雙能CT不同能量組合、重建算法及ROI選擇對家兔肝鐵定量測量的影響

許霄， 黃求理， 朱雪君， 李濤， 曹迪， 龍莉玲

體內(nèi)鐵含量超過正常上限即為鐵過載，體內(nèi)過多的鐵與鐵蛋白結(jié)合，絕大多數(shù)沉積于肝臟，產(chǎn)生丙二醛、OH-自由基等有害物質(zhì)，對細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)及DNA產(chǎn)生過氧化損傷，導(dǎo)致肝硬化和肝癌等病變[1]。因此，肝鐵含量的監(jiān)測是臨床上評估、治療肝鐵過載相關(guān)疾病中最重要的環(huán)節(jié)。CT三物質(zhì)分離法是評估肝臟鐵含量較新穎的檢查手段，其原理是在不同能量狀態(tài)下，根據(jù)肝臟中鐵的X線衰減系數(shù)的變化率與其它組織成分不同，從而達(dá)到在像素水平上將鐵去除的效果，并可獲得虛擬鐵濃度(virtual iron concentration，VIC)圖像，因此在無創(chuàng)性定量測量肝內(nèi)鐵含量方面具有較大潛力。但需要注意的是，VIC圖像上測量的CT值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，其CT測量值的大小會(huì)受到很多因素影響，如掃描參數(shù)、測量方法等。本研究通過對大白兔肝鐵沉積模型進(jìn)行雙能CT掃描，分析比較不同能量組合、重建算法及興趣區(qū)選擇方法時(shí)肝內(nèi)鐵含量定量測量的準(zhǔn)確性，探討其應(yīng)用價(jià)值。

材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)對象

健康雄性新西蘭大白兔32只，體重1.5～2.9 kg，平均2.2 kg。所有動(dòng)物置于常溫環(huán)境下，自由飲水、取食，每周按15 mg/kg的劑量一次注射濃度為25 mg/mL的右旋糖酐鐵劑。實(shí)驗(yàn)總時(shí)間為16周，每周處死2只大白兔進(jìn)行病理觀察和測量。

2.檢查方法

所有兔子于最后一次給藥后1周進(jìn)行檢查，掃描前先肌肉注射2 mL地西泮和2 mL硫酸阿托品進(jìn)行誘導(dǎo)全麻。實(shí)驗(yàn)兔取仰臥位，頭先進(jìn)，雙側(cè)前肢上展，使用繃帶束縛腹部。使用Siemens Somatom Definition Flash雙源CT掃描儀。掃描范圍自膈頂至雙側(cè)髂嵴連線水平。選擇Dual Energy雙能量掃描模式，能量組合分別設(shè)置為80/140 kVp和100/140 kVp，管電流采用Care dose 4D技術(shù)，探測器寬度64i×0.6 mm，機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度500 ms/r，螺距0.6，層厚1.5 mm，層距1.0 mm。能量組合為80/140 kVp時(shí)，分別采用濾波反投影法(filtered back projection，F(xiàn)BP)和強(qiáng)度為3的基于原始數(shù)據(jù)域的迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)算法進(jìn)行重建，卷積函數(shù)分別選擇D30f和Q30f；在100/140 kVp組合條件下僅采用FBP算法進(jìn)行重建。

3.數(shù)據(jù)分析

將掃描原始數(shù)據(jù)傳輸至工作站，采用西門子Liver VIC軟件進(jìn)行后處理，鐵斜率值取1.9[2]，并設(shè)置兩種能量下脂肪及軟組織的CT值，獲得VIC圖。

