瞬時kVp切換單源雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)定量反映肝臟鐵沉積的體模研究

謝婷婷， 劉龍平， 單慧明， 石橋， 胡小紅， 成官迅， 郭英

鐵是人體必需的微量元素，健康成年男性和女性的體內(nèi)鐵含量分別為50和35 mg/kg，總量為3～4 g。當(dāng)機體鐵含量超過正常值的上限即稱為鐵過載，超過7～15 g時可對組織器官產(chǎn)生毒性，稱為病理意義上的鐵過載[1]，臨床常見于長期輸血、肝血色病及慢性肝病患者[2]。人體內(nèi)過量的鐵首先沉積于肝臟、也主要貯存于肝臟，可導(dǎo)致肝纖維化、肝硬化甚至肝癌，少數(shù)可引起心臟、垂體和胰腺等重要臟器結(jié)構(gòu)的損害和功能障礙[1,3]。

肝臟鐵含量(liver iron content，LIC)的精確測量是評估體內(nèi)鐵總量的主要手段，對鐵沉積嚴重程度的評價、治療方案的制訂和療效評估具有重要的臨床意義。MRI及雙能CT可無創(chuàng)性評估人體內(nèi)的鐵總量，MRI通過測量T2*值或R2*值來反映肝臟的鐵含量，可作為無創(chuàng)性評估肝臟鐵含量的金標(biāo)準，但是其也存在肝左葉感興趣區(qū)易受心臟搏動偽影的影響、檢查時間較長可能導(dǎo)致呼吸偽影較重等缺點；最重要的是，對于重度鐵沉積患者(LIC>30 g/kg)，由于大量鐵元素導(dǎo)致肝臟信號快速衰減，使得MRI掃描時難以采集到肝臟信號衰減的過程，導(dǎo)致MRI對重度鐵過載無法評估[4]。本研究中采用雙能CT對肝臟鐵沉積體模進行掃描，探討雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)定量評估肝臟鐵沉積的可行性，旨在為臨床無創(chuàng)性評估肝臟鐵沉積嚴重程度及療效監(jiān)測提供新思路。

材料與方法

1.體外模型的制作

選取20只健康SD大鼠，解剖并分離大鼠肝臟，沖洗后剪碎、分裝，置于容量為4 mL的聚氯乙烯(polyvinychlorid，PVC)管中(內(nèi)徑為10 mm)，置于勻漿機中勻漿，直至肝組織全部制備成勻漿液后備用。將右旋糖酐鐵溶液(丹麥Pharmacosmos公司，含鐵濃度為100 mgFe/2 mL)與一定量的蒸餾水混合，配比為鐵濃度分別為50.000、25.000、12.500、6.250、3.125和0 mg/mL的6種溶液各2 mL，然后與2 mL的肝組織勻漿液混合，得到鐵濃度依次為25.000、12.500、6.250、3.125、1.563和0 mg/mL的肝組織勻漿液各4 mL，分別置于6個規(guī)格為4 mL的PVC管中，然后使用懸浮震蕩儀對PVC管進行充分震蕩、使樣本呈均勻外觀、靜置6 h以上無分層改變則認為模擬肝臟鐵沉積的模型制作成功。

2.掃描方案

使用GE公司標(biāo)準體模(高116 mm、內(nèi)徑138 mm的圓柱體，其內(nèi)有9個凹槽，外周8個中央1個，每個凹槽內(nèi)均配有高97.8 mm、內(nèi)徑為25 mm的圓柱形PP管)，將充滿肝臟勻漿-右旋糖酐鐵混合液的PVC管按順時針方向、鐵濃度從高到低的順序依次放入體模內(nèi)位于外周的8個PP管內(nèi)(即管套管的形式)。

使用GE Revolution 256排MDCT掃描儀。在三組管電流條件下分別對體模進行掃描，共得到3組原始圖像(圖1)。掃描參數(shù)：80/140 kVp瞬時切換，管電流分別取200、320和485 mA，球管轉(zhuǎn)速0.5 r/s，螺距0.984 mm，視野250 mm×250 mm，重建層厚和間距均為1.25 mm，標(biāo)準算法重建，50%全模型迭代重建算法V(adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V)。

