CT能量成像在膽結(jié)石診斷及成分研究中的進(jìn)展

張子田， 李松柏

膽結(jié)石病是常見的胃腸道疾病之一，發(fā)達(dá)國家中此病的發(fā)病率高達(dá)10%～20%[1]。膽結(jié)石的形成原因復(fù)雜多樣，不僅與膽汁的理化代謝改變相關(guān)[2]，還涉及遺傳、不良生活習(xí)慣、感染等多個方面[3]。對于膽結(jié)石的診斷及成分研究的手段多種多樣，其中體外分析對于其結(jié)構(gòu)、理化特性的分析較為準(zhǔn)確，常常作為體內(nèi)分析結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)，常用的分析方法有X射線衍射法、傅里葉變換紅外光譜法、電子自旋共振譜分析法等，但其對于臨床診斷治療的幫助沒有體內(nèi)分析顯著。體內(nèi)分析可以診斷結(jié)石的位置、大小，預(yù)測分析人體內(nèi)的膽結(jié)石成分，可以為臨床治療提供更多樣化、更準(zhǔn)確的信息，體內(nèi)分析的方法有超聲、CT及MRI。現(xiàn)階段膽結(jié)石病的治療主要有賴于膽囊切除術(shù)，但隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展及人們對醫(yī)療質(zhì)量要求的不斷提高，保膽治療逐漸成為治療的新趨勢，而明確結(jié)石的診斷及其成分則至關(guān)重要。隨著CT技術(shù)的不斷發(fā)展以及能量成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，近年來關(guān)于其在膽結(jié)石的診斷及成分分析方面的研究不斷增多，本文就近年來CT能量成像在膽結(jié)石診斷及成分分析方面的研究作簡要綜述。

膽結(jié)石的分類

膽結(jié)石按成分主要可以分為膽固醇結(jié)石、膽色素結(jié)石及混合結(jié)石，按結(jié)石發(fā)生的部位又可分為膽囊結(jié)石、肝內(nèi)膽管結(jié)石、肝外膽管結(jié)石。膽囊內(nèi)的結(jié)石主要包括膽固醇結(jié)石及黑色膽色素結(jié)石，膽固醇結(jié)石內(nèi)膽固醇重量在95%以上，呈類球形，質(zhì)地較硬，表面光滑或呈桑葚狀，色澤淺黃；黑色膽色素結(jié)石是由膽色素鈣化合物構(gòu)成、質(zhì)地松軟易碎、表面光滑的黑色小球形結(jié)石。發(fā)生于膽總管內(nèi)的結(jié)石主要是混合性膽固醇結(jié)石，由重量在50%以上的膽固醇及膽色素、鈣等構(gòu)成，顏色由淺黃至棕色不等，表面光滑，質(zhì)地較硬。肝內(nèi)膽管結(jié)石主要是棕色膽色素結(jié)石，由單一的鈣或膽色素構(gòu)成，質(zhì)地可松軟易碎，也可堅硬，表面呈多面球形結(jié)構(gòu)[4]。膽結(jié)石的成分復(fù)雜多樣，但主要的構(gòu)成成分為膽固醇、膽色素及鈣等物質(zhì)。

CT能量成像的原理

1.能量成像的原理

當(dāng)X射線穿透物體時，可以產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓散射及電子對效應(yīng)，射線被物質(zhì)所吸收，產(chǎn)生衰減。由于電子對效應(yīng)的發(fā)生概率較低，物質(zhì)的X線衰減曲線主要由康普頓效應(yīng)及光電效應(yīng)決定。當(dāng)X射線的能量一定時，不同的物質(zhì)對于X線的吸收是不同的，所以會顯示不同的CT值，而當(dāng)能量發(fā)生變化時，物質(zhì)對X線的吸收也會發(fā)生相應(yīng)的變化，而且這種變化是可以量化測量的，能量成像是利用不同物質(zhì)在不同能量的X線下的CT值及其變化不同，來區(qū)別不同物質(zhì)的成分性質(zhì)。CT能量成像技術(shù)最早在30年前就有所研究[5,6]，但由于受限制于CT成像技術(shù)一直無法應(yīng)用到臨床實踐中，直到雙源CT和能譜CT的出現(xiàn)。

