雙能量CT虛擬平掃在泌尿系結石檢出的應用價值

作者單位：安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院放射科，合肥 230022作者簡介：梁煜峰，男，碩士研究生；

余永強，男，教授，主任醫(yī)師，博士生導師，責任作者，Email：yuyongqiang＠hotmail．com

摘要 泌尿系結石是泌尿系統(tǒng)的常見疾病之一，發(fā)病率及復發(fā)率普遍較高。雙能量CT虛擬平掃技術的應用，有效地提高了泌尿系結石的檢測，明顯降低了患者輻射劑量。本文就雙能量CT虛擬平掃技術應用進展及其優(yōu)勢進行綜述。

文獻標志碼A

文章編號1000－1492（2015）09－1363－04 2015－05－18接收

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（編號：81301224）；安徽高校省級自然科學研究重點項目（編號：KJ2013A144）；安徽醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院青年培育基金項目（編號：2012KJ02）

泌尿系結石是泌尿外科最為常見的疾病之一，可發(fā)生于泌尿系的不同部位，以雙側(cè)腎臟和輸尿管好發(fā)。流行病學研究 ［1］顯示泌尿系結石的患病率約為1%～5%，治療后易復發(fā)，有關文獻提到10年復發(fā)率高達50%，給患者的生活質(zhì)量帶來嚴重的影響。由于CT檢查的診斷敏感性高達95%～100% ［2］，所以CT檢查作為臨床檢測泌尿系結石的金標準。CT尿路造影能夠清晰顯示尿路全程，提高臨床診斷準確性，但是相應總輻射劑量較常規(guī)平掃的輻射劑量增大，這是導致CTU檢查未能在臨床推廣應用的主要原因 ［3］。隨著雙能量CT物質(zhì)分離技術的應用，虛擬平掃技術應運而生，可以重建出與常規(guī)平掃相似的圖像，省略一次掃描次數(shù)，有效減少患者的輻射劑量，有很高的臨床應用價值。

1　雙能量CT的技術優(yōu)勢及原理

20世紀70年代的雙能量CT技術一直不能滿足臨床診斷及臨床科研的需要，主要是由于球管在低電壓下輸出的能量達不到高千伏和CT分辨率低。目前能夠?qū)崿F(xiàn)CT雙能量成像技術并且適用于臨床的方法包括4種：①常規(guī)單源CT（即高低電壓掃描2次）；②雙源CT；③能譜CT的快速kV切換技術；④雙層“三明治”探測器CT（即通過1次掃描，不同層的探測器接受不同能量的X射線，目前此項技術尚處于研發(fā)階段）。國內(nèi)外多數(shù)雙能量CT成像技術的研究多以雙源CT和能譜CT為主，另外兩種CT成像技術尚無用于臨床的報道。

當雙源CT進行掃描時，存在兩種不同視野范圍的探測器，即探測器A負責覆蓋于所需要進行掃描的視野范圍，探測器B則負責局限于所需進行掃描的中心范圍，這個范圍相對探測A是一種更小的視野范圍。兩種探測器分別開始采集經(jīng)過受檢患者衰減后的X射線，采集的方式是以不同的電流和不同的電壓運行，通過兩種不同探測器所獲得的兩組不同能量數(shù)據(jù)，以及一組融合數(shù)據(jù)圖像，然后依據(jù)區(qū)分碘劑和鈣化的硬斑算法以及區(qū)分脂肪、碘劑和軟組織的材料分解理論，通過二維線性方程進行調(diào)整，分別獲得出兩組能反映碘衰減系數(shù)的不同的CT圖像，其中一組圖像是含有碘對比劑的圖像，稱之為碘分布圖；而另一組圖像，是去除碘對比劑過后的圖像，即所謂的虛擬平掃影像。

寶石能譜CT是一種單源CT，采用單個X射線球管技術，可以使系統(tǒng)在05 ms的短暫周期內(nèi)完成80 kV和140 kV電壓的瞬時切換 ［4］。寶石能譜CT通過水物質(zhì)與碘物質(zhì)之間的分離技術將碘對比劑有效地從所獲得的圖像中分離出來，在注入碘對比劑行增強掃描的條件下獲得臨床影像所需的水（碘）密度圖，尤其是在所獲得的水密度圖上不存在含碘成分，初步的研究 ［5］表明雙能量CT掃描重建出的虛擬平掃技術可以代表常規(guī)平掃圖像。