由兩位測量者對80/140 kVp組合的FBP和SAFIRE重建圖像及100/140 kVp組合的FBP圖像進(jìn)行分析和測量，三組圖像中各選擇三個(gè)相同層面的圖像進(jìn)行評估，所選層面上肝組織結(jié)構(gòu)顯示清晰、無變形、無偽影。對80/140 kVp組合下的FBP重建圖像 采用兩種ROI勾畫方法進(jìn)行測量：第一種為全肝ROI法，即沿距肝被膜下5 mm的肝臟邊緣手工勾畫ROI的范圍，取三個(gè)層面CT值的平均值；第二種為小ROI法，即在每個(gè)層面圖像上在肝組織內(nèi)勾畫較小范圍的ROI，每個(gè)層面勾畫1個(gè)，ROI面積均為1 cm2，取3個(gè)層面測量值的平均值。兩種方法勾畫ROI時(shí)均盡量避開肉眼可見的肝門區(qū)血管、膽管及化學(xué)位移偽影。另外2組圖像僅采用小ROI法進(jìn)行測量(圖1a～b)。

4.肝臟鐵含量檢測

CT檢查完畢后采用空氣栓塞法處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，解剖方法取出肝臟，每個(gè)肝葉切成2塊，去除大血管及膽管后，使用雙蒸水反復(fù)沖洗8～10次，然后將標(biāo)本置于60℃烤箱烘干，烘干時(shí)間大約為5天。烘干后將肝組織粉碎，送廣西分析測試研究中心經(jīng)硝酸硝化處理后，使用原子分光光度儀測量肝組織內(nèi)的鐵濃度(liver iron concentration，LIC)。

5.病理分析

對每只家兔肝臟標(biāo)本取材進(jìn)行病理學(xué)檢查，應(yīng)盡量避開肝包膜、肝門區(qū)血管及膽管，標(biāo)本經(jīng)生理鹽水沖洗后置入10%甲醛溶液固定，按照病理程序進(jìn)行酒精脫水、二甲苯透明、浸蠟、石蠟包埋后切片，普魯士藍(lán)染色后在光鏡下進(jìn)行觀察。

6.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

圖1 家兔模型VIC圖像。a) 全肝ROI測量法，在VIC圖像上在肝被膜下5mm沿肝邊緣勾畫ROI，測量肝臟的CT值； b) 小ROI測量法，與圖a相同層面，在肝實(shí)質(zhì)內(nèi)勾畫約1cm2大小的ROI，測量肝臟的CT值。圖2 注射右旋糖酐鐵第3周末兔肝模型(LIC為5.0mg/g)。a) VIC偽彩圖顯示肝實(shí)質(zhì)顏色較暗，提示鐵濃度較低； b) 病理標(biāo)本鏡下示肝內(nèi)散在分布少量的藍(lán)染含鐵血黃色顆粒且分布不均(×100，PB染色)。圖3 注射右旋糖酐鐵第16周末兔肝模型(LIC為22.9mg/g)； c) VIC偽彩圖顯示肝實(shí)質(zhì)顏色較亮，提示鐵濃度較高； b) 病理標(biāo)本鏡下示肝內(nèi)彌漫分布的藍(lán)染含鐵血黃色顆粒，分布欠均勻(×100，PB染色)。

結(jié) 果

1.數(shù)據(jù)的分布特征

兩種能量組合、重建算法及ROI測量方法下得到的肝臟CT值均呈正態(tài)分布。在80/140 kVp條件下兩種重建算法之間及兩種ROI方法之間的數(shù)據(jù)滿足方差齊性(P>0.05)。兩種能量組合的FBP法重建圖像上測量的肝臟CT值之間方差不齊(P<0.01)。在相同掃描條件、重建算法圖像上或相同ROI選擇方法時(shí)兩位閱片者測量的肝臟CT值之間具有較好的一致性，ICC值均達(dá)到0.9以上。

2.不同條件下VIC圖上肝臟CT值的比較

80/140和100/140 kVp條件下(FBP法VIC圖像上)測量的肝臟CT值分別為(29.21±14.19)和(17.48±7.63) HU，兩組間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-4.843，P<0.01)，80/140 kVp組合下測量的肝臟CT值大于100/140 kVp組合。全肝ROI法和小ROI法測量的肝臟CT值分別為(29.99±14.07)和(29.21±14.19) HU，兩組間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-2.795，P<0.001)。80/140 kVp組合下FBP和SAFIRE算法VIC圖像上測量的肝臟CT值分別為(29.21±14.19)和(29.18±14.11) HU，兩組間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=8.565，P=0.792>0.05)。