2.雙源CT的成像原理

雙源CT是近年來新發(fā)展出現(xiàn)的一種新型CT，其特點是擁有兩套獨立的互呈約90°的X線球管及探測器[7]，使得掃描速度大大增加，兩套X線源之間基本互不干擾，單獨調(diào)整，可以同時進(jìn)行兩種不同能量的掃描，并在圖像數(shù)據(jù)空間匹配，進(jìn)行雙能剪影分析，這種技術(shù)使得雙能量掃描成為可能，但是雙源CT也有其缺點，由于采用的是雙源掃描技術(shù)，其探測器難免受到另一X線源的散射線影響，造成圖像不準(zhǔn)確，CT值偏移等問題，另外雙源CT其中一個球管的視野較小，因此雙源CT能進(jìn)行雙能量掃描的檢查區(qū)域也較小[8]，無法完成較大區(qū)域的掃描，這就意味著對于肥胖、體型較大或膽囊、膽管位置變異患者的檢查難度有所增加，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其不足之處正在逐步完善。

3.能譜CT的成像原理

能譜CT有著同時同源同向的優(yōu)點，其能量成像可以做到能量的瞬時切換[9]。物理學(xué)研究表明可以用兩個已知的基礎(chǔ)物質(zhì)的衰減系數(shù)表示一個未知物質(zhì)的衰減系數(shù)，能譜成像技術(shù)是將兩種不同能量的吸收投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成基物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)，求解出基物質(zhì)對的密度在空間上的分布，并以此求出CT值。通常這兩種密度值并不代表確切的物理成分，只是用這兩種物質(zhì)表示要確定的成分，任意兩種物質(zhì)都可以反映待測物質(zhì)的吸收，常用的基物質(zhì)為碘、水和鈣，原則上可以選擇任意兩種物質(zhì)，選擇上述物質(zhì)是因為醫(yī)學(xué)常用且便于解釋，但物質(zhì)分離時一般會選擇衰減性能明顯不同，并且是待檢測物質(zhì)的兩種成分的基物質(zhì)對，比如利用尿酸和鈣作為基物質(zhì)對進(jìn)行尿酸結(jié)石與鈣化的鑒別[10]，此時基物質(zhì)圖像能使得基物質(zhì)成分得到特異性的顯示，且不顯示另一種基物質(zhì)。能譜CT的另一個特點是可以進(jìn)行單能量成像，現(xiàn)有研究已經(jīng)獲得了許多基物質(zhì)的衰減系數(shù)隨能量的變化，利用已知的質(zhì)量吸收函數(shù)和雙能量掃描獲得的密度分布，就可以求出任意能量下的待測物質(zhì)的CT值，而且可以繪制能譜曲線，也可以通過生成最佳單能量圖像以獲得最大的對比度。能譜CT能在一次掃描中獲得基物質(zhì)圖像、能譜曲線等多個參數(shù)，進(jìn)而從形態(tài)學(xué)和功能變化等方面進(jìn)行成像，能譜CT所特有的寶石探測器加上專有的高清算法，使其擁有目前CT中最高的空間分辨率及密度分辨率[11]。

CT能量成像在膽結(jié)石診斷中的新進(jìn)展

常規(guī)單源CT對于膽結(jié)石的鑒別主要依賴于膽結(jié)石與膽汁的CT值差異，而對于CT值與膽汁相近的結(jié)石只能通過膽囊、膽管等形態(tài)學(xué)改變來推測，難以準(zhǔn)確診斷。目前CT能量成像對膽結(jié)石的診斷方面的研究，主要針對于減少患者的非必要重復(fù)受線，或者檢測常規(guī)CT無法檢測出的某些結(jié)石。

