±0.52、2.88±0.64和2.50±0.54。病灶在不同期相50 keV圖像上的CNR(32.42±5.06、36.02±5.80和34.97±4.14)均高于140 kVp圖像(13.45±3.53、20.86±4.34和21.14±3.41)，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)論：能譜CT檢查顯示前列腺病灶的最佳單能量值為50 keV，其圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于普通混合能量圖像，有利于前列腺外周帶病灶的檢出。

體層攝影術(shù)，X線計算機(jī)； 前列腺癌； 前列腺增生； 能譜成像； 信號噪聲比； 圖像質(zhì)量

材料與方法

1.病例資料

2011年08月-2012年8月對28例(平均年齡68.5歲，59～82歲)門診篩查擬診前列腺癌的患者，行能譜CT動脈期、靜脈期、實質(zhì)期三期增強(qiáng)檢查，然后在增強(qiáng)彩色多普勒超聲(contrast-enhanced color doppler ultrasound，CECDU)引導(dǎo)下行前列腺穿刺活檢。能譜CT增強(qiáng)檢查與CECDU引導(dǎo)下前列腺穿刺檢查的時間間隔為(13±8) d。病例納入要求：由于圖像質(zhì)量的原因，入組的前列腺異常強(qiáng)化病灶只局限于外周帶。另外，只有在CT增強(qiáng)掃描及穿刺前增強(qiáng)彩色多普勒超聲檢查中表現(xiàn)一致的病灶納入本研究。病例排除標(biāo)準(zhǔn)：既往有前列腺穿刺史；一般情況差，不能耐受穿刺活檢；既往有有急性前列腺炎、出血或前列腺癌病史；有CT增強(qiáng)掃描禁忌證(如肌酐水平異常、糖尿病、某些甲狀腺疾病等)；有CECDU對比劑(即六氟化硫)禁忌證。共38處病灶納入本研究，其中前列腺癌20處，前列腺增生18處。本研究中所有患者簽署了知情同意書。

2.掃描參數(shù)設(shè)置

使用GE Discovery 750 HDCT機(jī)。行前列腺常規(guī)CT平掃和能譜CT三期增強(qiáng)掃描，掃描范自骶髂關(guān)節(jié)至恥骨聯(lián)合水平。使用雙筒高壓注射器經(jīng)肘靜脈注射對比劑碘帕醇(300 mg I/mL)，注射流率4 mL/s，用量80～100 mL，然后以相同流率注射生理鹽水20 mL。采用人工智能觸發(fā)掃描系統(tǒng)確定延遲時間，觸發(fā)點設(shè)在腹主動脈，觸發(fā)閾值為100 HU。達(dá)閾值時自動啟動動脈期掃描，動脈期后30 s掃描靜脈期，其后25 s掃描實質(zhì)期。CT平掃參數(shù)：600 mA，層厚和間隔均為3.75 mm，視野35 cm×35 cm，0.6 s/r，螺距1.375(43%的患者)或0.984(57%的患者)，床速39.37 mm/r。三期能譜增強(qiáng)掃描時，管電壓為高低能量(80和140 kVp)瞬時(0.5 ms)切換，其它參數(shù)同平掃。

