輻射劑量和機(jī)型對瞬時kVp切換單源雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)肝臟鐵與脂肪定量評估的影響

謝婷婷， 曾建奇， 石橋， 黃嶸， 馮飛， 成官迅， 郭金

肝臟鐵沉積、脂肪沉積的定量測定可分別用于診斷肝血色病、脂肪肝，提示病程進(jìn)展、評估臨床療效，并對肝硬化結(jié)節(jié)的癌變起一定提示作用[1-3]。傳統(tǒng)CT通過CT值的升高、降低分別反映肝臟鐵沉積、脂肪沉積的情況，但在肝臟脂肪變性、鈣、糖原、鐵、銅沉積等同時存在或多種存在的情況下，傳統(tǒng)單能量CT無法做到某一特異的物質(zhì)分類和物質(zhì)區(qū)分。如何區(qū)別具有相同CT值的不同物質(zhì)成分、如何在多種混合物質(zhì)成分里計算出某一特定物質(zhì)成分濃度 (如鐵濃度，脂肪濃度)，對于疾病的診斷、臨床療效評估至關(guān)重要。雙能CT是解決以上問題的有效方法[4-5]，且近年來在臨床中開始發(fā)揮作用，但同時帶來的相對較高電離輻射也越來越引起公眾和學(xué)者的關(guān)注[6]，且隨著高分辨CT的發(fā)展出現(xiàn)了不同機(jī)型的雙能CT，不同機(jī)型的單源雙能CT(256-MDCT即Revolution CT，GE healthcare,U.S.A與64-MDCT即Discovery CT 750HD;GE Healthcare，U.S.A)在鐵定量、脂肪定量的準(zhǔn)確性是否一致也值得探討。本研究利用瞬時kVp切換單源雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)對肝臟鐵沉積、肝臟脂肪沉積體模進(jìn)行掃描，研究輻射劑量、機(jī)型對肝臟鐵沉積、肝臟脂肪沉積定量測定的影響，旨在為臨床低輻射劑量CT掃描情況下定量測定肝臟鐵、脂肪沉積奠定基礎(chǔ)，并探討不同機(jī)型對肝鐵、脂肪定量的影響。

材料與方法

1.體外模型的制作

取20只正常SD大鼠，解剖并分離大鼠肝臟，沖洗后剪碎、分裝，置于4 mL聚氯乙烯(polyvinychlorid,PVC)管中，置于勻漿機(jī)中勻漿。重復(fù)勻漿操作，直至新鮮肝組織全部制成勻漿，備用。

肝臟鐵沉積模型的制作：將右旋糖酐鐵[丹麥Pharmacosmos公司，規(guī)格2 mL:100 mg(Fe)]與蒸餾水配比為以下濃度50.000、25.000、12.500、6.250、3.125、0 mg/mL，以上濃度溶液各2 mL，與2 mL肝組織勻漿液混合，置于規(guī)格為4 mL的PVC管中，用懸浮震蕩儀充分震蕩、使樣本呈均勻外觀，以上樣本靜置6 h以上不分層則認(rèn)為模型制作成功。

肝臟脂肪沉積模型的制作：準(zhǔn)備5支4 mL的PVC管，每管加入正常大鼠肝臟勻漿液，再加入體積百分比分別為100%、60%、30%、10%、0%的純甘油三酯(橄欖油Olivoila，F(xiàn)at含量：100.0 g/100 g)，保持各管總體積為4 mL。用懸浮震蕩儀充分震蕩、使樣本呈均勻外觀，以上樣本靜置6 h以上不分層則認(rèn)為模型制作成功。