3.VIC圖上肝臟CT值與LIC的相關(guān)性

采用各種能量組合、重建算法及ROI法獲得的VIC圖像上測得的肝臟CT與實(shí)驗(yàn)室檢測的肝臟標(biāo)本的LIC之間均具有較好的相關(guān)性(圖2a、3a)。其中，采用80/140 kVp能量組合：FBP重建算法及小ROI法測量的VIC圖上肝臟CT值與實(shí)驗(yàn)室測量的肝臟標(biāo)本的LIC之間的相關(guān)系數(shù)r值為0.895(P<0.01)，SAFIRE算法下測得的CT值與LIC之間的相關(guān)系數(shù)r值為0.915(P<0.01)，全肝ROI法下測得的CT值與LIC之間的相關(guān)系數(shù)r值為0.917(P<0.01)。100/140 kVp條件下(FBP重建算法及小ROI法)VIC圖像上測得的肝臟CT值與實(shí)驗(yàn)室測量的肝臟標(biāo)本LIC間的相關(guān)系數(shù)r值為0.835(P<0.01)。

4.病理表現(xiàn)

病理標(biāo)本顯微鏡下主要表現(xiàn)：含鐵血黃素在組織細(xì)胞內(nèi)呈黃褐色顆粒及小塊，對普魯士藍(lán)染色較為敏感，呈鮮藍(lán)色染色的陽性反應(yīng)。注射右旋糖苷鐵第一周在肝臟內(nèi)即可觀察到少量含鐵血黃色顆粒沉積，隨著注射時(shí)間的增長，含鐵血黃素在肝實(shí)質(zhì)及小葉靜脈區(qū)的分布逐漸增多，部分含鐵顆粒融合成簇，分布不均勻(圖2b、3b)。

討 論

近年來雙能CT各項(xiàng)技術(shù)逐步完善并開始應(yīng)用于臨床，在肝內(nèi)鐵含量的定量檢測方面，雙能CT差值法(ΔH法)和三物質(zhì)分離算法是兩種主要方法。ΔH法是通過計(jì)算在兩個(gè)單能量水平下每個(gè)體素的CT值之差，通過與已知物質(zhì)含量的CT值差值的標(biāo)準(zhǔn)曲線對比來評估該體素內(nèi)鐵濃度，但該體素內(nèi)的CT差值反映的是包括肝組織、鈣化、鐵和脂肪等多個(gè)物質(zhì)的信息，而不能單一反映鐵含量的信息[3]；而且血色素沉著癥患者往往合并肝硬化、肝炎等肝臟疾病，也會(huì)導(dǎo)致這種方法對肝內(nèi)鐵含量的測量存在一定誤差。三物質(zhì)分離法則是根據(jù)鐵在兩種能量下的CT值，建立坐標(biāo)系，利用幾何方法和特定的鐵斜率值來計(jì)算鐵含量，通過計(jì)算公式轉(zhuǎn)化并估算其濃度，得到直觀體現(xiàn)組織化學(xué)成分的圖像，即虛擬鐵含量圖[4]。這種虛擬鐵含量圖消除了肝臟內(nèi)脂肪、鈣化、糖原沉積等因素的影響，可特異性反映肝臟內(nèi)鐵離子的沉積程度(圖2a、3a)[2]。