3.圖像后處理

利用隨機(jī)能譜成像瀏覽器(Gemstone Spectral Imaging Viewer，GSI)軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，可同時獲得混合能量圖像、40～140 KeV各能級單能量圖像及碘基物質(zhì)圖像，每種圖像均可以橫軸面、冠狀面和矢狀面顯示。選擇“optimal CNR”程序，可獲得每例患者的顯示病灶最佳的期相，記錄具有最高CNR的單能量keV值(圖1、2)，在相應(yīng)圖像上于前列腺外周帶內(nèi)可疑病灶及其周正常前列腺組織內(nèi)勾畫ROI 。對于均勻強(qiáng)化的病灶，ROI要盡量包括整個病灶；對于增強(qiáng)不均一的病灶，ROI的放置要盡量避免明顯的囊變壞死區(qū)。圖像分析與測量均在GE AW4.4工作站上進(jìn)行，包括主觀評價和客觀評價。主觀評價：3位高年資腹部影像診斷醫(yī)師分別對不同期相的140 kVp圖像和50 keV圖像質(zhì)量進(jìn)行評分，意見不一致時，共同復(fù)閱決定。圖像質(zhì)量評分采用5級評分法[3-4]。5分(優(yōu)異)：解剖結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)清晰，無明顯噪聲和硬化偽影；4分(良好)：解剖結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)較清楚，噪聲和硬化偽影增多；3分(中等)：大部分解剖結(jié)構(gòu)較清楚，細(xì)節(jié)顯示欠清楚，噪聲和硬化偽影較明顯但可接受；2分(較差)：解剖結(jié)構(gòu)不清楚，細(xì)節(jié)辨識困難，噪聲和硬化偽影很明顯；1分(極差)：解剖結(jié)構(gòu)模糊，細(xì)節(jié)無法辨識，噪聲和硬化偽影極明濕。3分及以上者可滿足診斷要求。客觀評價：由另1位高年資腹部影像診斷醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，利用復(fù)制和粘貼功能，使140 kVp圖像和50 kVe三個時相圖像上前列腺外周帶病灶、病灶周圍正常前列腺組織的ROI位置、形狀和大小保持一致，ROI選擇密度均勻、偽影少的區(qū)域并避開較大血管、壞死和鈣化部分。評價指標(biāo)為腫瘤與正常組織的對比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)，計算公式如下：

(1)

4.統(tǒng)計學(xué)分析

通過示范區(qū)建設(shè)，將對我省馬鈴薯品種更新?lián)Q代，以及脫毒種薯的普及應(yīng)用，幫助農(nóng)民脫貧致富，推動地方優(yōu)勢特色農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進(jìn)我省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化再上新臺階具有重要意義。

對每一病灶的掃描圖像選取3個不同掃描層面進(jìn)行測量，取算數(shù)平均值。采用IBM SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件，對2組圖像的圖像質(zhì)量評分及腫瘤-背景CNR的比較采用配對t檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié)　果

1.最佳KeV的選擇

顯示前列腺外周帶病灶的最佳單能量數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，最佳單能量值為50.7±1.53，方差2.33。即單能量值為50 KeV時，圖像能獲得最高的對比噪聲比(圖1、2)。

2.圖像質(zhì)量評分

所有圖像的評分均在3分以上，符合臨床診斷要求。25例患者50 keV圖像上均無明顯硬化偽影，3例患者140 kVp圖像上出現(xiàn)硬化偽影。不同前列腺外周帶病灶三期增強(qiáng)50 keV圖像的評分分別為3.88±0.64、3.88±0.64和3.63±0.74；140 kVp圖像的評分分別為2.63±0.52、2.88±0.64和2.50±0.54(表1；圖3)。不同期相50 keV圖像評分均高于140 kVp圖像，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

3.病灶的CNR

病灶的CNR(表2)在三期增強(qiáng)50 keV圖像上分別為32.42±5.06、36.02±5.80和34.97±4.14，在140 kVp圖像上分別為13.45±3.53、20.86±4.34和21.14±3.41，50 keV圖像均高于140 kVp圖像，兩組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表1　140kVp和50keV圖像在不同前列腺病灶中質(zhì)量評價和CNR值比較

討　論

1.目前前列腺病灶的診斷現(xiàn)狀

前列腺癌的早期診斷主要依靠直腸指診、血清前列腺特異性抗原(prostate specific antigen,PSA)檢測和前列腺穿刺活檢。直腸指診主觀性強(qiáng)，受經(jīng)驗水平影響。血清PSA的檢測在臨床上使用最為廣泛，但其受多種因素的影響而缺乏足夠的特異性，如良性前列腺增生及前列腺炎時血清PSA也可升高，文獻(xiàn)報道，以血清PSA>4 ng/mL作為診斷前列腺癌的閾值，陽性預(yù)測值僅30.5%～41.4%[5]。目前，對于血清PSA水平升高的男性患者，診斷前列腺癌的金標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)直腸超聲(transrectal ultrasonography,TRUS)引導(dǎo)下穿刺活檢[6]。但超聲引導(dǎo)下穿刺活檢的缺點有以下幾點：超聲分辨率較低；相當(dāng)一部分患者需要重復(fù)穿刺確診；即使預(yù)防性使用抗生素，術(shù)后仍然有1%～4%的患者出現(xiàn)較為嚴(yán)重的感染并發(fā)癥，如膿腫、敗血癥和菌血癥。