3.數(shù)據(jù)測量

將所有原始數(shù)據(jù)傳輸至ADW 4.6工作站，利用GSI general MD analysis軟件進行后處理分析，分別獲得鐵/水為基物質(zhì)對的圖像，沿PVC管自上向下依次選取3個層面進行測量，在每個層面上沿著PVC管內(nèi)緣勾畫直徑6 mm、面積28.26 mm2的圓形感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，盡量保證各管選取的ROI的位置一致，每個PVC管以3個層面ROI測量值的平均值作為該管的虛擬鐵濃度值(virtual iron concentration, VIC)。

4.數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，先對3組管電流下各PVC管測量的VIC進行單因素方差(ANOVA)分析，再對VIC與肝實際鐵濃度(LIC)的相關(guān)性行Pearson分析，并采用回歸分析擬合線性方程。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖2 肝實際鐵濃度(LIC)與虛擬鐵濃度(VIC)相關(guān)性分析散點圖，顯示三種管電流條件下LIC與VIC均呈線性相關(guān)關(guān)系。

圖1 為三種管電流條件下GSI viwer視圖下標(biāo)準體模的鐵(水)基物質(zhì)對圖像，體模內(nèi)1～6號試管內(nèi)為肝臟勻漿-右旋糖酐鐵混合液，含鐵濃度(LIC)依次為25.0000、12.5000、6.2500、3.1250、1.5625和0mg/mL，3幀圖像對比，同一試管內(nèi)的信號強度無明顯差異。a) 200mA； b) 320 mA； c) 485 mA。

結(jié) 果

ANOVA分析結(jié)果顯示，三種管電流條件下測量的VIC值的組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.001，P=0.999>0.05)。

不同管電流條件下VIC與LIC的相關(guān)和回歸分析結(jié)果見表1。Pearson分析結(jié)果顯示，不同管電流條件下VIC與LIC均呈高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(r)值均為0.998(P<0.001)。散點圖顯示VIC與LIC呈線性相關(guān)關(guān)系(圖2)，運用回歸分析可獲得相應(yīng)的線性方程。

表1 不同管電流下肝臟鐵沉積LIC與VIC相關(guān)與回歸分析

討 論

鐵是生物體內(nèi)必需的微量元素之一，是氧轉(zhuǎn)運蛋白及眾多代謝、氧化還原反應(yīng)酶的重要組成部分[5]，肝臟通過分泌鐵調(diào)素(Hepcidin)調(diào)節(jié)鐵濃度，以保持體內(nèi)鐵的穩(wěn)態(tài)，當(dāng)鐵調(diào)節(jié)通路破壞后，鐵穩(wěn)態(tài)被打破，導(dǎo)致鐵在體內(nèi)過度沉積，即鐵過載[1,3]。臨床上常見于地中海貧血、溶血性貧血、鐵粒幼細胞性貧血、長期輸血、慢性肝病等，其機制是獲得性紅細胞生成障礙或無效造血、導(dǎo)致腸道鐵吸收過多，或需要長期輸血而攝入大量鐵、導(dǎo)致體內(nèi)鐵過載[3]。1997年美國血液病協(xié)會去鐵治療指南中指出，LIC>3.2 mgFe/g可開始去鐵治療，而LIC>15 mgFe/g則是需進行強化去鐵治療的閾值[6]。2002-2008年美國國家癌癥綜合網(wǎng)(National Comprehensive Cancer Network,NCCN)公布多個國家和地區(qū)關(guān)于長期輸血后鐵過載的處置指南，建議指出：對依賴于長期輸血的患者，在輸注壓積紅細胞達到120 mL/kg、血清鐵蛋白(serum ferritin，SF)水平持續(xù)超過1000 ng/mL時應(yīng)開始去鐵治療[7]。因此精確評估鐵過載患者體內(nèi)的鐵濃度是指導(dǎo)去鐵治療的關(guān)鍵，能避免去鐵不充分或過度去鐵。