2.掃描步驟

應(yīng)用256-MDCT(Revolution CT，GE healthcare,U.S.A)，按以下步驟進(jìn)行掃描：①按照鐵濃度從高到低順時針順序?qū)⑹M右旋糖酐鐵混合液的PVC管置于GE公司標(biāo)準(zhǔn)體模內(nèi)(體模內(nèi)含9個凹槽，外周8個中央1個，將盛滿右旋糖酐鐵混合液的PVC管按順時針順序置入體模中外周凹槽內(nèi))，開始掃描。②待肝臟鐵沉積模型掃描結(jié)束后，按照脂肪體積比從低到高順時針順序?qū)⑹M脂肪-肝臟勻漿混合液的PVC管置于GE公司標(biāo)準(zhǔn)體模中外周凹槽內(nèi)，開始掃描。③掃描參數(shù)如下:管電壓80、140 kVp瞬時切換；管電流分別為200、320、485 mA；相應(yīng)CT容積劑量指數(shù)(CT dose index，CTDIvol)分別為4.88，8.21，12.64 mGy；轉(zhuǎn)速為0.5 r/s，視野250 mm×250 mm，重建層厚/間距1.25 mm，螺距0.984 mm，重建函數(shù)為STND(此處無全稱，是機(jī)器上的一種重建方法，如STND，SOFT，STND代表的是標(biāo)準(zhǔn)算法重建，SOFT代表的是軟組織算法，BONE代表的是骨算法)，全模型迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction-V,ASiR-V)設(shè)為0。在3組管電流下分別對肝臟鐵沉積體模、肝臟脂肪沉積體模掃描，共獲得6組圖像。

應(yīng)用64-MDCT(Discovery CT 750HD;GE Healthcare)對上述肝臟鐵、脂肪沉積體模進(jìn)行掃描，管電流為375 mA、相應(yīng)CTDIvol為12.92 mGy，余掃描參數(shù)與Revolution CT設(shè)置一致。以1.25 mm進(jìn)行無間隔標(biāo)準(zhǔn)算法分別重建鐵(水)、脂肪(水)基物質(zhì)圖像，自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction,ASiR)設(shè)為0，共獲得2組圖像(圖1、2)。

3.數(shù)據(jù)測量

所有原始數(shù)據(jù)傳至ADW 4.6工作站，利用GSI general MD analysis軟件進(jìn)行后處理分析，對肝臟鐵沉積體模、重建鐵(水)為基物質(zhì)對圖像，對肝臟脂肪沉積體模、重建脂肪(水)為基物質(zhì)圖像。于體模內(nèi)各PVC管中心區(qū)畫圓形的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)各3個，ROI直徑為6 mm、面積為28.26 mm2，記錄后取其平均值為虛擬鐵濃度值(virtual iron concentration, VIC)、虛擬脂肪濃度值(virtual fat concentration, VFC)，納入數(shù)據(jù)庫。

4.數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。①先對256-MDCT各組CTDIvol下的VIC與LIC、VFC與LFC分別進(jìn)行相關(guān)性分析以驗證256-MDCT 的VIC、VFC分別用于肝鐵定量測定、肝脂肪定量測定的可行性；②再對3組CTDIvol下VIC、VFC 分別進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析，以探討不同輻射劑量對VIC、VFC的影響。 ③然后對64-MDCT的VIC與LIC、VFC與LFC分別進(jìn)行相關(guān)性分析以驗證64-MDCT的VIC、VFC分別用于肝鐵定量測定、肝脂肪定量測定的可行性；④最后對比256-MDCT輻射劑量為12.64 mGy組、64-MDCT輻射劑量為12.92 mGy組，VIC、VFC的相關(guān)性。

結(jié) 果

鐵定量測定組:ANOVA分析顯示256-MDCT 3組CTDIvol，VIC的組間差異P=0.993，明顯>0.05(F=0.007)，組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

脂肪定量測定組：ANOVA分析顯示256-MDCT 3組CTDIvol，VFC的組間差異P=0.976，明顯>0.05(F=0.024)，組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(表1)。