因此，準(zhǔn)確性高的非侵襲性診斷方法非常必要。常規(guī)MRI對前列腺癌的診斷假陽性率較高, 在常規(guī)T2WI上無法準(zhǔn)確區(qū)分前列腺癌與其它外周帶低信號病灶，如前列腺炎、前列腺鈣化，梗死及平滑肌型前列腺增生，因此對前列腺癌的診斷特異性較低[7]。單b值及多b值DWI、波譜成像、動態(tài)增強(qiáng)(dynamic contrast enhanced,DCE)等MRI新技術(shù)的應(yīng)用使得對前列腺癌的診斷準(zhǔn)確性有一定提高，然而由于后處理圖像分辨率較低，對病灶的顯示仍處于研究初期，亟待磁共振技術(shù)及后處理軟件的完善[8]。

2.前列腺疾病的CT診斷現(xiàn)狀

傳統(tǒng)CT是盆腔檢查的良好手段，但是不能夠清晰的顯示前列腺，此方面的研究鮮有報道。對于前列腺癌的CT診斷，國內(nèi)外有大量的研究[9-12]。前列腺癌的CT表現(xiàn)主要包括平掃時前列腺邊緣毛糙、模糊，波浪狀隆起，邊緣呈結(jié)節(jié)狀；局限性密度不均勻減低；周圍結(jié)構(gòu)浸潤表現(xiàn)為雙側(cè)精囊增大，膀胱壁增厚，淋巴結(jié)增大。其中后者為晚期腫瘤的表現(xiàn)，診斷難度不大，但早期前列腺癌與前列腺增生病灶的影像表現(xiàn)有部分重疊，鑒別困難。前列腺癌的CT增強(qiáng)掃描表現(xiàn)為外周帶局灶或彌散的早期增強(qiáng)，不均勻強(qiáng)化。有研究表明CT多期增強(qiáng)掃描可顯示58%的外周帶前列腺癌，特異度不理想[12]。這是由于前列腺實質(zhì)、前列腺尿道和前列腺包膜三者之間密度近似，CT上不能區(qū)分；前列腺底部與膀胱底部在CT上的掃描平面平行一致，存在部分容積效應(yīng)，因此兩者的分界在CT上不易區(qū)分。

3.能譜CT單能量圖像的優(yōu)勢

能譜CT于2009年被臨床所應(yīng)用。CT能譜成像技術(shù)基于創(chuàng)新材料的探測器、瞬時變能高壓發(fā)生器及有效的數(shù)據(jù)采集和后處理技術(shù)。寶石探測器具有極好的光學(xué)特性，可見光轉(zhuǎn)換速度高達(dá)0.03 us，將近傳統(tǒng)材料的100倍，并且在機(jī)架旋轉(zhuǎn)一次的時間內(nèi)能夠采集2496次，提高了空間分辨率和圖像質(zhì)量。瞬時變能高壓發(fā)生器使系統(tǒng)在0.5 ms周期內(nèi)實現(xiàn)了對X線進(jìn)行80 kVp和140 kVp電壓切換，從而達(dá)到瞬時變能的目的，這便保證了能譜采集每圈實現(xiàn)40～140 keV范圍內(nèi)的101個任一單能量序列圖像，降低了圖像硬化偽影，增加對比噪聲比[2]。