2　虛擬平掃技術的臨床應用

雙能量CT可以通過水物質(zhì)與碘物質(zhì)的分離將碘劑從圖像中分離出，在注入碘對比劑行增強掃描的條件下獲得的一種水（碘）密度圖，即所謂的虛擬平掃圖像。正是因為虛擬平掃圖像上不含有碘成分，所以圖像中所有含水成分都能夠在虛擬平掃圖像上得到特異性顯示。因此對于虛擬平掃技術的研究也漸漸地引起更多國內(nèi)外學者的關注與研究。

雙源CT的虛擬平掃技術在臨床上對腎臟部位的病變有相關報道，Moon et al ［6］就雙源CT虛擬平掃圖像在診斷腎臟結石方面的研究顯示虛擬平掃所獲得的圖像對于結石最大徑為1～3 mm的結石的檢出存在一定局限性，盡管在圖像質(zhì)量上與常規(guī)平掃的圖像質(zhì)量沒有太大差異。

能譜CT虛擬平掃對腎臟疾病診斷有一定的價值，Lv et al ［7］利用能譜CT物質(zhì)分解圖像評估尿路結石檢測能力，結果表明水基圖與鈣基圖圖像對于結石直徑＞2．71 mm以及高密度的泌尿系結石（在水基圖上＞280 HU，在鈣基圖上＞215 HU）的檢測率很高。Takahashi et al ［8］認為能譜CT虛擬平掃圖像正是因為該圖像中含碘成分不顯示，有效地避免經(jīng)腎臟排泄的碘對比劑對腎內(nèi)結石的遮掩，從而提高了腎結石的檢出率。Scheffel et al ［9］評價了雙能量CT虛擬平掃技術在泌尿系結石上的診斷應用價值，所得到的相關數(shù)據(jù)提示其診斷結石的靈敏度、特異度、陽性預測值和陰性預測值分別為高達83%、100%、100%、88%，對于結石大小的影響差異無統(tǒng)計學意義。李小虎 ［10－13］等指出，通過綜合運用能譜CT虛擬平掃技術、碘（水）圖、鈣（水）圖、水（鈣）圖這4種圖像，能夠有效地檢測泌尿系陰性結石，同時也可以對結石的種類進行分析。

3　雙能量CT虛擬平掃的優(yōu)勢

3．1 一次掃描獲得多組影像 雙源CT雙能量掃描可獲得兩組圖像，即140 kV與80 kV或100 kV。由于140 kV圖像的密度分辨率較高，觀察軟組織的效果優(yōu)于另外兩種能量的圖像。雙源CT雙能量掃描后，通過工作站上的后處理軟件可以獲得虛擬平掃影像和碘分布圖。由于碘分布圖分析病灶強化的程度比僅僅依據(jù)常規(guī)進行增強掃描而獲得的圖像分析會相對準確，所以對病灶的檢出和定性有重要意義。

物理學家指出，任意兩種已知物質(zhì)的X射線吸收系數(shù)可以決定一種新物質(zhì)的X射線吸收系數(shù)，因此將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同樣衰減的兩種物質(zhì)的密度，從而產(chǎn)生物質(zhì)的分離，有效地幫助分析物質(zhì)的組成。因此能譜CT掃描能將增強掃描的圖像通過后處理軟件進行水物質(zhì)與碘物質(zhì)的分離，得到虛擬平掃圖像，還可以獲得一種稱之為碘（水）圖像，碘（水）圖像對判斷軟組織有無強化以及其強化程度較為敏感。同樣，在能譜CT的工作站上對虛擬平掃圖像進行后處理，還可進一步獲得例如水（鈣）、碘（鈣）等多組圖像，對臨床影像中區(qū)別對比劑與鈣化、判斷物質(zhì)成分等有十分重要的幫助 ［14］。

