雙層探測(cè)器光譜CT在頭頸部疾病中的研究進(jìn)展

趙寶連，涂文婷，范麗，蕭毅

197 3 年，Godfrey Hounsfield首次提出雙能量CT的概念，2006年雙能量CT開始用于臨床實(shí)踐[1]。根據(jù)采集方法的不同，雙能量CT主要分為雙源CT、單源瞬時(shí)管電壓切換CT和雙層探測(cè)器光譜CT（簡稱光譜CT）[2]。其中，雙源CT是具有2個(gè)X射線球管和2個(gè)探測(cè)器的CT系統(tǒng)，這2個(gè)X射線球管和探測(cè)器分別成角約90°，在不同的kV設(shè)置下同時(shí)發(fā)射X射線并采集雙能量數(shù)據(jù)；單源瞬時(shí)管電壓切換CT是通過一個(gè)球管在80 kV和140 kV之間快速切換來采集雙能量數(shù)據(jù)。光譜CT是目前唯一由探測(cè)器驅(qū)動(dòng)的雙能量CT，采用雙層探測(cè)器在固定單一管電壓（通常為120 kV）下進(jìn)行雙能量數(shù)據(jù)的采集，雙層探測(cè)器中由釔為基質(zhì)的閃爍晶體組成的內(nèi)薄層選擇性吸收低能光子，由Gd2O2S2組成的外厚層吸收高能光子[3]。

光譜CT的特點(diǎn)是不需要預(yù)先選擇掃描方案，只需一次掃描就可以獲得常規(guī)CT影像信息和各種能譜信息。相比其他2種雙能量CT，光譜CT更加適合在臨床普及和回顧性分析，只是雙能重建的時(shí)間較長。另外，光譜CT技術(shù)可以達(dá)到“同源、同時(shí)、同向”的要求，為準(zhǔn)確地能量解析提供保障，可以達(dá)到去除線束硬化偽影的最佳效果[4]。由于緊湊的機(jī)架設(shè)計(jì)，雙源CT中的一個(gè)探測(cè)器被限制在較小的中心視場(chǎng)，其收集的數(shù)據(jù)可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)截?cái)?；單源瞬時(shí)管電壓切換CT的高低電壓切換需要時(shí)間，空間分辨力和時(shí)間分辨力均有損失；而光譜CT掃描在全掃描視野（50 cm×50 cm）下進(jìn)行，也無需電壓切換就可以解決上述問題。然而，由于光譜CT探測(cè)器閃爍體的兩層材料對(duì)光子的敏感曲線部分重疊，因此其能譜對(duì)比度低于雙源CT[3]。光譜CT在臨床中常用的光譜圖包括常規(guī)CT影像（conventional CT images,CI）、虛擬單能量影像（virtual monoenergetic images,VMI）、有效原子序數(shù)圖、虛擬平掃（virtual noncontrast,VNC）、鈣抑制圖、碘密度圖、電子云密度圖、尿酸圖、能譜曲線。本文主要對(duì)近5年光譜CT在頭頸部CT影像質(zhì)量改善、腦卒中診治、頸動(dòng)脈粥樣硬化、頭頸部腫瘤中的研究進(jìn)展做一綜述。

1 光譜CT在提高頭顱CT影像質(zhì)量中的應(yīng)用

頭顱CT平掃是頭顱疾病常用的檢查方式之一，影像質(zhì)量是疾病診斷的基礎(chǔ)，多項(xiàng)研究[5-6]表明光譜CT對(duì)頭顱掃描的影像質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)CT。Neuhaus等[7]對(duì)40例行光譜CT頭顱掃描的病人進(jìn)行研究，對(duì)比光譜CT頭顱平掃重建的VMI和CI發(fā)現(xiàn)，與CI相比，在65 keV和120 keV條件下，VMI可以分別明顯提高腦灰白質(zhì)對(duì)比度和減少顱骨的線束硬化偽影，但該研究僅評(píng)估了影像質(zhì)量參數(shù)，未來可以進(jìn)一步研究VMI對(duì)于頭顱疾病診斷準(zhǔn)確性的影響。

