呂 品 陳 露 夏連坤 張 冰 陳杏彪 辛小燕,*

1.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科(江蘇 南京 210008)

2.飛利浦醫(yī)療臨床科研部(上海 200070)

肺動(dòng)脈CT血管(CT angiography,CTA)成像因其操作簡單且準(zhǔn)確率高，成為篩查肺動(dòng)脈相關(guān)疾病的首選方案[1-2]，獲得高質(zhì)量的肺動(dòng)脈CTA圖像對(duì)于提高診斷的準(zhǔn)確性具有重要意義。近年來，能譜CT已廣泛應(yīng)用于臨床檢查和診斷中。與傳統(tǒng)CT相比，能譜技術(shù)能夠進(jìn)行多參數(shù)成像和定量分析，如虛擬單能量圖像、能譜曲線、碘密度圖和原子序數(shù)圖等。本研究所使用的雙層探測(cè)器CT(IQon Spectral CT,PHILIPS)作為新型商業(yè)化能譜CT的一種[3]，其特點(diǎn)是具有立體雙層探測(cè)器結(jié)構(gòu)，可分別同時(shí)接收穿過人體的低能和高能X射線，滿足能譜CT“同時(shí)、同源、同相位”的最佳成像原則。雙層探測(cè)器CT掃描完成后系統(tǒng)自動(dòng)生成基于能譜的影像(Spectral Based Image,SBI)序列，利用PHILIPS后處理工作站可以重建出40～200keV的全部虛擬單能量圖像。目前臨床主要依據(jù)傳統(tǒng)混合能量圖像進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷，針對(duì)肺栓塞等存在信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)低、診斷敏感度下降等缺點(diǎn)。本研究旨在探討雙層探測(cè)器CT肺動(dòng)脈CTA成像的最佳虛擬單能量，并與傳統(tǒng)混合能量進(jìn)行圖像質(zhì)量對(duì)比，發(fā)掘單能量成像的優(yōu)勢(shì)。

1 資料與方法

1.1 一般資料回顧性分析2019年4月至2020年12月南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院30例行肺動(dòng)脈CTA掃描病例，其中男性16名，平均年齡57.68歲±15.62，所有患者均無對(duì)比劑過敏史，無肝腎功能不全等病癥。

入組標(biāo)準(zhǔn)：行IQon CT肺動(dòng)脈CTA檢查，有動(dòng)脈期增強(qiáng)的全能譜圖像。排除標(biāo)準(zhǔn)：伴有栓子、血管狹窄等明顯影響勾畫感興趣區(qū)(Region of interest,ROI)的病例；圖像質(zhì)量不佳，如明顯斷層，呼吸運(yùn)動(dòng)偽影等。

1.2 方法采用IQon CT行肺動(dòng)脈CTA掃描，掃描內(nèi)容包括動(dòng)脈增強(qiáng)期，掃描范圍自肺尖至肺底。參數(shù)：管電壓120 kVp，管電流智能調(diào)節(jié)，掃描層厚1 mm。動(dòng)脈增強(qiáng)掃描觸發(fā)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)(Bolus Tracking)，監(jiān)測(cè)層放置在氣管分叉處向上1～2cm處，上腔靜脈處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，CT值>150 HU觸發(fā)掃描。肺動(dòng)脈CTA掃描所用非離子型碘造影劑(碘佛醇，碘含量320 mg I/mL)，注射劑量45 mL，注射速度4.5mL/s，使用雙筒高壓注射器經(jīng)肘部靜脈注入。每期圖像均生成SBI序列，傳輸至PHILIPS能譜工作站重建得到虛擬單能量圖像。

1.3 客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)在PHILIPS后處理工作站重建出動(dòng)脈增強(qiáng)期的虛擬單能量圖像，能量范圍40-90 keV，間隔5 keV共計(jì)11個(gè)單能量，>90 keV的虛擬單能量圖像明顯無法滿足診斷，不納入本研究范圍。在主肺動(dòng)脈干、左/右肺動(dòng)脈干及左/右肺下葉動(dòng)脈腔內(nèi)各勾畫一個(gè)ROI，面積約20-30 mm2，同級(jí)分支取左右ROI的平均值，避開栓子和邊界不清晰區(qū)域。記錄ROI的CT值、SD值以同層面豎脊肌的CT值和SD值作為背景噪聲。計(jì)算不同能量下主肺動(dòng)脈干、左/右肺動(dòng)脈干、左/右肺下葉動(dòng)脈的SNR和對(duì)比噪聲比(Contrast noise ratio,CNR)，計(jì)算公式為SNR=CT值血管／SD值血管；CNR=(CT值血管-CT值豎脊肌)/SD值豎脊肌。