3．2 圖像質(zhì)量滿足臨床需要 根據(jù)對腹膜腔內(nèi)不同的解剖細節(jié)及結石顯示的清晰程度的不同，以及由于噪聲、偽影而引起的對結石檢出率等各方面的影響程度不同，圖像質(zhì)量按照以下5級的評分標準 ［15］：5分（優(yōu)異）：解剖細節(jié)及病灶顯示清晰，無明顯噪聲和偽影；4分（良好）：解剖細節(jié)及病灶顯示較清晰，噪聲和偽影都增多；3分（中等）：解剖細節(jié)欠清晰，病灶顯示尚可，噪聲和偽影較明顯但仍可在接受范圍之內(nèi)；2分（較差）：解剖細節(jié)辨識困難，病灶顯示欠清晰，噪聲和偽影很明顯；1分（極差）：解剖細節(jié)無法辨識，病灶邊界顯示不清，噪聲和偽影特別明顯。Scheffel et al ［9］就雙能量CT的虛擬平掃圖像在雙側(cè)腎結石的診斷應用方面進行了多項研究，研究證實虛擬平掃圖像質(zhì)量能夠提供接近普通平掃的圖像質(zhì)量，滿足臨床診斷的需要。

3．3 圖像信號噪聲比（signaltonoise ratio，SNR）高

圖像SNR為平均CT值與標準差的比值，即SNR＝平均CT值／噪聲。SNR是衡量所獲得圖像抵抗外界因素干擾的能力，與掃描管電流、管電壓、圖像的重建算法、層厚等都有關聯(lián)，管電流越高，則層厚越厚；管電壓越低，則SNR越高。CT值為相應所測量感興趣區(qū)域的平均CT值，噪聲值即為標準差。為提高研究的準確性與可靠性，研究者通常在常規(guī)平掃圖像上選定各個組織器官的感興趣區(qū)域，與排泄期虛擬平掃圖像上的感興趣區(qū)域盡量保證在相同的位置，相同的水平處、以及盡量保持相同的面積，以此避免實驗的較大誤差。感興趣區(qū)域的選擇區(qū)域內(nèi)應保證此區(qū)域內(nèi)無明確病變的存在。孫昊等 ［16］研究顯示虛擬平掃圖像中各組織器官噪聲值低于常規(guī)平掃的組織器官值，而SNR明顯高于常規(guī)平掃的。物理學上虛擬平掃圖像是按03的權重系數(shù)（140 kV的數(shù)據(jù)與80 kV的數(shù)據(jù)信息分別所占的比例為70%、30%）通過計算機軟件的特殊處理后組合而成，相對來說80 kV所獲得的圖像管電壓偏低，有效電流就會較高，SNR值也隨之增高，最終虛擬平掃圖像SNR會高于普通常規(guī)平掃圖像。

3．4 結石的發(fā)現(xiàn)率高 每例患者檢查所獲得的常規(guī)平掃與虛擬平掃圖像中，結石所在的部位及大小可以通過工作站上的軟件進行定位及大小的測量。有些學者曾提出虛擬平掃圖像對結石診斷沒有價值，例如Scheffel et al ［9］通過排泄期行雙能量虛擬平掃及常規(guī)平掃獲得的圖像對于結石的發(fā)現(xiàn)率分別為6944%（25／36）、9428%（33／35），認為虛擬平掃圖像不能夠提高結石的檢出率。與此同時國內(nèi)外更多學者提出非議，Takahashi et al ［17］發(fā)現(xiàn)通過虛擬平掃圖像對于結石的診斷率為6279%（27／43），而僅僅通過普通掃描圖像診斷結石的敏感度僅為930%（4／43），認為結合虛擬平掃圖像對于臨床診斷結石有重要價值。國內(nèi)學者楊誠等 ［18］研究虛擬平掃圖像對于1～2 mm及≥3 mm的結石的檢出率分別為8421%、100%，可見虛擬平掃圖像對結石的診斷有重要意義，同時認為當對結石大小≥3 mm時，雙能量虛擬平掃圖像可以替代常規(guī)平掃圖像，同樣也給臨床診斷帶來非常重要的作用。周長圣等 ［3］研究泌尿系結石在雙能量虛擬平掃圖像與常規(guī)平掃圖像上不同部位的顯示情況，得出雙能量虛擬平掃圖像與常規(guī)平掃圖像這兩種不同檢查方法對于各個部位結石的檢查差異無統(tǒng)計學意義，可見虛擬平掃圖像可以代替常規(guī)平掃圖像，有利于結石在臨床中的診斷。