腦動(dòng)脈瘤病人術(shù)后復(fù)查CTA評(píng)估血管管腔及術(shù)區(qū)并發(fā)癥時(shí),常受到金屬夾及彈簧圈偽影的干擾，金屬偽影使得病人血管管腔狹窄被高估，并降低術(shù)區(qū)腦組織的影像質(zhì)量，給臨床醫(yī)師帶來很大困擾[8]。而光譜CT可以在技術(shù)上去除金屬偽影，Grosse Hokamp等[9]對(duì)20例深部腦刺激電極置入術(shù)后行光譜CT檢查的病人研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)CI相比，采用去金屬偽影（metal artifact reduction,MAR）算法進(jìn)行后處理的CI（CIMAR）顯著減少了病人顱內(nèi)電極的金屬偽影，然而MAR與200 keV時(shí)的VMI（VMI200keV）結(jié)合并未能減少金屬偽影，這與其他研究結(jié)果是相矛盾的，這可能與該研究中的電極線直徑較小有關(guān)[10-11]。Zopfs等[10]對(duì)35例顱腦術(shù)后光譜CT復(fù)查的病人進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與CI相比，VMI≥140 keV時(shí)，VMI和MAR可以明顯減少主觀閱片中的金屬偽影，但在客觀評(píng)估中VMI的金屬偽影并沒有減少，MAR只能減少表現(xiàn)為暗帶的偽影，VMI與MAR的結(jié)合影像（VMIMAR200keV）效果最好，可以明顯減少主客觀評(píng)估中的金屬偽影。但在高kV下（200 keV）不僅會(huì)減少金屬偽影，還會(huì)降低血管的顯示，因此Zheng等[11]對(duì)29例腦動(dòng)脈瘤術(shù)后病人進(jìn)行了進(jìn)一步研究，將光譜CT中重建出的CI、VNC和VMI影像經(jīng)MAR處理為CIMAR、VNCMAR和VMIMAR，然后再采用一種由VNCMAR和適宜的VMIMAR減影成像形成的新的減影方法（S-MAR），結(jié)果表明在40 keV下，S-MAR在減少金屬偽影方面顯著優(yōu)于CI、VMI、CIMAR、VMIMAR，尤其是對(duì)于直徑≥0．5 mm的彈簧圈；同時(shí)該方法還能夠改善血管的顯示。但該研究沒有將S-MAR診斷的精確性與金標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字血管造影（DSA）做對(duì)照，也沒有進(jìn)一步分析S-MAR性能與不同大小的金屬植入物之間的關(guān)系。綜上，不僅高keV下的VMI可以減少金屬偽影，低keV下的VMI也是可能的，未來高kV或低kV下的VMI、MAR及VMI與MAR的結(jié)合在顱內(nèi)金屬偽影減少的準(zhǔn)確性、不同大小金屬植入物之間的去偽影效能等方面值得進(jìn)一步研究。

2 光譜CT在腦卒中診治中的應(yīng)用

顱內(nèi)出血和缺血性病變的首選方法是頭顱CT，光譜CT可以提高腦卒中的診斷準(zhǔn)確性[12-13]。Lennartz等[12]對(duì)58例光譜CT頭顱平掃研究發(fā)現(xiàn)，VMI對(duì)腦出血和腦缺血病變的顯示優(yōu)于CI；在120 keV下，對(duì)腦白質(zhì)的缺血病變和腦灰質(zhì)的出血顯示最佳；在40 keV下，腦白質(zhì)的出血和腦灰質(zhì)的缺血病變顯示效果最好。另外，St?hl等[13]納入24例由頸內(nèi)動(dòng)脈或大腦中動(dòng)脈閉塞引起的急性腦缺血病人，均于入院后1～3 d進(jìn)行了頭顱光譜CT掃描，研究發(fā)現(xiàn)不同能級(jí)水平的VMI對(duì)腦卒中的診斷效能不同；在70 keV時(shí)，VMI的診斷準(zhǔn)確度最高（0．9），敏感度0．82（95%CI，0．72～0．93），特異度0．92（95%CI，0．88～0．97），陰性預(yù)測(cè)值0．94（95%CI，0．90～0．96），而在40 keV時(shí)，VMI的診斷準(zhǔn)確度最低（0．77），但該研究樣本量較小，未來還需要更大的樣本量去驗(yàn)證。

血管內(nèi)治療是前循環(huán)大血管閉塞引起的急性缺血性腦卒中的標(biāo)準(zhǔn)治療方法[14-15]。然而，治療后的對(duì)比劑滲漏與術(shù)后腦出血在常規(guī)CT上通常難以鑒別，光譜CT的應(yīng)用有望解決這一問題。Bernsen等[16]對(duì)比評(píng)估了63例病人血管內(nèi)治療術(shù)后1周內(nèi)的光譜CT的雙能量參數(shù)和CI，結(jié)果表明雙能量參數(shù)在腦出血和對(duì)比劑的鑒別及腦出血的分級(jí)上均優(yōu)于CI，根據(jù)光譜CT重建出的VMI、VNC、碘密度圖及碘去除圖，8例（13%）病人在CI上的假性診斷結(jié)果（4例假陽性，4例假陰性）得到了糾正，但該研究沒有與MRI或病理結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。Riederer等[17]用MRI做為金標(biāo)準(zhǔn)，在47例腦卒中取栓術(shù)后病人中證實(shí)了光譜CT的碘密度圖和VNC對(duì)腦出血與對(duì)比劑滲漏鑒別診斷的敏感度和特異度均為100%。

