雙層探測器光譜CT在胸部疾病的應用進展

鄭 巖 張 進 鄭 潔

1.山西醫(yī)科大學醫(yī)學影像學院(山西 太原 030001)

2.山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院影像科(山西 太原 030001)

電子計算機斷層掃描(CT)技術自20世紀中晚期發(fā)明并應用到醫(yī)學領域以來，經(jīng)歷近幾十年不斷的發(fā)展、進步與技術更新，逐漸成為疾病診斷、治療中高度依賴的設備。常規(guī)CT的成像原理是X線穿透人體不同密度的器官及組織，其衰減信息被探測器所接收并由計算機進行處理，最終轉換形成灰階圖像，但是這種灰階圖像在進行精確的物質(zhì)組成成分鑒別和定量分析等方面有一定的短板[1-2]。能譜技術成為克服這一缺點的有效方法，已在臨床實現(xiàn)的有兩種，一是雙源雙能量成像技術，二是單源快速管電壓轉換技術，這兩種技術各有其優(yōu)勢，但也有不足之處，比如需要預選專門的掃描方案、不能完全做到同時同源導致的圖像質(zhì)量下降和偽影產(chǎn)生、以及輻射劑量增加的可能性等。而SDCT由于其特殊的硬件結構和掃描技術，能夠一次掃描中獲得常規(guī)圖像和能譜數(shù)據(jù)，并且在此過程中不需要增加額外的操作流程，也不增加對患者的輻射劑量，其配套的后處理工作站具備多種全面、精準的的數(shù)據(jù)分析軟件，這就為SDCT的廣泛應用提供了充分的現(xiàn)實可行性[3-5]。本文就SDCT的基本原理及其在肺部、乳腺、心臟大血管等疾病中的研究現(xiàn)狀作一系統(tǒng)介紹。

1 SDCT的成像原理及分析工具

SDCT采用立體式結構，上下兩層由不同材料構成的閃爍晶體可以收集不同能級的X射線[6]，通過二極管和數(shù)據(jù)處理元件最終轉換出數(shù)字信號，可以進行進一步的圖像處理[4]。SDCT能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)鑒別與分析的原理是X射線穿過人體組織時被吸收程度不同，也就是衰減情況不同，根據(jù)其衰減情況可以判斷出相應的組織成分，以上提到的雙源雙能和單源快速管電壓轉換技術均是通過改變管電壓來輸出不同能級的X射線，而SDCT是利用探測器對X射線吸收和轉化程度的差別，實現(xiàn)高低能譜的區(qū)分[3,7-8]。

SDCT的優(yōu)勢有以下幾點：(1)探測器可以“同空間”、“同時間”內(nèi)接收不同能級X射線，利于保持圖像數(shù)據(jù)的完整和準確，同時有效縮短檢查時間；(2)SDCT能在一次掃描中獲得常規(guī)數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)，不需要在掃描前選擇專門的序列，可以進行回顧性分析；(3)可以有效降低圖像噪聲及偽影，保證圖像質(zhì)量[9-10]。

2 SDCT在胸部疾病診斷中的應用現(xiàn)狀

2.1 肺部結節(jié)及腫瘤肺良惡性病變的鑒別、轉移性肺腫瘤原發(fā)病灶的定位等均是目前研究的熱點問題。傳統(tǒng)上鑒別良惡性肺結節(jié)主要通過觀察病灶特點，比如病灶的大小及生長速度、密度高低及是否均勻、形態(tài)是否規(guī)則、邊緣是否清晰光整、有無分葉毛刺征、病灶與鄰近結構的毗鄰和侵犯情況、增強后強化方式及程度等[11]，但仍有一些患者表現(xiàn)不具備特征性，診斷較困難[12]，光譜CT的碘密度圖可以通過偽彩圖及定量參數(shù)等為其鑒別提供幫助[13,14]。