3．5 輻射劑量低 患者檢查時都會由機器自動生成兩組數(shù)據(jù)，分別是：容積CT劑量指數(shù)（CT dose index，CTDIvol，單位為mGy）及劑量長度乘積（dose length product，DLP，單位為mGy×cm）。容積CT劑量指數(shù)表示CT掃描檢查容積中的平均放射劑量，劑量長度乘積表示受檢者完成一次完整CT掃描的總輻射劑量。根據(jù)公式有效劑量（effective dose，ED）＝DLP×C ［19］，換算成ED（單位為mSv），其中C為換算因子，臨床研究中通常采用歐洲CT質(zhì)量標準指南所提出的腹部平均值為0015 ［20］。馬周鵬等 ［21］發(fā)現(xiàn)運用虛擬平掃檢查腎臟疾病時，虛擬平掃的總輻射劑量較常規(guī)平掃的輻射劑量均降低。Mileto et al ［20］也在研究中指出，應用虛擬平掃時可省略一次常規(guī)平掃，減少一次掃描的時間，可以為接受檢查的患者減少約（267±97）%的輻射劑量。因此虛擬平掃技術的運用，對泌尿系CT成像檢查無疑存在明顯的優(yōu)勢，這也符合國際放射防護委員會提出的合理使用低劑量原則 ［22］。

隨著雙能量CT技術逐漸被臨床應用，國內(nèi)外學者普遍認為 ［4，7－9，16］，雙能量CT虛擬平掃技術在診斷泌尿系結石方面與普通平掃具有很高一致性，使用虛擬平掃圖像存在兩個主要優(yōu)勢：縮短掃描時間和降低患者接受的輻射劑量。虛擬平掃圖像是增強掃描圖像經(jīng)后處理軟件處理得到的，需要保證二者在每個像素點的對稱與重合，減少相應感興趣區(qū)在掃描過程中帶來的誤差，為實驗研究數(shù)據(jù)的準確性提供保障。

當然，雙能量CT掃描技術在實際臨床應用中還存在一些局限性。首先，由于掃描圖像上結石大小不一致，導致虛擬平掃技術對不同大小結石的檢出率也存在相應差別，Takahashi et al ［17］報道過研究對于直徑分別為1～2 mm、3～4 mm和5～6 mm結石，虛擬平掃圖像對結石的檢出率分別為2857% （4／14）、6428%（9／14）和8333%（5／6），由此可以看出研究對于直徑在1～2 mm的結石檢出率較低，可能由于虛擬平掃圖像存在相應的減小效應，結石越小，虛擬平掃圖像上結石的減小效應就會越明顯，因此認為虛擬平掃圖像對于1 mm～2 mm的小結石診斷能力較差，仍需進一步研究與驗證。患者在檢查過程中因掃描范圍過長，因為所需屏氣時間也相應延長，尤其是對于體弱的患者，患者屏氣功能較差，會產(chǎn)生一定的呼吸運動偽影，會使得圖像質(zhì)量的誤差產(chǎn)生較大。另外，由于80 kV條件下圖像的噪聲較大，尤其對于體型較肥胖的患者，使得虛擬平掃圖像的質(zhì)量受到影響，結石的檢出率也會降低，因此存在身體指數(shù)這個變異因素，結石檢出率也會受影響。最后，盡管能譜CT虛擬平掃圖像可以有效地測量所定義感興趣區(qū)域的水基值，但是需要將所測量出的水基值轉(zhuǎn)化為此感興趣區(qū)域的CT值，轉(zhuǎn)化過程較為復雜，給常規(guī)平掃與虛擬平掃二者之間的綜合分析帶來不便。

4　結語

綜上所述，能譜CT虛擬平掃技術在泌尿系結石診斷方面已經(jīng)取得了有價值的突破與進展，這不僅能夠有效檢測出泌尿系結石，更主要的是可以減少患者的輻射劑量。相信，隨著雙能量CT成像技術的不斷發(fā)展與成熟，能譜CT虛擬平掃技術有望為結石患者的預防及治療提供更多有幫助的信息。