虛擬鐵含量圖上CT值測量會(huì)受到很多因素影響，如掃描參數(shù)、重建算法及ROI大小等，不同的成像設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致CT測量值不同。西門子公司的二代雙源CT機(jī)(Somatoms Flash CT)在進(jìn)行雙能量掃描時(shí)匹配有2種能量組合，即80/140 kVp和100/140 kVp[5]。目前100/140 kVp這一能量組合的應(yīng)用范圍較局限，多用于肺部掃描，如對肺內(nèi)碘和氙分布的顯示、對肺部病灶碘增強(qiáng)掃描的定量分析。80/140 kVp這一能量組合的臨床應(yīng)用較為廣泛，尤其是在對痛風(fēng)病灶的顯示、降低金屬偽影、結(jié)石的成分分析、鈣化定量分析、頭頸自動(dòng)去骨等方面有一定優(yōu)勢。本研究分別采用上述兩種能量組合對肝鐵沉積動(dòng)物模型進(jìn)行掃描，并與采用原子分光光度儀測量的病理標(biāo)本的肝組織鐵濃度(LIC)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示兩種能量組合下測得的VIC圖上肝臟CT值有顯著差異，80/140 kVp組合下肝臟CT測量值高于100/140 kVp組合，且與病理檢測結(jié)果的相關(guān)性更高。筆者分析原因，一方面是由于雙能CT對不同物質(zhì)的區(qū)分能力既取決于物質(zhì)本身原子序數(shù)的差異，另一方面取決于雙能量掃描時(shí)兩種能譜本身的重疊程度。理論上講兩種能量的峰值(即兩種管電壓)間距越大，能譜的重疊就越少，物質(zhì)區(qū)分的效果就越好；而能譜重疊越多，則物質(zhì)在兩種能量下的衰變相似度大，平均光子能量類似，因此對物質(zhì)的區(qū)分能力較差。與100/140 kVp組合相比，80/140 kVp組合中兩個(gè)能量的峰值間距更大，能譜區(qū)分度更大，物質(zhì)區(qū)分能力更強(qiáng)[6]，因此在虛擬鐵含量圖上的CT值較高。

在重建算法方面，濾波反投影法(FBP)一直都作為重建方法的基礎(chǔ)和“金標(biāo)準(zhǔn)”[7]，它具有分辨率高、成像速度快等優(yōu)勢，但該算法要求投影數(shù)據(jù)完備，且易受統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的影響，若投影數(shù)據(jù)量不足，則重建的圖像質(zhì)量就會(huì)明顯降低。而SAFIRE技術(shù)作為西門子公司推出的第二代迭代重建算法，通過在原始數(shù)據(jù)空間及圖像空間進(jìn)行多次迭代，反復(fù)修正噪聲，不僅降低了圖像噪聲、提高了圖像質(zhì)量，而且在一定程度上可降低掃描的輻射劑量[8-10]，對于偽影的去除亦有較好的效果。本研究結(jié)果顯示，SAFIRE和FBP法重建后獲得的VIC圖像上肝臟CT測量值間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且與病理方法檢測的LIC值之間均具有高度相關(guān)性，說明SAFIRE重建算法不會(huì)對VIC圖上CT測量值產(chǎn)生影響，由此可以推斷，物質(zhì)分離圖像相比解剖圖像測量的CT值，受不同重建算法因素的影響很小，F(xiàn)BP和SAFIRE法重建得到的VIC圖均能準(zhǔn)確地反映肝組織內(nèi)真實(shí)的鐵含量，尤其以SAFIRE算法下獲得的VIC圖上肝臟CT測量值與LIC的相關(guān)性優(yōu)于FBP法。