Nils等[15]的研究顯示，一名患者的常規(guī)胸部CT上發(fā)現(xiàn)的兩枚肺結節(jié)均有如分葉征等傾向于惡性的表現(xiàn)，但在碘密度圖上二者碘含量差異較大(分別為2.1mg/mL、0.6mg/mL)，而這兩枚結節(jié)在經(jīng)氟代脫氧葡萄糖注入體內(nèi)并經(jīng)正電子斷層掃描儀掃描后，顯示攝取率分別為7.1和1.7，二者代謝活性差異與碘圖所顯示的差異一致，考慮二者應為不同性質(zhì)的病灶，最終證實碘含量高者病理結果是腺癌，低者為良性病變。

Bae等[5]的研究顯示，一名胸片檢查而被懷疑肺多發(fā)轉移瘤的患者在常規(guī)CT圖像上其中一枚結節(jié)呈現(xiàn)漸進性的延遲強化，而其他結節(jié)始終無強化，表現(xiàn)出不同的強化方式和特點，難以診斷。但在碘密度圖中所有結節(jié)為明顯、持續(xù)強化，其碘濃度為動脈期1.9～5.3mg/mL、延遲期2.5～6.1mg/mL，初步診斷肺海綿狀血管瘤，最終經(jīng)活檢證實。肺海綿狀血管瘤屬于一種罕見的良性腫瘤，在影像診斷中與惡性腫瘤鑒別困難，SDCT的應用可以最大限度的減少誤診。

傅奕鋮等[16]對92名患有肺部結節(jié)(包括肺癌和炎性結節(jié))的患者進行鑒別診斷，通過比較常規(guī)CT征象(分葉征、毛刺征、胸膜牽拉征、血管集束征)以及光譜參數(shù)(靜脈期的碘密度值和有效原子序數(shù)值)，結果表明僅通過常規(guī)CT征象診斷時，其鑒別診斷的曲線下面積(AUC)為0.827，僅采用光譜參數(shù)時AUC為0.899，聯(lián)合以上兩者進行鑒別診斷時，AUC達到0.925，由此可見，鑒別診斷時納入光譜參數(shù)可以有效提高診斷準確率，減少誤診。

鄭小霞等[17]的研究納入187例肺癌患者、101例肺部慢性炎癥患者以及57例肺結核患者，通過經(jīng)驗豐富的放射科醫(yī)師觀察常規(guī)CT征象(病灶的形態(tài)、密度、邊界、暈征、周圍衛(wèi)星病灶、胸腔積液、淋巴結腫大等)并測量光譜參數(shù)(增強掃描動靜脈期的有效原子序數(shù)、碘濃度值、光譜曲線斜率等)，最終得出在觀察常規(guī)CT征象的基礎上，疊加使用光譜參數(shù)可以提高對以上三類疾病的鑒別診斷效能。

中央型肺癌患者由于支氣管阻塞，往往伴隨著相應部位的阻塞性肺不張，但在常規(guī)CT上難以準確區(qū)分腫瘤病灶和肺不張的區(qū)域。戚元剛等[18]納入51例中央型肺癌合并肺不張的患者，通過比較常規(guī)CT圖像和光譜圖像，并對多組光譜參數(shù)進行統(tǒng)計學分析，結果顯示靜脈期的40 keV單能量圖像、碘密度圖及二者的融合圖像對肺癌和肺不張區(qū)域的識別能力均比常規(guī)CT圖像高，表明其在實際應用中具有較高的診斷價值，但要注意，平掃和動脈期的相應光譜參數(shù)診斷價值有限，提示在患者SDCT掃描時應至少進行增強后的兩期即動脈期和靜脈期掃描，方可獲取有價值的光譜數(shù)據(jù)。