1.4 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)2名具有3年以上診斷經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師獨(dú)立對(duì)原始圖像以及三維重建肺動(dòng)脈圖像進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，采用5分制，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：5分，優(yōu)秀，無明顯偽影，肺動(dòng)脈分支及組織細(xì)節(jié)分辨率良好；4分，較好，偽影不明顯，肺動(dòng)脈分支及組織細(xì)節(jié)顯示較好；3分，中等，有明顯偽影，肺動(dòng)脈分支及組織細(xì)節(jié)有明顯不清晰，可基本滿足診斷；2分，較差，偽影較嚴(yán)重，肺動(dòng)脈分支和組織細(xì)節(jié)顯示效果差，大部分區(qū)域無法滿足診斷；1分，圖像無法滿足診斷。當(dāng)2名醫(yī)師的評(píng)判結(jié)果差異>2分時(shí)，由兩位醫(yī)師協(xié)商給出結(jié)果。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 26.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。Shapiro-Wilk檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，符合則用均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±SD)表示。以肺動(dòng)脈的混合能量指標(biāo)為參考基線，每個(gè)虛擬單能量圖的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)(SNR和CNR)與基線進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，利用Kappa分析評(píng)估2名醫(yī)師主觀評(píng)分的一致性，并通過非參數(shù)Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)對(duì)不同能量下的評(píng)分結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié) 果

2.1 客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，所有客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)均符合正態(tài)分布。主肺動(dòng)脈干、左/右肺動(dòng)脈干、左/右肺下葉動(dòng)脈的CT值、SNR和CNR以及同層面豎脊肌的CT值和SD值隨虛擬單能量(40-90 keV)增大逐漸減小，三個(gè)位置40-75 keV共9個(gè)虛擬單能量的SNR和CNR均明顯優(yōu)于混合能量(P<0.05，結(jié)果見圖1及表1)，80 keV的SNR(17.6±4.8/15.8±4.7/18.6±6.3)和C N R(1 4.6±5.6/1 4.5±5.7/1 4.4±5.6)與傳統(tǒng)混合能量(S N R: 1 8.0±4.8/1 5.2±4.0/1 9.3±6.7;C N R:14.6±5.2/14.1±5.3/15.0±5.7)的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，85 keV及90 keV單能量圖像的SNR和CNR明顯低于混合能量(P<0.05)。

表1 混合能量和虛擬單能量下CT、SD、SNR、CNR值

圖1 主肺動(dòng)脈干，左/右肺動(dòng)脈干以及左/右肺下葉動(dòng)脈虛擬單能量與混合能量圖SNR(ABC)和CNR(DEF)的對(duì)比圖，*表示P<0.05。

2.2 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)兩位影像科醫(yī)師對(duì)圖像主觀評(píng)分的一致性好，Kappa值為0.862，P<0.05，評(píng)分結(jié)果見表2，肺動(dòng)脈三維重建結(jié)果見圖2。各虛擬單能量與混合能量主觀評(píng)分比較，P值均<0.05。50 keV(4.60分±0.24)及55 keV(4.40分±0.19)圖像的主觀評(píng)分明顯優(yōu)于混合能量(4.20分±0.25)，其中50 keV的主觀評(píng)分優(yōu)于55 keV(P<0.001)，重建結(jié)果顯示50 keV能量下肺動(dòng)脈各級(jí)分支最完整，質(zhì)量最佳。其他單能量的主觀評(píng)分結(jié)果均低于混合能量。

圖2 肺動(dòng)脈三維圖像。圖2A：虛擬單能量40 keV(2分)，肺動(dòng)脈CT值過高，重建時(shí)細(xì)小分支被當(dāng)做骨結(jié)構(gòu)自動(dòng)去除；圖2B、圖2C：虛擬單能量50 keV(5分)、60 keV(4.5分)，尖段，背段，中葉等肺動(dòng)脈分支清晰，圖像質(zhì)量高；D：虛擬單能量70 keV(4分)，肺動(dòng)脈分支末梢模糊，圖像質(zhì)量下降；E：混合能量(4分)。

