能譜CT鑒別診斷肺部炎性病變與腫瘤的研究進(jìn)展

陳露蕓 黃原義

長(zhǎng)江大學(xué)附屬荊州醫(yī)院，湖北省荊州市 434300

“同病異影，同影異病”一直是影像醫(yī)務(wù)工作人員攻克的重難點(diǎn)。胸部CT作為最常用的成像方式之一，在解剖學(xué)上涵蓋了主要的死亡原因[1]。傳統(tǒng)CT作為診斷及鑒別肺部疾病的主要檢查方法，提供病灶的形態(tài)學(xué)特征及強(qiáng)化程度對(duì)其良惡性進(jìn)行鑒別，但所獲得的信息具有局限性，對(duì)于不具有典型影像學(xué)表現(xiàn)的病灶，單純依靠影像對(duì)病變進(jìn)行定性診斷是比較困難的。能譜CT作為一種無(wú)創(chuàng)性檢查的手段，一方面可提供定性的CT形態(tài)學(xué)信息，在影像診斷中起著不可或缺的作用；另一方面能獲得單能量虛擬圖像、碘濃度、能譜曲線、有效原子序數(shù)等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行定量分析，可對(duì)病灶成分進(jìn)行更為精確的分析，利用這項(xiàng)技術(shù)獲得的信息在胸部腫瘤學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要，為肺內(nèi)病變鑒別診斷提供重要價(jià)值。本文將對(duì)能譜CT診斷及鑒別診斷肺部炎性病變、腫瘤的價(jià)值及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 能譜CT

1.1 能譜CT基本原理 能譜CT技術(shù)相較于傳統(tǒng)CT最明顯的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)后處理重建得到單能量虛擬圖像及物質(zhì)分離圖像[2]。能譜CT(Spectral Energy Computed Tomography)對(duì)同一物體使用不同千伏能量掃描，利用不同物質(zhì)具有不同X線吸收特點(diǎn)來(lái)獲得混合能量圖像。能譜CT有三種不同的掃描方式：第一種方法是雙源CT(Dual-energy Computed Tomography, DECT)采集技術(shù)，兩個(gè)X射線源同時(shí)使用兩個(gè)高低不同的千伏能量；第二種方法是快速切換單個(gè)X射線源的管電壓峰值(KVP)，或者在不同KVP能量下執(zhí)行兩次連續(xù)掃描；第三種方法是通過(guò)雙層技術(shù)獲取雙能量數(shù)據(jù)，其中來(lái)自單個(gè)X射線源的光子由探測(cè)器選擇性地記錄能量。目前，大部分醫(yī)用能譜CT都是由兩個(gè)X射線管和兩個(gè)相應(yīng)的探測(cè)器組成的雙源CT，一個(gè)管的管電壓設(shè)置為高能(140KVP)，另一個(gè)管的管電壓設(shè)置為較低的能量(80KVP)。探測(cè)器包括兩層，上層吸收較低能量的光子，下層記錄剩余的較高能量發(fā)射；根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)集，重建和分析兩個(gè)獨(dú)立的圖像序列。

通過(guò)后處理可獲得40到200keV虛擬單能量圖像(Virtual Monoenergetic or Monochromatic Imaging, VMI)，低能量VMI大大改善了碘衰減，高能量VMI可減少了射束硬化偽影。較低能量VMI能改善圖像對(duì)比度，可更好地顯示血管異?；蚰[瘤并提高診斷準(zhǔn)確性。Moritz H等人[3]建議使用能譜CT常規(guī)重建50keV單能量虛擬圖像以獲得對(duì)比度增強(qiáng)后的圖像，必要時(shí)可重建120keV單能量虛擬圖像來(lái)減少射束硬化偽影。