目前，診斷鐵過載主要有以下方法：①SF，能間接反映體內(nèi)儲存鐵的水平，具有簡單便宜、可重復(fù)檢查的優(yōu)點，在臨床上被廣泛應(yīng)用；但SF極易受酗酒、炎癥、肝病、腫瘤和溶血等因素的影響，特異性不高，不能準確定量評估臟器鐵過載情況[8]。②肝穿刺活檢標(biāo)本鐵染色檢查，是獲得肝組織內(nèi)鐵濃度的最直接方式，優(yōu)點在于能半定量地反映肝臟鐵含量，而且可以了解鐵過載所造成的肝組織損傷程度；但其為有創(chuàng)檢查，因穿刺部位的不同而可能導(dǎo)致檢測結(jié)果波動較大，可重復(fù)性差、難以用于縱向隨訪觀察和評估療效，更重要的是鐵過載患者往往合并血小板減少、具有出血傾向，肝穿刺活檢為其禁忌證。③超導(dǎo)量子干涉儀(superconduc-ting quantum interference device，SQUID)，是一種無創(chuàng)性評估肝組織內(nèi)鐵含量的影像學(xué)方法，主要通過測量肝臟的磁化率來評估肝組織的鐵濃度，其測量結(jié)果與穿刺活檢獲取的LIC之間具有非常好的相關(guān)性；但此方法的費用昂貴，而且對肥胖患者難以檢測，到目前為止，世界上僅數(shù)家機構(gòu)具有該設(shè)備，難以在臨床上推廣[9]。④MRI測量肝組織的R2/T2、R2*/T2*值來評估肝內(nèi)鐵含量。基于R2值測量肝內(nèi)鐵含量的方法是以St Pierre建立的FerriScan MR鐵定量分析軟件為代表，他采用SSE序列進行肝臟鐵定量測量的臨床研究后建立了基于R2值測量LIC的曲線方程[10]，并以商業(yè)付費模式提供服務(wù)，其缺點主要是后處理費用昂貴、圖像采集時間較長(10～20 min)和報告時間相對較長。此后其他學(xué)者通過CPMG回波鏈序列進行肝臟鐵含量的定量研究[11]?；赗2*弛豫肝鐵定量的方法是基于梯度回波序列設(shè)計的，能夠一次屏氣完成全肝掃描，R2*與LIC呈線性相關(guān)，且基于R2*肝臟鐵定量測量中受到掃描參數(shù)設(shè)定的影響和脂肪因素干擾等混雜因素的影響，但都能被矯正[12]，但其局限性在于重度鐵過載(LIC>30 mg Fe/g)時信號快速衰減、難以采集到信號衰減的過程，而導(dǎo)致其對重度鐵過載患者的LIC評估精確性下降[4]。但基于肝臟R2弛豫測量LIC的方法仍然存在共同的局限性：在較高LIC時肝臟R2值增加的程度相對較少，使得對重度鐵過載患者的評估精確性明顯下降[4]；且SSE序列掃描時間較長，因此受到運動偽影的影響較大。⑤磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、定量磁敏感圖(quantitative susceptibility mapping，QSM)和增強梯度回波T2*加權(quán)血管成像序列(enhanced gradient echo T2star weighted angiography，ESWAN)均為磁敏感技術(shù)逐步發(fā)展衍生而來的磁共振成像技術(shù)，ESWAN序列相較于SWI有更高的圖像信噪比，QSM序列利用預(yù)處理后的局部場圖相位信息, 并通過進一步反演計算得出每一個體素內(nèi)的內(nèi)在磁化率，從而反映組織內(nèi)鐵含量[13-15]。它們在顱腦的運用比較成熟, 但在肝臟的應(yīng)用仍處于實驗階段，僅見少量研究報道并認為SWI相位值可對LIC進行評估[16]，但沒有得到臨床研究證實。

