雙能量CT 虛擬鐵濃度成像技術(shù)在肝鐵過載中的應(yīng)用研究

肖 紅 林慧敏 李若坤 徐欣欣 嚴(yán)福華

原發(fā)性或繼發(fā)性血色素沉著癥導(dǎo)致全身鐵負(fù)荷增加時，過量的鐵會加快氧化應(yīng)激反應(yīng)，生成的活性物質(zhì)可破壞脂質(zhì)，蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為肝硬化、肝癌、心律失常、心衰、糖尿病或關(guān)節(jié)炎[1]。雙源CT利用了雙能量X射線掃描下鐵的衰減系數(shù)不同，結(jié)合3種物質(zhì)分解算法對肝鐵定量計算，可以不受鐵過載嚴(yán)重程度的限制，且成像時間短，后處理重建方法簡單[2]。目前以第二代雙源CT在80/140kVp能量組合下的實驗研究為主，臨床研究較少見。第三代雙源CT配備了最先進的Stellar探測器和錫過濾器，圖像后處理為基于模型的迭代重建算法，且常用的70/150kVp的電壓組合對于能譜分離的效果較80/140kVp更佳，理論上對肝鐵定量的準(zhǔn)確性會更高。暫未見有虛擬鐵濃度（VIC）成像與以電感耦合等離子體光譜儀（ICP）定量的肝鐵濃度（LIC）的結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)的一致性評價相關(guān)報道[3-4]。故本研究擬通過構(gòu)建不同鐵過載程度的大鼠模型，以ICP定量的LIC為參考，評估第三代雙源CT 70/150kVp能量組合的VIC成像技術(shù)在肝鐵定量及分級中的可行性和準(zhǔn)確性，為臨床鐵過載治療奠定基礎(chǔ)。

方 法

1.實驗試劑與設(shè)備

1.1實驗試劑：右旋糖酐鐵（Sigma），戊巴比妥鈉（Sigma），95%濃硝酸（大連美侖生物技術(shù)有限公司），過氧化氫（武漢賽維爾生物科技有限公司）。

1.2實驗設(shè)備：電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（iCAP7600，Thermo），微波消融儀（南京康友微波能應(yīng)用研究所），烘干機（上海將凱機械有限公司），稱量天平（奧豪斯國際貿(mào)易有限公司），第三代雙源CT(SOMATOM Force， Siemens Healthineers)。

2.鐵過載大鼠模型的構(gòu)建

63只5周齡大小的SD大鼠在溫度為(20±2)℃、濕度為50%～60%的飼養(yǎng)環(huán)境下自由進食進水，適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后，隨機分為9組，每組7只。通過左右下腹交替腹腔內(nèi)給藥的方式注射不同劑量的右旋糖酐鐵或等量的生理鹽水，1～9組給藥總劑量分別為0、25、50、 100、 200、400、 600、 800、1000mg/kg（鐵/大鼠體重）的右旋糖酐鐵，高于200mg/kg的單次注射劑量為200mg/kg，其余的一次給藥，給藥間隔為1周。實驗通過了本院動物實驗倫理委員會的批準(zhǔn)。

3.CT掃描

最后一次給藥后1周，用戊巴比妥鈉（30mg/kg）深度麻醉大鼠后，將其四肢完全拉開，以仰臥位姿勢固定在硬塑料板上，掃描范圍從心臟至肝臟下緣2cm左右。管電壓為70/150kVp，70和150kVp球管對應(yīng)的管電流分別為380和95mAs，準(zhǔn)直器寬度為64×0.6mm，層厚0.5mm，層間距0.5mm，曝光時間500ms，矩陣大小為512×512。

4.VIC圖像重建及ROI勾畫

將70和150kVp的單能量圖像同時導(dǎo)入至工作站中，重建出VIC圖像。由2名放射科醫(yī)師雙盲獨立勾畫ROI，在肝臟最大橫斷面上下三層范圍內(nèi)，每層遠(yuǎn)離邊緣和管道結(jié)構(gòu)的肝臟實質(zhì)內(nèi)各畫3個20mm2大小的ROI，取3層平均CT值。