除鑒別肺部腫瘤的良惡性外，準確定性肺部惡性腫瘤的病理類型對后期治療方案的選擇起著關鍵作用。張東升等[19]納入87例肺癌患者，通過分析不同病理類型所對應的光譜參數(shù)的差異，結果顯示在鱗癌、腺癌及小細胞肺癌三種病理類型之間，其相對應的靜脈期光譜參數(shù)(碘密度值、標準化碘密度值及有效原子序數(shù))均有明顯差異，可用來輔助診斷病理類型，尤其在患者難以完成手術及穿刺的情況下尤為有用。

肺部除原發(fā)腫瘤外，轉移瘤也不少見。肺轉移瘤在影像上的表現(xiàn)和特點與其原發(fā)灶有一定關系[20]，并且相應的治療措施也不同，如卵巢癌、絨毛膜上皮癌、睪丸癌以及一些間葉來源的肉瘤常用化療；甲狀腺癌合并肺轉移的可采取同位素治療；乳腺癌、腎癌的肺轉移則可進行內(nèi)分泌治療等。故對于以肺轉移瘤為首發(fā)癥狀患者，其診斷和治療的第一步也是關鍵一步就是準確地確定其來源和病理類型。由于臨床上很多肺轉移瘤患者不適合手術及穿刺活檢，所以可以嘗試通過新的影像技術來幫助尋找其來源。Dominik等[21]分析了130例原發(fā)于全身多個部位和系統(tǒng)的肺轉移瘤患者的碘密度圖，探索了碘密度值與相應原發(fā)灶之間的關系，對判斷肺轉移瘤來源具有一定意義。

2.2 肺動脈血栓栓塞肺動脈血栓栓塞癥是常見的急危重癥，主要檢查方法就是CT肺動脈造影(CTPA)，表現(xiàn)為肺動脈主干及分支內(nèi)的造影劑充盈缺損，但實際工作中常因患者自身原因(如呼吸偽影、血流動力學不穩(wěn)定等)和設備原因(如較老舊的設備掃描速度慢，難以捕捉到肺動脈充盈最佳的時間)會影響圖像質(zhì)量，更不好評估肺灌注情況[22]。SDCT技術可為以上問題提供新的解決思路。Sueta等[23]報道了一例肺栓塞患者，CTPA顯示右上肺動脈栓塞，灌注圖像顯示相應肺組織碘分布明顯較左肺降低，分別為右上肺0.9 mg/mL、左上肺 2.5 mg/mL，抗凝治療后右上肺碘密度回升至與左上肺相等(2.6mg/mL)，表明因栓塞導致的缺血肺組織的血流灌注恢復正常。Iuga等[24]對50名肺動脈栓塞患者進行CTPA檢查，兩名影像科醫(yī)師通過反復調(diào)整窗寬窗位至圖像顯示最清晰，最終根據(jù)主觀印象推薦了最優(yōu)的窗寬窗位—混合能量時1020/170HU、40kev單能量時2070/480HU，這為影像醫(yī)師提供了可借鑒的參考范圍，有助于提高工作效率。

慢性血栓栓塞性肺動脈高壓(CTEPH)是臨床常見疾病[25]。Kr?ger等[26]研究發(fā)現(xiàn)，兩位主觀評估者在SDCT碘圖中對CTEPH診斷的特異性和敏感性高于采用傳統(tǒng)CTPA，特異性分別為95.1%vs 90.2%和87.8% vs 85.3%、敏感性為100% vs 78.9%。

3 心臟血管疾病

我國心血管疾病患者越來越多，心血管疾病成為城鄉(xiāng)居民中高居首位的死亡原因[27-28]。最常用影像檢查是冠脈CT造影(CCTA)。SDCT的應用為心臟及大血管疾病提供了更多有價值的診斷信息[29]，然而，在常規(guī)CCTA檢查中，不可避免地會出現(xiàn)輻射劑量、對比劑腎毒性等問題，為解決這一問題，有學者提出可以在檢查時通過調(diào)整掃描參數(shù)如mAs來降低輻射劑量，注射造影劑時減少注射量。