1.虛擬平掃的應(yīng)用

虛擬平掃是利用增強(qiáng)圖像重建出平掃的圖像，以減少患者不必要的射線量。Kim等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)虛擬平掃對于膽結(jié)石的檢出有重要價值，虛擬平掃對于膽結(jié)石的診斷有著中等準(zhǔn)確度，但對于小于9 mm2或膽管內(nèi)低于78 HU的結(jié)石的顯示有限制。Lee等[13]在虛擬平掃和真實平掃的比較研究中也發(fā)現(xiàn)，無論是膽固醇結(jié)石還是鈣質(zhì)結(jié)石，在虛擬平掃上的顯示都比真實平掃上小。由于應(yīng)用了雙能量技術(shù)，使得虛擬平掃診斷膽固醇結(jié)石的靈敏度高于真實平掃，但是對于鈣質(zhì)結(jié)石的檢測靈敏度低于真實平掃。

2.膽結(jié)石的診斷研究

Chen等[14]的研究發(fā)現(xiàn)膽結(jié)石的能見度明顯不同，能譜圖像(40 keV、140 keV、鈣基質(zhì)和脂基質(zhì)圖像)的結(jié)石能見度與普通混合能量CT有著明顯差異，且不同醫(yī)師對于上述圖像中膽結(jié)石與膽汁密度差異的評分評價有著良好的組間一致性(k=0.772)，40 keV、鈣基和脂基圖像優(yōu)于普通混合能量，而140 keV圖像劣于普通混合能量CT，鈣基質(zhì)圖像優(yōu)于脂基質(zhì)圖像，能譜圖像顯示結(jié)石的能力高于普通混合能量CT圖像，而陰性結(jié)石組與陽性結(jié)石組的比較結(jié)果說明低能量圖像和基物質(zhì)圖像在陰性結(jié)石的診斷方面更有價值。

3.陰性結(jié)石的診斷研究

雖然有些結(jié)石的CT值與周圍膽汁的CT值相近，但由于兩者的成分不同，在不同能量的掃描條件下CT值的變化不同，所以可以利用能量成像鑒別膽結(jié)石與其周圍膽汁，從而達(dá)到診斷結(jié)石的目的。不同于對所有膽結(jié)石進(jìn)行研究，Li等[15]對陰性膽結(jié)石進(jìn)行了專門的研究，并且采用了最佳單能量成像，結(jié)果顯示常規(guī)混合能量CT圖像中膽汁與結(jié)石的CT值差異要明顯小于最佳單能量CT圖像，但是最佳單能量圖像的能量分布不均，可能是由于感興趣區(qū)物質(zhì)的混雜成分不同所致，膽汁中的平均鈣濃度要明顯高于陰性結(jié)石，而膽汁中的平均脂質(zhì)濃度小于陰性結(jié)石，陰性膽結(jié)石中的有效原子系數(shù)要小于膽汁。國內(nèi)汪衛(wèi)兵等[16]對等密度膽固醇結(jié)石的研究顯示單能量成像中隨著能量的不斷增加，膽結(jié)石的CT值逐漸增高，而膽汁的CT值則逐漸減低，結(jié)石的能譜曲線斜率與膽汁比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義，膽結(jié)石的單能量成像和能譜曲線有助于陰性膽結(jié)石的診斷。楊創(chuàng)勃等[17]對陰性結(jié)石的研究中也采用了最佳單能量成像，且最佳單能量位于40 keV，膽汁與陰性結(jié)石的CT值差異最大，而60～80 keV圖像中膽汁與陰性結(jié)石的CT值差異無統(tǒng)計學(xué)意義，在脂、水和碘、水基物質(zhì)圖像中也可顯示結(jié)石的存在，比較而言脂、水基物質(zhì)圖像更為明顯。徐越等[18]的研究表明陰性膽囊結(jié)石在高KeV和低KeV條件下可以清晰顯示，陰性膽結(jié)石的能譜曲線為上升型，而膽汁的能譜曲線則為平坦或下降型。