表1 不同輻射劑量下兩組模型組間差異

256-MDCT組CTDIvol為12.64 mGy下與64-MDCT組CTDIvol為12.92 mGy下，兩組鐵沉積模型VIC與LIC均呈高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為0.998(P=0.000)、0.998(P=0.000)， 256-MDCT組12.64 mGy下擬合鐵的線性方程為y=2.179x-2.923(R2=0.996，P=0.000，F(xiàn)=1112.086)， 64-MDCT組12.92 mGy下擬合鐵的線性方程為y=2.714x+16.971 (R2=0.996，P=0.000，F(xiàn)=1289.297)；兩組脂肪沉積模型VFC與LFC均呈高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為1.000(P=0.000)、1.000(P=0.000)。256-MDCT組12.64 mGy下Fat線性方程：y=0.064x+23.44 (y為LFC，x為VFC，R2=0.868，P=0.014，F(xiàn)=27.375)；64-MDCT組12.92 mGy下Fat線性方程：y=0.09x-60.442(R2=0.994，P=0.002，F(xiàn)=473.162，表2，圖3、4)。

圖1 GSI viwer視圖下肝臟鐵沉積模型鐵物質(zhì)圖像，體模內(nèi)6個試管按順時針順序依次為鐵濃度50.000、25.000、12.500、6.250、3.125、0mg/mL的大鼠肝臟勻漿液(圖中箭號所指的試管為鐵濃度50.000mg/mL的大鼠肝臟勻漿液)。a) 輻射劑量4.88mGy; b) 輻射劑量8.21mGy; c) 輻射劑量12.64mGy。圖2 GSI viwer視圖下肝臟脂肪沉積模型鐵物質(zhì)圖像，體模內(nèi)6個試管按順時針順序依次為體積百分比分別為0%、10%、30%、60%、100%的大鼠肝臟勻漿液和水(圖中箭號所指的試管為脂肪體積比為0%的大鼠肝臟勻漿液)。a) 輻射劑量4.88mGy; b) 輻射劑量8.21mGy; c) 輻射劑量12.64mGy。

表2 相近輻射劑量下兩組模型LFC與VFC相關(guān)性結(jié)果比較

討 論

在如肝血色病、病毒性肝炎、肝硬化等肝臟慢性疾病中，存在鐵沉積，且在鐵沉積的基礎(chǔ)上常常伴有不同程度的脂肪變性，而酒精性、非酒精性、藥物性脂肪肝也常常伴有不同程度的肝臟鐵沉積[7]。在常規(guī)單能CT掃描圖像上，鐵沉積造成肝實質(zhì)的CT值增加，CT值>72 HU提示肝臟鐵沉積可能；而脂肪沉積時肝實質(zhì)密度減低，因此，肝臟鐵沉積和脂肪沉積同時存在的情況下，常規(guī)CT掃描的診斷準(zhǔn)確性下降、可能存在漏診、高估或低估肝臟鐵沉積、脂肪沉積的可能。

雙能量CT是利用物質(zhì)在不同X線能量下吸收能力不同來提供比常規(guī)CT更多的成像參數(shù)和信息，不僅能顯示形態(tài)學(xué)的改變，而且可以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)[8，9]。雙能CT通過一次掃描可得到80 kVp和140 kVp兩種能量的影像，依據(jù)物質(zhì)在不同kVp下線性衰減系數(shù)存在差別，原子序數(shù)越大的物質(zhì)在兩種能量條件下的CT值相差越大，以此來區(qū)分不同物質(zhì)[10]。本研究中雙能CT物質(zhì)的定量測定利用物質(zhì)分離技術(shù)，理論上講任意物質(zhì)的衰減曲線可用另外兩種其他物質(zhì)的衰減來表達(dá)，這另外兩種其他物質(zhì)成為基物質(zhì)對，基物質(zhì)對不代表確定物質(zhì)的真實物理組成，而是通過這兩種基物質(zhì)的組合來產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)，故能對所需檢查物質(zhì)成分的一種相對的表達(dá)，它更多是用來分離不同的物質(zhì)，而不是確定某種物質(zhì)[11]。Goldberg等[12]對血色病狗模型的肝臟進(jìn)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體模，獲得鐵濃度與雙能量CT差值的線性關(guān)系，由此換算出狗模型肝臟中的測量鐵含量，并與肝穿刺活檢結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示一致性很好(r=0.99)。此后，雙能CT作為一種新型、無創(chuàng)性定量測定肝臟鐵含量的方法引起廣泛關(guān)注。Fischer等[13]的離體研究證明應(yīng)用雙能CT物質(zhì)分離法，研究對以不同比例混合的脂肪和鐵溶液[脂肪含量分別為輕(10%)、中(30%)、重度(50%)，鐵含量20,60,100,200,400,800 umol/g]的體模進(jìn)行雙能量掃描后測定鐵含量，結(jié)果顯示該方法可以特異性反映肝臟鐵含量，實現(xiàn)鐵含量的準(zhǔn)確測量。