能譜CT提供體內(nèi)物質(zhì)(例如含碘的造影劑和骨)與兩種不同能量X線相互作用的數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)可能是獨(dú)一無(wú)二的，能譜CT物質(zhì)分離技術(shù)可以得到任意兩種基物質(zhì)對(duì)組成圖像，如碘—水、碘—鈣等。碘、鈣、尿酸、軟組織和水等物質(zhì)可以通過(guò)已知的雙能比準(zhǔn)確識(shí)別；該比率是通過(guò)計(jì)算材料在低千伏和高千伏能量圖像衰減度得到的[4]。例如，對(duì)于80和140kVp的管電壓，碘對(duì)比劑的雙能比約為2(600Hu/300Hu)，鈣化或骨骼的雙能比約為1.5(800Hu/533Hu)。這種雙能比也能使碘與其他高衰減結(jié)構(gòu)(如鈣、骨或異物)區(qū)分開(kāi)來(lái)，也可通過(guò)抑制甚至減去碘信號(hào)得到虛擬平掃圖像(Virtual non Contrast VNC)，為減少患者輻射劑量提供可能性。王會(huì)霞等人[5]的研究顯示靜脈期虛擬平掃圖像各項(xiàng)主觀評(píng)分與常規(guī)CT平掃圖像比較差異均無(wú)明顯差異，且虛擬平掃較常規(guī)CT平掃輻射劑量降低19.29%，證實(shí)了VNCT有望代替常規(guī)平掃圖像，從而能夠優(yōu)化檢查程序、降低輻射劑量。

1.2 相關(guān)技術(shù)及參數(shù)

1.2.1 碘濃度及標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度：碘—水是能譜CT最常用的基物質(zhì)對(duì)，通過(guò)碘基圖獲得的碘濃度(Iodine Concentration, IC)能準(zhǔn)確測(cè)量組織內(nèi)碘含量，可作為腫瘤灌注和血管生成的重要影像標(biāo)志物。標(biāo)準(zhǔn)碘濃度(Normalized Iodine Concentration, NIC)可對(duì)參考值進(jìn)行歸一化處理后，可減少不同個(gè)體間的碘濃度差異，相較于IC更為精準(zhǔn)[6]。碘是CT增強(qiáng)對(duì)比劑主要成分，組織碘值多少可一定程度反應(yīng)組織血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。目前碘基圖已經(jīng)在肺部獲得了非常顯著的研究成果，主要包括：(1)鑒別肺部疾病的良惡性；(2)區(qū)分肺部腫瘤的不同病理類型、分化級(jí)別；(3)結(jié)合PET-CT代謝水平攝取評(píng)價(jià)肺癌復(fù)發(fā)與其的相關(guān)性；(4)評(píng)價(jià)肺栓塞、腫瘤、肺實(shí)變所致的肺灌注缺損[7]。

1.2.2 有效原子序數(shù)：有效原子序數(shù)(Effective atomic number, Eff-Z)是代表化合物或各種材料混合物的復(fù)合原子的定量指數(shù)，在臨床中較常用于腎結(jié)石成分的分析，在胸部領(lǐng)域的臨床意義尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有部分研究表明在良惡性病灶及不同病理類型腫瘤中有效原子序數(shù)具有差異性。最小Zeff值和標(biāo)準(zhǔn)化Zeff值與肺部惡性腫瘤有統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性，且標(biāo)準(zhǔn)化Zeff的診斷效能優(yōu)于最小Zeff[8]。Yang等人[9]發(fā)現(xiàn)不同病理分型如鱗癌、腺癌和神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤動(dòng)脈期和靜脈期Zeff值均有顯著差異。

1.2.3 能譜曲線：?jiǎn)文芰繄D像的CT值反映特定能量水平下X線穿過(guò)被檢組織后所產(chǎn)生的衰減值，單能量CT值與其所對(duì)應(yīng)的能量水平間的變化關(guān)系在二維坐標(biāo)系內(nèi)構(gòu)成曲線即為能譜曲線。能譜曲線描述了物質(zhì)在不同能量X射線照射下的衰減情況，與物質(zhì)密度緊密相關(guān)，理論上不同化學(xué)構(gòu)成的組織具有不同的能譜衰減曲線，通過(guò)分析能譜曲線可以達(dá)到區(qū)分和鑒別物質(zhì)成分的目的[10]。斜率K是一種相對(duì)準(zhǔn)確的物質(zhì)分離的定量參數(shù)，可用于能譜曲線差別的量化評(píng)估[11]。