3 光譜CT在頸動(dòng)脈粥樣硬化中的應(yīng)用

頸部CTA是頸動(dòng)脈閉塞、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊及動(dòng)靜脈畸形評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)方法。光譜CT的低keV（40～60 keV）VMI能夠改善對(duì)血管的顯示，并且對(duì)整體影像質(zhì)量沒有明顯影響，這與其他雙能量CT是不同的，因?yàn)楣庾VCT可以對(duì)低能級(jí)和高能級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空完全匹配[18-20]。Neuhaus等[21]回顧分析了30例頭頸部光譜CTA，對(duì)比評(píng)估了VMI與CI的質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，在40～45 keV下，VMI對(duì)頸動(dòng)脈顱內(nèi)段、巖部段及頸段的主客觀顯示均較CI明顯提高，更有利于評(píng)估顱底附近血管和小動(dòng)脈分支，在低keV下，光譜CTA的VMI可以提高血管顯示，但與低kV常規(guī)CTA相比輻射劑量偏高，未來可以進(jìn)一步研究降低頸部光譜CTA的輻射劑量。另外，由于光譜CTA的VMI對(duì)血管顯示具有優(yōu)勢(shì)，光譜CTA可以使用更少的對(duì)比劑即可達(dá)到與常規(guī)CTA同樣的血管影像質(zhì)量，這對(duì)腎功能不全的病人有重要意義。Zopfs等[20]回顧性分析了25個(gè)光譜CTA和55個(gè)光譜增強(qiáng)CT靜脈期影像，對(duì)比評(píng)估了頸部光譜增強(qiáng)CT靜脈期VMI與光譜CTA的CI在頸動(dòng)脈粥樣硬化狹窄評(píng)估中的差異，結(jié)果表明在40 keV時(shí)，靜脈期VMI與CTA的血管影像質(zhì)量相當(dāng)，可以用于頸動(dòng)脈粥樣硬化狹窄度的評(píng)估，這意味著在日常的光譜增強(qiáng)CT影像上就可以評(píng)估頸動(dòng)脈粥樣硬化管腔狹窄度，這對(duì)減少病人及社會(huì)的醫(yī)療負(fù)擔(dān)有重要意義。

光譜CTA不僅可以提高血管顯示，還可以用于頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊負(fù)荷評(píng)估。Bai等[22]回顧性分析了30例頸動(dòng)脈光譜CTA影像，評(píng)估比較了光譜CTA中VMI和CI在頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊負(fù)荷評(píng)估和衰減測(cè)量中的價(jià)值，結(jié)果表明在40～120 keV時(shí)，VMI與CI的頸動(dòng)脈斑塊負(fù)荷評(píng)估價(jià)值相當(dāng)；50～120 keV時(shí)，兩者之間的斑塊非鈣化成分衰減測(cè)量也是相當(dāng)?shù)?，且VMI可以比CI提供更多關(guān)于斑塊成分的信息。但該研究發(fā)現(xiàn)VMI與CI上斑塊中鈣化成分的面積存在差異，與CI相比，VMI更容易檢測(cè)到鈣化，keV越低，鈣化斑塊面積和衰減越大。因此，混合斑塊或鈣化斑塊利用VMI評(píng)估管腔狹窄度會(huì)受到鈣化的影響，光譜CT的鈣抑制圖或許能克服這一問題，未來仍需進(jìn)一步研究。另外，有研究[23]表明光譜CT對(duì)于頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分分析、易損斑塊的識(shí)別也可能有重要作用，該研究將7例頸動(dòng)脈斑塊光譜CTA影像與頸動(dòng)脈內(nèi)膜切除術(shù)后斑塊的病理切片逐片做對(duì)照，發(fā)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)（CI、VMI40-140keV、有效原子序數(shù)圖）在富脂質(zhì)壞死核心、斑塊內(nèi)出血、纖維組織、疏松基質(zhì)之間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在40 keV下，光譜CTA評(píng)估頸動(dòng)脈斑塊易損性的準(zhǔn)確度最高，達(dá)到90．4%，而CI的準(zhǔn)確度為82．4%。由此可見，光譜CTA的多個(gè)參數(shù)在頸動(dòng)脈斑塊組成特征評(píng)估上具有潛在的作用，可作為易損斑塊和腦缺血風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)志物。但該研究樣本量較小，未來可以采用更大的樣本量做相關(guān)研究，并且可以進(jìn)一步對(duì)比評(píng)估有無癥狀、有無缺血事件發(fā)生的斑塊之間的光譜CT各參數(shù)的特征差異。