圖3 不同機(jī)型、相似輻射劑量下肝臟鐵沉積模型LIC與VIC相關(guān)性。圖4 不同機(jī)型、相似輻射劑量下肝臟脂肪沉積模型LFC與VFC相關(guān)性。圖5 不同輻射劑量下肝臟鐵沉積模型LIC與VIC線性關(guān)系。圖6 不同輻射劑量下肝臟脂肪沉積模型LFC與VFC線性關(guān)系。

本研究采用瞬時kVp切換單源雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)對肝臟鐵沉積體模、肝臟脂肪沉積體模進(jìn)行研究，結(jié)果顯示256-MDCT的VIC與LIC呈高度正相關(guān)，VIC可用于定量反映LIC；且3組不同CTDIvol下VIC無統(tǒng)計學(xué)差異，提示輻射劑量不影響VIC的測值、低輻射劑量下VIC仍可準(zhǔn)確地定量反映LIC?？紤]原因為X射線譜分為連續(xù)譜和標(biāo)識譜，在管電壓>70 kVp時，入射電子流與靶原子核內(nèi)層電子發(fā)生相互作用，內(nèi)層電子被擊飛，留下空位，高能級電子向下躍遷，釋放X光子，主要產(chǎn)生標(biāo)識X射線譜，此時X射線的硬度會明顯增加，X射線的硬度大小可以間接由管電壓決定[14]；此時管電壓保持80、140 kVp瞬時切換，故X射線的硬度保持不變，對測值無影響。本研究的意義在于為今后臨床低輻射劑量下的雙能量CT肝臟鐵定量測定奠定基礎(chǔ)。

本研究采用256-MDCT和64-MDCT分別對鐵沉積模型、脂肪沉積模型進(jìn)行掃描及鐵定量測定、脂肪定量測定(CTDIvol分別為12.64 mGy、12.92 mGy)，結(jié)果顯示256-MDCT與64-MDCT鐵定量評估VIC與LIC的相關(guān)性無差異(相關(guān)系數(shù)r=0.998，P=0.000)，兩個機(jī)型在脂肪定量評估VFC與LFC的相關(guān)性無差異(相關(guān)系數(shù)r=1.000，相應(yīng)P=0.000)；提示256-MDCT和64-MDCT的VIC、VFC均可分別用于定量反映肝臟鐵沉積、肝臟脂肪沉積，且均具有較高的準(zhǔn)確性。

隨著CT、MR無創(chuàng)性肝臟鐵、脂肪含量測定方法的不斷發(fā)展，特別是雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)，能達(dá)到肝鐵、脂肪含量準(zhǔn)確量化測定的目的；肝臟鐵含量定量測定對肝血色病、長期輸血鐵過載患者病情程度的判斷、治療方案的選擇和去鐵治療療效評價均具有重要意義；肝臟脂肪含量定量測定在不同臟器脂質(zhì)代謝性疾病(如腦、乳腺、骨骼)中具有廣泛應(yīng)用前景。本研究通過體模實驗，得出輻射劑量、機(jī)型均不影響雙能CT物質(zhì)分離技術(shù)肝臟鐵、脂肪沉積的定量測定，為今后臨床低輻射劑量CT掃描下測定肝臟鐵、脂肪沉積奠定基礎(chǔ)。