1.2.4 虛擬圖像：1987年，能譜CT被認(rèn)為可以根據(jù)電子密度和有效原子序數(shù)等其他參數(shù)重建圖像，值得注意的是，這些重建的灰度圖像是“虛擬的”，因?yàn)閂MI模擬了使用單能X射線源后獲得的圖像，而用于醫(yī)學(xué)成像的X射線管不會(huì)產(chǎn)生單一的能量。虛擬圖像(Virtual Monoenergetic or Monochromatic Imaging, VMI)可以通過(guò)減少金屬或射束硬化偽影來(lái)改善圖像質(zhì)量。然而，每種情況下VMI的合適能量水平是不同的。Gyobu等人[12]報(bào)道在100keV或140keV的VMI中，金屬偽影顯著減少，VMI提高了胸部體模中肺結(jié)節(jié)的檢出率。VMI通過(guò)降低圖像噪聲，提高信噪比和對(duì)比度噪聲比，提高軟組織病變的圖像質(zhì)量。當(dāng)肺血管強(qiáng)化程度與肺門淋巴結(jié)的強(qiáng)化程度基本相同時(shí)，肺門淋巴結(jié)的檢出有時(shí)比較困難。低能量的VMI可以提高病灶的檢出率、可視性和準(zhǔn)確測(cè)量，從而提高診斷的準(zhǔn)確性。因?yàn)榧词乖谠缙谠鰪?qiáng)階段沒(méi)有進(jìn)行掃描，低能量的VMI也能增加組織間的對(duì)比度。最近的一項(xiàng)研究證明，在40～80keV的能量范圍內(nèi)，VMI對(duì)評(píng)價(jià)肺部病變是最為有用的，顯示了病灶與周圍組織之間的最大對(duì)比差異[13]。

2 肺部炎性病變與腫瘤鑒別診斷

2.1 炎性結(jié)節(jié)與早期肺癌鑒別診斷 隨著胸部CT的發(fā)展及普及，肺部結(jié)節(jié)檢出率也在日益增高，尤其是孤立性肺結(jié)節(jié)的良惡性診斷率仍然是臨床實(shí)踐中的熱門話題。傳統(tǒng)的胸部增強(qiáng)CT 是從檢測(cè)到的肺結(jié)節(jié)中識(shí)別疑似肺癌的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)比增強(qiáng)檢查中的凈增加 CT 值已被用于區(qū)分肺結(jié)節(jié)的良性和惡性特征，其截止值為15HU或20 HU[14]。常規(guī)CT圖像中，良惡性SPN在增強(qiáng)模式方面存在相當(dāng)大的重疊。能譜CT通過(guò)計(jì)算能量通過(guò)分析和放大傳統(tǒng)CT成像的機(jī)理和細(xì)節(jié)，分析和放大X射線衰減系數(shù)的依賴性，通過(guò)40～140 keV能級(jí)的單能量圖像獲取多個(gè)參數(shù)，從而彌補(bǔ)其不足。通過(guò)后處理可以在碘圖像上測(cè)量碘濃度及標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度，被認(rèn)為與實(shí)際增強(qiáng)程度(凈增強(qiáng))相同。使用能譜CT鑒別肺結(jié)節(jié)可使用多種參數(shù)，包括碘濃度 (IC)、標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度 (NIC)、不同能量級(jí)的單能量圖像獲得的CT值和能譜衰減曲線的斜率(λHU)以區(qū)分肺部結(jié)節(jié)的良惡性。