5.ICP定量肝鐵濃度

CT掃描完成后解剖大鼠，從最大肝葉上取適量肝臟組織用于ICP定量LIC，另取小部分肝臟在-80℃冰箱中冷藏備用。用去離子水將肝臟組織沖洗兩遍后，放置在60℃的烘箱中24小時，烘干至質(zhì)量恒定時稱量干重（dry weight，DW）。向樣本中加入4ml 95%的濃硝酸，在100℃條件下硝解1小時后，加入2ml過氧化氫，將混合液放在180℃、1200W的微波消融儀中處理1小時后取出，100℃再加熱1小時，等到溶液徹底冷卻后，加去離子水將溶液定容至50ml，用ICP檢測溶液中的鐵元素濃度（iron concentration，Ciron）并計算肝鐵濃度（LIC=Ciron×50/DW）。

6.統(tǒng)計學(xué)方法

所 有 統(tǒng) 計 學(xué) 分 析 在SPSS 26.0，GraphPad Prism 8和MedCalc 19.0.7軟件完成，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。對計量資料做Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗，數(shù)據(jù)描述用中位數(shù)±均差值表示。用ICC評估兩名醫(yī)師CT值測量結(jié)果的可靠性。給藥劑量及CT-VIC與ICP的相關(guān)性用Spearman相關(guān)分析評估。采用Bland-Altman比較VIC成像與ICP這兩種方法定量LIC結(jié)果的一致性。根據(jù)臨床鐵過載治療的分級標(biāo)準(zhǔn)后，結(jié)合ROC曲線和約登指數(shù)確定最佳截斷值、靈敏度和特異度，并用AUC評估分級的診斷效能。

結(jié) 果

1.ICP-LIC測量結(jié)果及鐵過載分級(表1)

圖1 散點圖顯示給藥劑量與ICP-LIC的相關(guān)性高。

圖2 不同鐵過載程度的大鼠肝臟CT VIC圖像。A～E.依次為正常，輕度，中度，重度和極重度鐵過載肝臟的VIC重建圖像，對應(yīng)的肝鐵濃度分別為0.33、2.14、5.04、13.41、22.95mg/g，CT值分別為23.09、31.85、42.38、72.12、85.30HU。

圖3 散點圖顯示CT-VIC與ICPLIC的 相 關(guān) 性 高。圖4 Bland-Altman顯 示VIC成 像 和ICP對 肝鐵定量的一致性高。

表1 以臨床鐵過載治療標(biāo)準(zhǔn)為參考對大鼠肝鐵過載程度分組

表2 VIC成像對肝鐵分級的診斷效能評估

ICP-LIC的 范 圍 為0.32～39.21mg/g，均數(shù)為（12.73±1.36）mg/g，95%置 信 區(qū) 間（CI）為10.02～15.43mg/g。給藥劑量與ICP-LIC呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)ρ為0.91（P＜0.0001，圖1)。以臨床鐵過載治療的參考標(biāo)準(zhǔn)分級，正常（0～1.8mg/g）、輕度（1.8～3.2mg/g）、中度（3.2～7.0mg/g）、重度（7.0～15.0mg/g）和極重度（＞15.0mg/g）鐵過載組對應(yīng)的樣本數(shù)分別為9、10、8、11和25個。

2.CT-VIC測量結(jié)果及可重復(fù)性評價

2名醫(yī)師對3個ROI CT值測量結(jié)果的重復(fù)性好，ICC分別為0.989、0.988和0.985，Kappa值為-0.001（P=0.807）。各ROI CT值之間無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.053），平均值為64.61±4.09HU，95% CI為56.43～72.79 HU，范 圍 為23.09～149.25 HU(圖2)。

3.VIC成像定量肝鐵濃度的準(zhǔn)確性評估

VIC圖像CT值與金標(biāo)準(zhǔn)ICP測量的LIC有很強的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)ρ為0.98（P＜0.0001），根據(jù)擬合的回歸方程，將CT值換算為LIC。Bland-Altman分析顯示VIC-LIC與ICP-LIC差異的平均值 為0mg/g，95%CI為-3.77～3.77mg/g，兩 種方法定量肝鐵濃度結(jié)果的差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（H0平均值=0，P=0.9859；圖3)。