表2 兩名影像科醫(yī)師對(duì)30例肺動(dòng)脈不同能量圖像主觀評(píng)分結(jié)果

表3 兩名影像科醫(yī)師對(duì)30例肺動(dòng)脈不同能量圖像主觀評(píng)分結(jié)果比較

3 討 論

本研究所使用的IQon CT的成像原理是在不改變射線球管數(shù)量和射線能量的情況下，通過兩層探測(cè)器結(jié)構(gòu)分別獲得穿過人體的低能和高能射線，并利用兩個(gè)能量段的信息重建能譜數(shù)據(jù)。其中虛擬單能量是指模擬單一固定能量X射線進(jìn)行掃描，也是目前臨床使用最多的能譜結(jié)果[4-5]，Sun[6]等人利用能譜CT技術(shù)討論下肢動(dòng)脈血管成像的最佳單能量，通過CNR和主觀評(píng)分確定最佳單能量為51.5 keV±7.3，Wang[7]等人采用能譜CT對(duì)比虛擬單能量在肺癌不典型成骨性轉(zhuǎn)移病灶的成像優(yōu)勢(shì)，通過分析SNR、CNR和主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)得出結(jié)論：60 keV能量的圖像質(zhì)量優(yōu)于混合能量。單能量成像優(yōu)勢(shì)與射線能量高低有關(guān)，低能射線更接近造影劑中碘的K-edge能量(33.2 keV)，X射線與體內(nèi)物質(zhì)發(fā)生相互作用以光電效應(yīng)為主[8]，射線能量全部沉積，CT值升高，血管和組織的對(duì)比度顯著提高。但是，低能射線導(dǎo)致硬化偽影效應(yīng)增強(qiáng)，背景噪聲增加，降低圖像質(zhì)量；提高射線能量能夠弱化硬化偽影，減少金屬偽影的影響，降低背景噪聲，但由于康普頓效應(yīng)增強(qiáng)，射線能量部分沉積引起ROI內(nèi)CT值減小，圖像SNR和CNR隨之降低。因此，評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量需綜合考慮多個(gè)參數(shù)如CT值、SD值，SNR和CNR等。

早期研究結(jié)果表明，為了提高肺動(dòng)脈栓塞的準(zhǔn)確率，動(dòng)脈增強(qiáng) 期肺動(dòng)脈的CT值>250 HU可以達(dá)到診斷要求[9]，且血管成像中，CNR>8時(shí)血管與周圍組織的分辨力才能滿足診斷需求[10]。Apfaltrer P[11]用雙源CT對(duì)肺動(dòng)脈CTA成像的虛擬單能量與混合能量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明最佳單能量水平為70 keV。Li[9]等人在寶石能譜CT上對(duì)比虛擬單能量與混合能量的多個(gè)指標(biāo)，結(jié)果顯示60-65 keV為肺動(dòng)脈CTA成像最佳單能量范圍。本研究所使用的IQon CT在探測(cè)器設(shè)計(jì)上利用信號(hào)符合實(shí)現(xiàn)抑制噪聲，保證低能級(jí)圖像噪聲也處于較低的水平，CNR和SNR值相對(duì)升高。因此雙層探測(cè)器CT呈現(xiàn)的結(jié)果與其他能譜CT稍有差異，綜合主肺動(dòng)脈干，左/右肺動(dòng)脈干，左/右肺下葉動(dòng)脈的客觀及主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，最佳成像單能量范圍較之前研究有所下降，為50-55 keV，最佳單能量為50 keV，隨能量升高(>55 keV)，SNR和CNR逐漸降低，圖像質(zhì)量下降，肺動(dòng)脈細(xì)小分支逐漸模糊，難以從背景噪聲中分辨。盡管低能量(40 keV,45 keV)肺動(dòng)脈的CT值較高，但與骨結(jié)構(gòu)的對(duì)比度低，在三維重建中容易被錯(cuò)誤識(shí)別導(dǎo)致40 keV(3.20分±0.18)，45 keV(4.10分±0.36)的主觀評(píng)分明顯低于混合能量。本研究存在一定的局限性：1)收集的病例數(shù)有限，且僅2例肺栓塞患者，后期我們將繼續(xù)增加樣本量，納入肺動(dòng)脈栓塞和畸形等病例，研究針對(duì)不同疾病能譜數(shù)據(jù)的利用價(jià)值；2)未能根據(jù)患者的體重和年齡個(gè)性化定制掃描參數(shù)和造影劑用量，有文獻(xiàn)報(bào)道身體質(zhì)量指數(shù)(Body Mass Index,BMI)的增大導(dǎo)致背景噪聲增大[9]，降低圖像質(zhì)量，雖然本研究中病例無明顯肥胖患者，但后期我們將進(jìn)一步進(jìn)行前瞻性研究，收集患者的BMI信息。

綜上所述，雙層探測(cè)器CT可以重建出虛擬單能量圖像，相比傳統(tǒng)混合能量，虛擬單能量的低能量圖像(50-55 keV)在肺動(dòng)脈CTA成像中具有更高的SNR和CNR，在三維重建中可以顯示更多肺動(dòng)脈細(xì)小分支的信息。綜合評(píng)價(jià)，虛擬單能量50-55 keV圖像質(zhì)量最好，其中50keV成像質(zhì)量最佳。