2.1.1 不同性質(zhì)肺結(jié)節(jié)鑒別診斷：曾瑤等人[15]的研究發(fā)現(xiàn)炎性病灶組的動(dòng)脈期的CT凈增值、碘濃度及標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度均顯著高于肺癌組；炎性組碘沉積量多且分布均勻，腫瘤組的碘沉積量主要集中在病灶中央位置，此外炎性病灶患者能量值40～140keV下的能譜曲線碘含量斜率K值也明顯小于腫瘤組，與既往的研究結(jié)果相似。IC能直接反映病灶的血供情況，在活動(dòng)性炎癥組中最高，其次是惡性組，因此，活動(dòng)性炎性結(jié)節(jié)表現(xiàn)出更早、更明顯的強(qiáng)化?；顒?dòng)性炎癥結(jié)節(jié)受到炎癥劑的刺激，導(dǎo)致小動(dòng)脈和毛細(xì)血管變得更加明顯擴(kuò)張，血管通透性增加。炎癥性水腫組織壓迫引流靜脈，增加組織靜水壓力，良性結(jié)節(jié)比惡性結(jié)節(jié)更能明顯阻斷血液回流。不同性質(zhì)的病灶血供情況也不相同，除活動(dòng)性炎性病灶之外，其他的良性病灶與腫瘤組的能譜參數(shù)也具有差異性。李健康[16]的研究分別比較了肺炎組、肺結(jié)核組及肺癌組，40～90keV能量圖像三組CT值及動(dòng)脈期IC、NIC的大小依次為肺炎組>肺癌組>肺結(jié)核組，靜脈期肺結(jié)核組的IC、NIC也低于肺炎組。肺結(jié)核的病理表現(xiàn)為組織呈干酪樣的壞死及肉芽腫的形成，是一種慢性炎癥，病灶供血?jiǎng)用}較少，血流灌注少，因此代表組織供血的碘濃度參數(shù)低于其余兩組。

2.1.2 不同成分肺結(jié)節(jié)鑒別診斷：能譜CT除了能鑒別診斷不同性質(zhì)的肺部結(jié)節(jié)，還可用于分析不同成分的結(jié)節(jié)。Chen等人[17]將結(jié)節(jié)分為實(shí)性結(jié)節(jié)組及磨玻璃結(jié)節(jié)組，發(fā)現(xiàn)惡性實(shí)性結(jié)節(jié)組的40keVaCT值、40keVvCT值、λHUa及λHUv均顯著低于良性實(shí)性結(jié)節(jié)組，但動(dòng)靜脈期兩組的IC、NIC和λHU均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。其與既往研究不同之處在于良性結(jié)節(jié)組的動(dòng)靜脈能譜曲線λHU和IC低于惡性結(jié)節(jié)，可能是因?yàn)槭占臉颖救巳翰煌暗难芯考性趯?shí)性結(jié)節(jié)，該研究同時(shí)分析了實(shí)性及磨玻璃結(jié)節(jié)，此外碘濃度不僅與血供密切相關(guān)，而且受造影劑總劑量、注射流速、延遲掃描等多種因素的影響。流通時(shí)間的不同和個(gè)體之間的差異可能是導(dǎo)致與其他研究結(jié)果不同的因素。他們還發(fā)現(xiàn)與良性磨玻璃結(jié)節(jié)組相比，惡性磨玻璃結(jié)節(jié)組的IC、NIC和λHU之間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異，動(dòng)靜脈期40keV、70keV單能量圖像的CT值及動(dòng)靜脈期能譜曲線斜率均低于良性結(jié)節(jié)，表明能譜參數(shù)相較于實(shí)性結(jié)節(jié)，對(duì)于磨玻璃結(jié)節(jié)的良惡性臨床診斷具有更高的實(shí)用性。

2.2 腫塊樣病變鑒別診斷

2.2.1 腫塊樣活動(dòng)性炎性病變與腫瘤鑒別診斷：肺部炎性病變與腫瘤均可引起患者咳嗽、發(fā)熱，此外還具有相似的影像表現(xiàn)，如相似的形態(tài)學(xué)、增強(qiáng)掃描明顯強(qiáng)化等。明確疾病良惡性對(duì)于診斷及預(yù)后極為重要，能譜CT能提供相較于傳統(tǒng)CT更多的診斷依據(jù)。與炎性結(jié)節(jié)及早期肺癌的研究結(jié)果類似，不同時(shí)期炎性病變與腫瘤的IC及標(biāo)準(zhǔn)化碘濃度具有明顯差異。黃倩文等[18]在研究中發(fā)現(xiàn)平掃及動(dòng)、靜脈期肺癌組的IC、 λ40～90 keV測(cè)值均小于炎性病灶組，且兩組能譜曲線均顯示隨能量增加，不同單能量圖像所獲得的CT值下降，且在低能量水平(40～90keV)下降率最大。王君鑫等[19]在能譜CT定量參數(shù)鑒別診斷肺炎與肺癌的研究中得出了相同的結(jié)論，還通過(guò)分析動(dòng)—靜脈期病灶碘濃度差值，肺癌組差值明顯低于炎性組，進(jìn)一步證明腫瘤組織血流流入速度及流出速度均較炎癥組緩慢。此外兩組實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)肺癌組低能量水平的能譜曲線較炎癥組平緩，二者斜率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明低能量水平的能譜曲線斜率可作為鑒別腫瘤與炎性病灶的定量指標(biāo)。