4 光譜CT在頭頸部腫瘤中的應(yīng)用

與常規(guī)CT相比，光譜CT可以提高頭頸部腫瘤的診斷價(jià)值。Tanoue等[24]回顧性分析了32例腦腫瘤病人的頭顱光譜平掃CT，發(fā)現(xiàn)與CI相比，VMI能夠顯著提高腫瘤顯示，尤其在40 keV時(shí)，VMI上腦腫瘤與腦白質(zhì)之間的對(duì)比度、對(duì)比噪聲比均明顯高于CI；但該研究認(rèn)為對(duì)于位于腦灰質(zhì)的腫瘤，VMI并不能提高腫瘤顯示，由于研究樣本量少，源于腦膜的腫瘤并未納入，未來的研究也應(yīng)關(guān)注這些方面。不僅僅是平掃CT，還有研究[25]表明在頭顱光譜增強(qiáng)CT中，40 keV下的VMI也比常規(guī)增強(qiáng)CT可以更好地顯示頭頸部癌對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的浸潤，更有利于腫瘤的分期。

光譜CT不僅能提高原發(fā)頭頸部癌的檢出，在頭頸部腫瘤鑒別診斷中也有重要作用。Takumi等[26]通過對(duì)62例頭頸部鱗狀細(xì)胞癌治療后的隨訪光譜CT檢查的研究發(fā)現(xiàn)，光譜CT的雙能量參數(shù)在診斷復(fù)發(fā)性頭頸部鱗狀細(xì)胞癌方面優(yōu)于CI，在鑒別局部是否為復(fù)發(fā)性病變時(shí)，VMI40keV和碘密度圖的AUC均 顯 著 高 于CI的AUC（分 別 為0．984、0．992、0．912），這對(duì)于減少不必要的活檢有重要意義。另外，也有研究[27]證實(shí)了光譜CT在甲狀腺病變鑒別中的價(jià)值，研究納入76例病理證實(shí)的甲狀腺病變（46例甲狀腺乳頭狀癌、17例良性結(jié)節(jié)、13例囊腫）發(fā)現(xiàn)，碘密度圖在3種病變中具有顯著差異，甲狀腺囊腫碘濃度最低，其次是甲狀腺乳頭狀癌，最后是良性結(jié)節(jié)，這種差異可能與殘存的正常濾泡細(xì)胞量有關(guān)。另外，碘濃度也與增強(qiáng)延遲掃描時(shí)間及血管循環(huán)功能相關(guān)，未來研究應(yīng)注意這一點(diǎn)。另外，Li等[28]也研究了光譜CT的碘密度圖對(duì)術(shù)前腦膠質(zhì)瘤分級(jí)診斷的價(jià)值，該研究納入99例不同級(jí)別的腦膠質(zhì)瘤病人，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高級(jí)別與低級(jí)別膠質(zhì)瘤之間的碘濃度有顯著差異，碘濃度與腫瘤分級(jí)呈高度正相關(guān)，碘濃度診斷高級(jí)別膠質(zhì)瘤的AUC為0．931，敏感度與特異度分別為86．4%和85．5%，且碘濃度與Ki-67標(biāo)記指數(shù)呈顯著正相關(guān)，進(jìn)一步證明了腫瘤內(nèi)碘濃度與細(xì)胞增殖及腫瘤惡性程度相關(guān)。光譜CT在腦膠質(zhì)瘤分級(jí)診斷中的作用對(duì)病人預(yù)后評(píng)估有重要價(jià)值。未來需要更大樣本的前瞻性研究來驗(yàn)證膠質(zhì)瘤內(nèi)碘濃度是否是一個(gè)有用的影像學(xué)標(biāo)志物。

5 小結(jié)

雙能量CT中，光譜CT問世最晚，但發(fā)展迅速且獨(dú)具特色，其VMI、碘密度圖、有效原子序數(shù)等參數(shù)在減少顱腦內(nèi)金屬偽影、提高頭顱影像質(zhì)量、腦卒中診治、頸動(dòng)脈粥樣硬化評(píng)估及腦腫瘤診斷中具有很大的應(yīng)用潛能。但目前的研究也存在著一些不足：①大多數(shù)相關(guān)研究樣本量較小，且多為回顧性、單中心研究，這可能會(huì)影響研究結(jié)果的可靠性和通用性，未來的相關(guān)研究應(yīng)向大樣本量、前瞻性、多中心研究發(fā)展，更好地為臨床推廣應(yīng)用提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。②大多數(shù)研究屬于觀察性研究，缺乏金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，未來的研究應(yīng)注意解決這一問題，并進(jìn)一步評(píng)估光譜CT各參數(shù)的診斷準(zhǔn)確性。③目前的研究多局限于光譜CT中CI與雙能量參數(shù)的比較，未來的研究應(yīng)該更關(guān)注光譜CT與其他雙能量CT相比在臨床應(yīng)用中有哪些優(yōu)勢(shì)。