4.VIC成像對肝鐵過載分級的診斷效能(表2)

VIC圖像CT值對肝鐵過載分級的最佳截斷值分別為37.65、41.45、47.05、73.40HU，各分級的AUC均大于0.95，分別為0.956、0.975、0.993、0.991，靈敏度及特異度分別為83.3%和100%、90.9%和100%、97.2%和93.5%、100%和97.4%(圖4)。

討 論

肝鐵過載的準(zhǔn)確定量和分級對指導(dǎo)治療至關(guān)重要，本研究的動物模型覆蓋了臨床鐵過載范圍，第三代雙源CT的雙能 VIC成像與ICP定量肝鐵濃度的結(jié)果一致，在保持高靈敏度和特異度的同時，也能對肝鐵過載準(zhǔn)確分級，可以作為鐵過載評估的方法之一。

雙源CT評估肝鐵濃度有兩種方法，一種是根據(jù)肝臟在不同能量下的CT值差值（△H），從鐵的△H標(biāo)準(zhǔn)曲線中還原LIC[5]。僅用△H來評估肝鐵濃度無法完全消除脂肪的影響，尤其是當(dāng)肝鐵含量低時[5]。另一種是由Fisher等提出的基于三物質(zhì)分離技術(shù)的VIC成像，鐵過載肝臟可以看成是由肝臟、脂肪組織和鐵元素組成，根據(jù)獲取的不同能量下物質(zhì)的CT值信息，通過幾何解析的方法，將三種物質(zhì)的能量信息擬合成一幅由彩色編碼可以反映VIC的圖像，用VIC CT值定量LIC，相比于傳統(tǒng)的單能量圖像的CT值和雙能量圖像的△H，VIC成像可不受限于脂肪含量和高原子序數(shù)物質(zhì)的限制[6]。不同于以往報道的以磁共振檢查結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)，我們以ICP定量肝臟活檢的鐵濃度為金標(biāo)準(zhǔn)，證實了第三代雙源CT 雙能VIC成像技術(shù)在肝鐵定量和分級中的高應(yīng)用價值。

在肝鐵定量方面， 本研究的結(jié)果顯示出CTVIC與ICP-LIC有 很 強 的 相 關(guān) 性（ρ=0.98，P＜0.0001），與Luo等基于第二代雙源CT VIC成像對兔子肝鐵定量的相關(guān)系數(shù)一致，但回歸方程的斜率不同，即鐵在70/150kVp和80/140kVp能量組合下的斜率分別為2.976和1.94[5]。Fisher等的體模實驗測得鐵在80/140kVp的斜率也為1.9[6]。從兩者的體模研究和動物實驗結(jié)果來看，VIC成像用于肝鐵定量可能不受體內(nèi)/體外和個體大小的影響，因此我們推測，第三代雙源CT 70/150kVp能量組合結(jié)合VIC成像對臨床鐵過載的評估有一定指導(dǎo)意義。

在肝鐵分級方面，VIC成像表現(xiàn)出極高的診斷效能（AUC＞0.95），診斷的靈敏度隨著肝鐵過載程度的增加而增加，在極重度鐵過載時達(dá)到了100%。特異度在輕中度鐵過載時均為100%，重度和極重度稍有下降，這可能是因為當(dāng)鐵過載達(dá)到一定程度時，肝臟合并了其他病變，如肝纖維化和肝硬化，從而導(dǎo)致特異度稍減低。VIC成像對極重度鐵過載患者的準(zhǔn)確肝鐵定量，指導(dǎo)治療方案和預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生有重要意義，可以作為磁共振技術(shù)的重要補充。

本研究還存在一些不足：本研究以正常大鼠的鐵過載為模型進行VIC圖像重建，未考慮合并鈣化、銅及其他高原子序數(shù)物質(zhì)沉積對結(jié)果的影響；另外，本研究為動物研究，樣本量較少，此掃描方案及回歸方程是否能直接用于臨床仍需探討。