Huang等[30]采取常用對比劑的一半劑量進行CCTA檢查時，評估圖像質(zhì)量參數(shù)，如CT值、信噪比等客觀指標以及對比度、銳利度等主觀指標，結果顯示單能級圖像質(zhì)量并無降低，不影響完成診斷，并且最終對患者的輻射劑量并無增加。

Yi等[31]的研究將受試者分組行CCTA檢查，兩組采用不同管電壓，并且其中一組采用40-80kev單能量圖觀察，同時減少對比劑劑量，研究結果表明采用單能量圖的圖像質(zhì)量好于混合能量的圖像質(zhì)量，并且光譜圖像的噪聲也有所降低。

隨著冠脈支架手術的增多，其術后的評估也逐漸成為臨床的一個熱點問題。Hickethier 等[32]通過對比傳統(tǒng)CT與多個級別的單能keV的圖像質(zhì)量，結果顯示單能級的圖像質(zhì)量均較高，并且在較高能級的單能量圖像中，對支架內(nèi)通暢情況觀察的效果最好。

心力衰竭患者的一個重要病理學改變是心肌纖維化，目前主要依賴心臟MRI來評估心肌纖維化的程度，劉珮君等[33]將27名心衰患者進行MRI掃描和SDCT掃描，依據(jù)MRI結果劃分出432個心臟節(jié)段，對相應心肌節(jié)段的細胞外容積進行定量評估，結果表明SDCT的細胞外容積隨著心肌延遲強化占比的增加逐漸趨于與MRI結果一致，這表明SDCT在評估心衰患者的心肌病理學特征方面可作為MRI的替代方法。

4 乳腺癌

乳腺癌是我國最為常見的成年女性的惡性腫瘤，即使在世界范圍內(nèi)，乳腺癌相關疾病導致的死亡也居各種類型的惡性腫瘤之首[34]。乳腺占位或結節(jié)的傳統(tǒng)診斷方法有軟X線攝影和乳腺超聲，傳統(tǒng)CT對乳腺本身的檢查意義不大，主要用于診斷其他部位有無轉移，如肺部、腋窩淋巴結以及骨頭[35]。

Inoue等[36]對28名乳腺癌患者行SDCT掃描后，對比傳統(tǒng)CT與40-200keV范圍內(nèi)多個單能級的圖像質(zhì)量，結果是低keV的圖像質(zhì)量均高于傳統(tǒng)圖像，而且低keV時乳腺腫塊與乳腺腺體間的對比更加突出，容易發(fā)現(xiàn)病灶，減少漏診。

Moon等[37]的研究共納入79例乳腺良性腫瘤(14例)和乳腺癌(65例)患者，進行SDCT增強掃描，采用各期的40keV圖像，并與相關的實驗室檢查指標如雌激素受體(ER)、孕激素受體(PR)、和Ki67等進行相關性分析，結果表明采用40keV單能量圖時，對乳腺癌診斷效能明顯較高。ER(—)、PR(—)、Ki67(+)的患者的預后往往較差，而這類患者的腫瘤病灶在增強掃描動脈期40keV單能量圖的評分及CT值明顯升高，表明對不同類型乳腺癌患者的預后判斷有一定幫助。

5 其 他

(1)新型冠狀病毒肺炎(以下簡稱“新冠肺炎”)。新冠肺炎疫情2019年年底以來在世界范圍內(nèi)的大流行對人們的日常生活和生命健康以及社會發(fā)展造成了重大影響。肺部CT檢查是重要的診斷環(huán)節(jié)和步驟，是確立診斷、評估療效的常規(guī)方法[38]。新冠肺炎的CT表現(xiàn)在病程早期多呈小斑片狀的磨玻璃密度影以及肺間質(zhì)性的改變，繼而可出現(xiàn)肺部浸潤影，甚至肺組織實變[39]。