CT能量成像在膽結(jié)石成分分析中的研究進(jìn)展

膽結(jié)石的構(gòu)成成分多樣，比例復(fù)雜，不同的成分在不同能量的X線下的CT值變化不同，是膽結(jié)石物質(zhì)分離的基礎(chǔ)。Bauer等[19]利用雙源CT對膽結(jié)石的成分進(jìn)行了體外研究，以化學(xué)分析的結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，雙能量成像可以精確描述出結(jié)石中膽固醇(膽固醇成分大于70%且無鈣成分)的特征性CT值，并與非膽固醇結(jié)石成分進(jìn)行鑒別，敏感度為95%，特異度為100%。Yang等[20]則對膽固醇結(jié)石進(jìn)行了研究，膽固醇結(jié)石在脂基質(zhì)圖像上顯示更加明亮，膽固醇結(jié)石脂的濃聚物要高于周圍膽汁，40 keV和140 keV圖像對于膽汁與膽固醇結(jié)石的顯示有明顯差異，利用40 keV和140 keV圖像中膽汁與膽固醇結(jié)石的CT值變化可以有效診斷膽固醇結(jié)石，在其研究中對于膽固醇結(jié)石的診斷敏感度可以達(dá)到95%，特異度則為100%。國內(nèi)金玉蓮等[21]針對陰性結(jié)石進(jìn)行了成分方面的探索，比較分析陰性結(jié)石與腎周脂肪的能譜曲線，發(fā)現(xiàn)兩者都為上升型曲線且相似，提示結(jié)石內(nèi)部含有脂質(zhì)成分(即膽固醇成分)，70 keV CT值直方圖顯示部分感興趣區(qū)CT值低于0 HU，同樣提示結(jié)石內(nèi)部含有脂質(zhì)成分，陰性結(jié)石的有效原子序數(shù)也與脂肪相似，能譜CT為陰性膽結(jié)石的檢測和成分分析提供了新的平臺。

研究前景展望

能量成像在臨床工作中應(yīng)用廣泛，目前對于膽結(jié)石的診斷方面研究較多，彌補(bǔ)了CT在陰性膽結(jié)石診斷方面的不足，但CT檢查有輻射危害，且對于陰性結(jié)石的診斷尚未經(jīng)過大量臨床實踐證實，筆者認(rèn)為僅僅為了診斷膽結(jié)石而進(jìn)行CT檢查并不合適，超聲檢查診斷膽結(jié)石有著較高的準(zhǔn)確度，經(jīng)濟(jì)簡單、方便易學(xué)[22]，沒有輻射危害，未來CT對于膽結(jié)石的研究應(yīng)著重于膽結(jié)石成分分析方面，目前雖然對膽結(jié)石的治療有賴于膽囊切除術(shù)，但其術(shù)后并發(fā)癥較多，保膽治療將是未來發(fā)展的主要趨勢，明確膽結(jié)石的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)構(gòu)成對于治療方法的選擇至關(guān)重要。膽結(jié)石診斷研究為其成分研究奠定了一定基礎(chǔ)，明確了膽汁在膽結(jié)石診斷中的作用，Bauer等[19]進(jìn)行的體外研究的假想模型忽略了膽汁的作用，其膽汁的替代物福爾馬林等溶劑與膽汁的CT值雖然相近，但其理化性質(zhì)、有效原子系數(shù)、CT值隨能量的變化是否與膽汁相同尚未證實，且對膽結(jié)石的理化性質(zhì)是否有影響也未知。Yang等[20]的研究則表明對于膽結(jié)石成分研究的感興趣區(qū)不應(yīng)只局限于膽結(jié)石內(nèi)部，雖然其研究目前只能區(qū)分較純的膽固醇結(jié)石，但也給成分研究提供了良好的思路。膽汁的理化性質(zhì)改變是結(jié)石形成的原因之一，膽汁的能譜曲線特征、有效原子序數(shù)是否與膽結(jié)石的成分有關(guān)也是很好的研究方向。

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