CT圖像上硬化效應(yīng)的產(chǎn)生原理為在X線束(如120 kVp)穿過人體的過程中，低能量X光子首先被吸收掉，剩余X線束包含更多高能量的射線，X線平均能量不斷增加。而且射線能量越低，物質(zhì)對射線的吸收越多。即使X線在均勻物質(zhì)中穿行，先接觸到射線的物質(zhì)由于這時射線能量低，對X線的吸收多要多于后接觸射線的物質(zhì)對X線的吸收。同為一種物質(zhì)卻表現(xiàn)為不同的CT值就產(chǎn)生了硬化偽影。而對于同一能量水平的單能量圖像，物質(zhì)的衰減系數(shù)僅取決于其本身密度，因此測量的CT值更準(zhǔn)確，圖像對比信噪比增加，硬化偽影降低[13]。

單能量圖像在不同能量水平具有不同特征，低能量水平圖像組織對比增強(qiáng)，但噪聲增高；高能量水平圖像硬化偽影少，但組織對比減弱。在某一能量水平，對比與噪聲二者之間達(dá)到某種最佳平衡，病灶與實質(zhì)臟器之間的衰減差異可以達(dá)到最大，同時噪聲值最低，即圖像的CNR最佳，這一能量水平就是該病灶的最佳keV值[1]，為病變的清晰顯示、準(zhǔn)確診斷提供最為有利的證據(jù)。靜脈、脊髓、韌帶與肌腱等低對比結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)CT成像的弱點，采用最佳CNR單能圖像可以提升這些結(jié)構(gòu)的對比度。有研究顯示，51 keV單能量成像可以顯著提高肝臟CT成像的圖像質(zhì)量[14]。本研究結(jié)果顯示50 keV單能量圖像質(zhì)量較普通混合能量圖像有所改善。

4.本研究的創(chuàng)新性與局限性

本研究創(chuàng)新性在于運(yùn)用目前世界上最新的能譜CT觀察前列腺外周帶異常強(qiáng)化灶，應(yīng)用能譜軟件，尋找顯示前列腺病灶的最佳條件。通過能譜CT最佳單能量測量功能得到顯示前列腺外周帶病灶的最佳單能量數(shù)據(jù)。另外在圖像質(zhì)量的評估方面，結(jié)果顯示50 keV圖像優(yōu)于140 kVp圖像。不同期相的圖像上病灶的CNR均為50 keV圖像優(yōu)于140 kVp圖像。

然而本研究存在諸多不足。最佳CNR圖像并非噪聲最小，對于能譜CT單能量成像，是單純追求最佳CNR，還是兼顧C(jī)NR和圖像質(zhì)量，有待于進(jìn)一步研究；其次，未與其它影像學(xué)檢查如MRI、超聲、雙能CT 進(jìn)行詳細(xì)的對照研究；第三，研究對象樣本量較小，病種較單一。

綜述所述，本組研究結(jié)果顯示50 keV是顯示前列腺外周帶病灶的最佳單能量值，其圖像質(zhì)量較常規(guī)混合能量圖像有所改善，可提高前列腺外周帶病灶的檢出率。

[1]Stearns GL,Sandhu JS.The impact of medical and surgical treatment for benign prostatic hypertrophy on erectile function[J].Curr Urol Rep,2015,16(11):80-85.

[2]陳克敏，嚴(yán)福華，林曉珠，等.能譜CT的基本原理與臨床應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007:26-27.

[3]Behrendt FF,Schmidt B,Plumhans C,et al.Image fusion in dual energy computed tomography:effect on contrast enhancement,signal-to-noise ratio and image quality in computed tomography angiography[J].Invest Radiol,2009,44(1):1-6.

[4]Funama Y,Awai K,Nakayama Y,et al.Radiation dose reduction without degradation of low-contrast detectability at abdominal multisection CT with a low-tube voltage technique：phantom study[J].Radiology,2005,237(3):905-910.

[5]Carroll PR,Parsons JK,Andriole G,et al.NCCN Guidelines insights:prostate cancer early detection (Version 2.2016)[J].J Natl Compr Canc Netw,2016,14(5):509-519.

[6]Machtens S,Roosen A,Stief CG.Prostate biopsy. update for indication,procedure,and future developments[J].Urologe A,2014,53(7):1046-1051.