Beatrice等[40]對4例新冠肺炎患者進行多次SDCT掃描，采用電子密度圖進行分析診斷，研究表明4名患者在首次掃描的電子密度圖上，顯示了一些肺部的磨玻璃影，而這些異常表現(xiàn)在同次的常規(guī)CT上卻未顯示，直至2-4天后復查的常規(guī)CT圖上才得以顯示，并且病灶的位置、形態(tài)、范圍均一致，這表明電子密度圖能比常規(guī)CT更早、更清晰地顯示肺部感染病灶。(2)轉移性肺鈣化(Metastatic pulmonary calcification,MPC)MPC是指由于鈣質(zhì)代謝異常，使得鈣質(zhì)在某些部位如腎臟、肺部等處沉積。MPC患者的臨床癥狀及影像學表現(xiàn)均不典型[41]，而SDCT的鈣抑制技術可以針對鈣質(zhì)進行特異性識別，并顯著降低其在圖像上顯示的密度，達到物質(zhì)分離與鑒別的目的[42-43]。

Ana等[44]報道了一例慢性腎功能衰竭患者，常規(guī)CT圖像顯示肺部多發(fā)磨玻璃影和高密度鈣化結節(jié)影，在使用鈣抑制技術處理后，以上病變均未顯示，從而得出結論常規(guī)CT顯示的病變均為鈣質(zhì)成分，臨床診斷為MPC。MPC屬少見疾病，常易誤診或漏診，故對有相關病史的患者，應將MPC納入診斷的考慮范圍之內(nèi)，此時鈣抑制技術就是一種可靠的檢查手段。

(3)抑制金屬偽影能譜技術(高keV圖像)可以有效抑制體內(nèi)外的金屬產(chǎn)生的放射狀偽影[45-46]。Laukamp等[47]研究了30例有胸骨金屬物植入史的患者，對比常規(guī)CT圖與單能級圖的主觀印象與定量參數(shù)，結果顯示原常規(guī)圖像中的低密度偽影在較高能級keV圖中(170-180keV)基本被完全消除了，而常規(guī)圖像中的高密度偽影在單能級130keV時也顯著減少。主觀評估結果是200keV單能量時，抑制偽影的效果最佳，但是keV過高的話會影響軟組織顯影，所以作者綜合評判后認為在130-200keV時可有效抑制偽影、同時保證軟組織結構清晰顯示。SDCT的另一個優(yōu)勢是比其他能譜成像系統(tǒng)的keV范圍更大(40-200keV)，有更多選擇[48]。

(4)常規(guī)體檢中的低劑量掃描。隨著CT設備的普及和人們健康觀念的改變，在常規(guī)健康體檢中，胸部CT掃描逐漸代替了傳統(tǒng)的胸部平片攝影，提高了肺部疾病的檢出率，但隨之而來的問題—輻射劑量的增加，引發(fā)了新的關注和擔憂。歐陽佳裕[49]等對30例常規(guī)體檢者采用SDCT的智能劑量調(diào)控技術進行掃描，另30例體檢者進行固定mAs的掃描，通過對比部分不同層面的圖像質(zhì)量相關參數(shù)：標準差、信噪比、容積CT劑量指數(shù)等，結果表明對于個體差異(如胖瘦不同)和掃描部位不同(如肺尖、肺底等)，該技術可以在掃描過程中進行智能調(diào)控，在保證圖像質(zhì)量的前提下最大限度地減少X線產(chǎn)生的電離輻射，對健康體檢者實現(xiàn)有效的保護。

綜上所述，SDCT具有更多新的、有實用價值的技術，比如單能量圖和碘密度圖在血管成像、抑制偽影、提高圖像質(zhì)量以及定量分析方面具有較高的實用意義；而鈣抑制圖和電子密度圖在現(xiàn)有的文獻報道中也初步顯示了其獨特的診斷價值，尤其是電子密度圖可謂是首創(chuàng)技術，應用前景非常廣泛?？傊琒DCT的普及可以更好地提高影像診斷水平、造?；颊遊50-52]。