在測量方法方面，無論是在MRI還是CT圖像上，過去大多采用小感興趣區(qū)法來測量組織器官的信號(hào)強(qiáng)度或CT值，為了排除肝內(nèi)血管、膽管及其它病灶的影響，感興趣區(qū)域應(yīng)選擇在信號(hào)/密度顯示較均勻的肝實(shí)質(zhì)區(qū)域進(jìn)行勾畫。這種方法具有簡便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺陷，測量者設(shè)置的ROI容易受到主觀因素的影響，ROI的大小及位置不同所得到的CT值往往存在一定的差異。因此，有學(xué)者提出了基于整個(gè)肝臟的全肝ROI測量方法，即把單層圖像上所有肝實(shí)質(zhì)區(qū)域作為感興趣區(qū)，這樣可降低測量者主觀因素的影響，但弊端在于圖像上一些較小的血管、膽管不易分辨，難以去除，且手動(dòng)勾畫全肝實(shí)質(zhì)區(qū)的方法復(fù)雜耗時(shí)，因此相關(guān)研究中應(yīng)用也較少。有學(xué)者在MRI圖像上分別采用這兩種ROI方法測量肝臟的R2和R2*值來評估肝臟鐵含量 ，結(jié)果顯示全肝ROI法更為準(zhǔn)確[11-12]。在CT三物質(zhì)分離法定量測量肝臟鐵含量方面，本組研究結(jié)果表明，全肝ROI法與小ROI法測得的VIC圖上肝臟CT值之間具有明顯差異，且全肝ROI法與病理方法檢測的LIC間的相關(guān)性較優(yōu)。筆者分析原因，可能是由于鐵過載時(shí)肝臟內(nèi)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體分布的差異導(dǎo)致鐵質(zhì)在肝臟內(nèi)的沉積不均勻所致，此時(shí)小ROI法測量的肝臟CT值受到測量位置的影響較明顯。

本研究尚存在以下不足：①僅在動(dòng)物模型上通過不同掃描方式及測量方法進(jìn)行比較，而在肝鐵沉積患者肝內(nèi)鐵定量測量分析方面尚需進(jìn)一步研究；②由于兔子肝臟體積較小，掃描時(shí)的管電流已接近CT機(jī)的最低值，無法進(jìn)一步調(diào)低管電流來評估SAFIRE重建算法在保證圖像質(zhì)量情況下降低輻射劑量的潛力；③僅以不同能量組合、重建算法及ROI測量方法為變量來比較CT測量值，而探測器寬度、螺距、層厚、螺距和掃描視野等因素對虛擬鐵含量圖上CT測量值的影響如何，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shander A,Cappellini MD,Goodnough LT.Iron overload and to-xicity:the hidden risk of multiple blood transfusions[J].Vox Sanguinis,2009,97(3):185-197.

[2] Fischer MA,Reiner CS,Raptis D,et al.Quantification of liver iron content with CT-added value of dual-energy[J].Eur Radiol,2011,21(8):1727-1732.

[3] Raptopoulos V,Karellas A,Bernstein J,et al.Value of dual-energy CT in differentiating focal fatty infiltration of the liver from low-density masses[J].AJR,1991,157(4):721-725.

[4] 王凱旋,崔詩爽,靳云鵬,等.CT測定肝臟鐵含量的研究進(jìn)展[J].國際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志,2014,37(5):434-437.

[5] 楊帆,林偉,陳衛(wèi)霞.CT雙能量掃描模式在腹部應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].放射學(xué)實(shí)踐,2015,29(4):388-391.

[6] Johnson TR.Dual-energy CT:general principles[J].AJR,2012,199(Suppl 5):3-8.

[7] 王革,俞恒永,勃魯努.曼,等.X線和CT研究與發(fā)展之展望[J].中國醫(yī)療器械雜志,2008,32(3):157-169.

[8] 陸秀良,曾蒙蘇.迭代重建算法在CT中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2012,27(4):128-131.

[9] 王芳,高劍波,劉杰,等.正弦圖確定迭代重建技術(shù)在降低胸部掃描劑量中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2012,28(11):2087-2089.

[10] Winklehner A,Karlo C,Puippe G,et al.Raw data-based iterative reconstruction in body CTA:evaluation of radiation dose saving potential[J].Eur Radiol,2011,21(12):2521-2526.

[11] Positano V,Salani B,Pepe A,et al.Improved T2*assessment in liver iron overload by magnetic resonance imaging[J].Magn Reson Imaging,2009,27(2):188-197.

[12] Mccarville MB,Hillenbrand CM,Loeffler RB,et al.Comparison of whole liver and small region-of-interest measurements of MRI liver R2* in children with iron overload[J].Pediatr Radiol,2010,40(8):1360-1367.