[7]Macura KJ.Multiparametric magnetic resonance imaging of the prostate:current status in prostate cancer detection,location and staging[J].Semin Roentgenol,2008,43(4):303-311.

[8]Fusco R,Sansone M,Petrillo M,et al.Multiparametric MRI for prostate cancer detection:preliminary results on quantitative ana-lysis of dynamic contrast enhanced imaging,diffusion weigthed imaging and spectroscopy imaging[J].Magn Reson Imaging,2016,34(7):839-845.

[9]藍(lán)博文，王穎，譚理連.前列腺癌的CT診斷與鑒別診斷[J].中華放射學(xué)雜志，2000，34(12):852-854.

[10]吳愛蘭，韓萍，史河水,等.前列腺癌的CT診斷及評價[J].臨床放射學(xué)雜志，2001，20(2):109-111.

[11]張興偉，鳳偉，周康榮.前列腺癌螺旋CT早期增強(qiáng)的初步研究[J].臨床放射學(xué)雜志，2001，20(2):107-108.

[12]Prando A,Wallace S.Helical CT of prostate cancer:early clinical experience[J].AJR,2000,175(2):343-346.

[13]Giersch J,Niederlohner D,Anton G.The influence of energy weighting on X-ray imaging quality[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2004,531(1-2):68-74.

[14]Zhao LQ,He W,Li JY，et al.Improving image quality in portal venography with spectral CT imaging[J].Eur J Radiol,2012,81(8):1677-1681.

Study on optimal KeV spectral CT monochromatic imaging for detecton of peripheral prostatic lesions

ZHANG Xiao-fei，XU Jian-rong,ZHU Zheng-fei,et al.Department of Radiotherapy,Fudan University Shanghai Cancer Center;Department of Oncology,Shanghai Medical College,Fudan University,Shanghai 200032,China

Objective:To investigate the optimal keV for demonstrating peripheral prostatic lesions on CT spectral imaging and to analyze its image quality.Methods:Clinical and CT data of 28 patients with 38 prostatic lesions in peripheral zone were analyzed retrospectively.20 prostate cancer (Pca) and 18 benign prostate hyperplasia (BPH) were detected.All patients underwent three phase contrast-enhanced CT spectral imaging.On 140kVp polychromatic images and 40～140KeV monochromatic images of arterial phase,venous phase and parenchymal phase,contrast-to-noise ratio (CNR) of peripheral prostatic lesions were measured and calculated.The keV value of the images on which the CNR of each lesion was the highest was recorded,the keV values of three slices for each lesion were measured and averaged.Image quality of 140kVp polychromatic images and 50keV monochromatic images in three phases were analyzed and compared using paired-samplettests.5-scaled score was used in subjective analysis,and CNR was used for objective analysis.Results:Statistical analysis showed that the monochromatic value for best CNR was (50.7±1.53)keV.In 50keV group,the image quality scores in three phases were 3.88±0.64,3.88±0.64,and 3.63±0.74;and in 140kVp group,those were 2.63±0.52,2.88±0.64,and 2.50±0.54,correspondingly.The CNRs of 50keV images in three phases (32.42±5.06,36.02±5.80,34.97±4.14) were higher than those of 140kVp images (13.45±3.53,20.86±4.34,21.14±3.41),there were significant differences between the two groups (P<0.05).Conclusion: 50keV is the optimal monochromatic level to demonstrate peripheral prostatic lesions.The image quality of spectral CT monochromatic imaging is better than that of 140kVp imaging,thus can improve the detective ability for small peripheral prostatic lesions.

Tomography,X-ray computed； Prostate cancer； Prostate hyperplasia； Spectral imaging； Contrast-to-noise ratio； Image quality

200032上海，復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療科 復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系(張曉斐、朱正飛、胡超蘇、章真)；200127上海，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院放射科(許建榮)

張曉斐(1985—)，女，山東泰安人，碩士，住院醫(yī)師，主要從事腫瘤的功能影像學(xué)研究工作。

章真，E-mail：zz_zlyy@163.com

R814.42； R737.25

A

1000-0313(2016)08-0747-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.08.017

2016-04-11

2016-07-01)