CT作為肝臟常用影像學(xué)檢查方法，已經(jīng)在臨床上廣泛使用。鐵為原子序數(shù)較高的物質(zhì)，當(dāng)鐵沉積于肝臟時，導(dǎo)致肝臟的CT值升高，當(dāng)CT平掃顯示肝臟CT值>72 HU時應(yīng)懷疑鐵過載的存在[17]，但CT值的增加并不是鐵過載的特異性表現(xiàn)，肝臟銅沉積也可導(dǎo)致其CT值增加，且通過CT值增加來反映鐵沉積并不準確，因為易受脂肪變性、糖原沉積和貧血等因素的影響[18]。雙能CT被研究者譽為近年來放射學(xué)史最令人激動和最有發(fā)展前途的技術(shù)。經(jīng)典的雙能CT基于高低兩種不同能量(80 kVp和140 kVp)同時或幾乎同時的采集，利用物質(zhì)在不同X線能量下吸收能力的不同來提供比常規(guī)CT更多的成像參數(shù)和信息，既顯示形態(tài)學(xué)改變，又能量化反映組織在能量學(xué)范疇的差異，提供諸多反映病灶本質(zhì)特征的量化指標(biāo)[19]，進而實現(xiàn)對不同組織和器官中物質(zhì)的分離和鑒別。

目前投入臨床使用的雙能CT機，包括雙球管的雙源雙能CT、單球管高低電壓快速瞬時切換的能譜CT以及雙層探測器的光子CT。本研究中采用80/140 kVp管電壓快速瞬時切換的單球管能譜CT，管電流分別設(shè)置為200、320和485 mA，對標(biāo)準體模進行掃描。此標(biāo)準體模內(nèi)不同試管中分別充滿鐵濃度(LIC)為50.000、25.000、12.500、6.250、3.125和0 mg/mL的正常大鼠肝臟組織勻漿與右旋糖苷鐵的混合溶液。本組研究結(jié)果顯示，不同管電流(200、320、485 mA)條件下測量的VIC與LIC均呈高度正相關(guān)，且不同管電流條件下測量的VIC的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.999，F(xiàn)=0.001)，散點圖顯示VIC與LIC呈線性相關(guān)關(guān)系，并擬合線性方程。本組結(jié)果證實采用雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)可以特異性反映肝臟鐵含量，實現(xiàn)鐵含量的準確測量。其原因在于：在80和140 kVp兩種能量下，不同物質(zhì)的X線衰減系數(shù)各不相同，衰減曲線也不同，理論上講，任意物質(zhì)的衰減曲線可用另外兩種其它物質(zhì)的衰減來表達，當(dāng)這另外兩種物質(zhì)成為基物質(zhì)對，通過這兩種基物質(zhì)的組合來產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)，從而可將不同的物質(zhì)分離?；镔|(zhì)對不代表確定物質(zhì)的真實物理組成，不是確定某種物質(zhì)，只是對所需檢查物質(zhì)的成分的一種相對的表達[20-21]。最早Goldberg等[22]對血色病狗模型的肝臟進行雙能CT(80/120 kVp)掃描，同時設(shè)計一系列梯度濃度的右旋糖酐鐵溶液模型，獲得鐵濃度與雙能量CT差值的線性關(guān)系，結(jié)果顯示狗模型的肝臟鐵含量測量值與肝穿刺活檢結(jié)果一致性很好。此后，雙能CT作為一種新型、無創(chuàng)性定量測量肝臟鐵含量的方法引起了廣泛關(guān)注。Fischer等[23]的離體研究證明，應(yīng)用雙能CT物質(zhì)分離法，測量伴不同比例脂肪沉積的含鐵溶液體模中的鐵含量，結(jié)果顯示該方法可以特異性反映肝臟的鐵含量，實現(xiàn)對鐵含量的準確測量。

綜上所述，本研究通過制作正常大鼠肝臟鐵沉積模型(其肝鐵濃度涵蓋了臨床上不同程度的鐵過載狀態(tài))，得出了雙能量CT物質(zhì)分離技術(shù)可用于定量評估不同程度的肝臟鐵沉積的結(jié)論，相應(yīng)線性方程在重度鐵過載患者中也同樣適用，為臨床無創(chuàng)性評估鐵沉積的嚴重程度、長期輸血患者鐵過載的診斷及指導(dǎo)去鐵治療和療效評估奠定基礎(chǔ)。