2.2.2 腫塊樣慢性炎性病變與腫瘤鑒別診斷：慢性炎癥作為肺部損傷后的一種病理反應(yīng)，血供少、微血管密度小、血流速度緩慢，與腫瘤快進(jìn)快出的血供特點(diǎn)有著明顯的差異。張國(guó)晉等[20]在能譜診斷局灶性機(jī)化性肺炎及周圍型肺癌的研究中發(fā)現(xiàn)：周圍型肺癌組的動(dòng)脈期 40～70keV、λ70keVCT、碘(水)值及有效原子序數(shù)均高于局灶性機(jī)化性肺炎組，靜脈期40～70keV、λ70keVCT、碘(水)值及有效原子序數(shù)均低于局灶性機(jī)化性肺炎組。鄧靚娜等人[21]通過(guò)一站式掃描，前瞻性的比較了肺部惡性腫瘤及局灶性肺炎的能譜CT參數(shù)及灌注CT參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能譜動(dòng)靜脈期參數(shù)聯(lián)合鑒別二者的AUC為92%，高于灌注參數(shù)的84%，證明能譜CT可以作為間接評(píng)估腫瘤的血流動(dòng)力學(xué)的首選方案。

2.2.3 良惡性腫塊樣病變壞死組織鑒別價(jià)值：肺部腫塊相較于結(jié)節(jié)更容易發(fā)生壞死，壞死性肺部病變?cè)谠鰪?qiáng)CT上表現(xiàn)為病灶內(nèi)部相對(duì)低密度，周邊強(qiáng)化。肺部良性病變最常見(jiàn)的是肺膿腫和肺結(jié)核，壞死均與微生物感染引起的炎癥反應(yīng)有關(guān)。與炎性壞死不同，腫瘤壞死通常表現(xiàn)為慢性缺血缺氧引起的凝固性壞死，腫瘤壞死組織的黏性較小，壞死成分與炎性病灶有所差異。有效原子序數(shù)可用于識(shí)別材料，目前廣泛應(yīng)用于腎結(jié)石成分的測(cè)定。Li等[22]在能譜CTKVP 轉(zhuǎn)換技術(shù)在鑒別診斷良惡性壞死性肺病變中的應(yīng)用研究中，發(fā)現(xiàn)兩組動(dòng)脈期、靜脈期及平掃三期病灶壞死區(qū)域的有效原子序數(shù)及平掃期40～65keV能譜曲線斜率均有顯示差異。除靜脈期實(shí)性成分碘濃度外，平掃期40～65keV能譜曲線斜率是鑒別壞死性肺癌及壞死性肺腫塊樣病變的最有效因素。證明能譜CT可通過(guò)區(qū)別良惡性病灶壞死組織，進(jìn)一步鑒別病灶的良惡性。

綜上所述，通過(guò)后處理獲得的能譜CT多種定量參數(shù)在鑒別肺部炎性病變與腫瘤中具有重要的臨床價(jià)值。在清晰顯示病灶形態(tài)學(xué)特征、減少硬化偽影的同時(shí),可更敏感地反映病灶的血供特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)CT，顯著提高了肺部疾病的診斷準(zhǔn)確性。目前缺乏大樣本、多中心的研究對(duì)掃描檢查方式、感興趣區(qū)域的規(guī)劃進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以獲得更加客觀、準(zhǔn)確的，能反映病灶真實(shí)信息的參數(shù)數(shù)據(jù)。但隨著CT的不斷發(fā)展，能譜CT有望能廣泛應(yīng)用肺部疾病的鑒別及診斷鑒別中。