CT能量成像在膽結(jié)石診斷及成分研究中的進(jìn)展

張子田， 李松柏

膽結(jié)石病是常見(jiàn)的胃腸道疾病之一，發(fā)達(dá)國(guó)家中此病的發(fā)病率高達(dá)10%～20%[1]。膽結(jié)石的形成原因復(fù)雜多樣，不僅與膽汁的理化代謝改變相關(guān)[2]，還涉及遺傳、不良生活習(xí)慣、感染等多個(gè)方面[3]。對(duì)于膽結(jié)石的診斷及成分研究的手段多種多樣，其中體外分析對(duì)于其結(jié)構(gòu)、理化特性的分析較為準(zhǔn)確，常常作為體內(nèi)分析結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，常用的分析方法有X射線衍射法、傅里葉變換紅外光譜法、電子自旋共振譜分析法等，但其對(duì)于臨床診斷治療的幫助沒(méi)有體內(nèi)分析顯著。體內(nèi)分析可以診斷結(jié)石的位置、大小，預(yù)測(cè)分析人體內(nèi)的膽結(jié)石成分，可以為臨床治療提供更多樣化、更準(zhǔn)確的信息，體內(nèi)分析的方法有超聲、CT及MRI。現(xiàn)階段膽結(jié)石病的治療主要有賴于膽囊切除術(shù)，但隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展及人們對(duì)醫(yī)療質(zhì)量要求的不斷提高，保膽治療逐漸成為治療的新趨勢(shì)，而明確結(jié)石的診斷及其成分則至關(guān)重要。隨著CT技術(shù)的不斷發(fā)展以及能量成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，近年來(lái)關(guān)于其在膽結(jié)石的診斷及成分分析方面的研究不斷增多，本文就近年來(lái)CT能量成像在膽結(jié)石診斷及成分分析方面的研究作簡(jiǎn)要綜述。

膽結(jié)石的分類

膽結(jié)石按成分主要可以分為膽固醇結(jié)石、膽色素結(jié)石及混合結(jié)石，按結(jié)石發(fā)生的部位又可分為膽囊結(jié)石、肝內(nèi)膽管結(jié)石、肝外膽管結(jié)石。膽囊內(nèi)的結(jié)石主要包括膽固醇結(jié)石及黑色膽色素結(jié)石，膽固醇結(jié)石內(nèi)膽固醇重量在95%以上，呈類球形，質(zhì)地較硬，表面光滑或呈桑葚狀，色澤淺黃；黑色膽色素結(jié)石是由膽色素鈣化合物構(gòu)成、質(zhì)地松軟易碎、表面光滑的黑色小球形結(jié)石。發(fā)生于膽總管內(nèi)的結(jié)石主要是混合性膽固醇結(jié)石，由重量在50%以上的膽固醇及膽色素、鈣等構(gòu)成，顏色由淺黃至棕色不等，表面光滑，質(zhì)地較硬。肝內(nèi)膽管結(jié)石主要是棕色膽色素結(jié)石，由單一的鈣或膽色素構(gòu)成，質(zhì)地可松軟易碎，也可堅(jiān)硬，表面呈多面球形結(jié)構(gòu)[4]。膽結(jié)石的成分復(fù)雜多樣，但主要的構(gòu)成成分為膽固醇、膽色素及鈣等物質(zhì)。

CT能量成像的原理

1.能量成像的原理

當(dāng)X射線穿透物體時(shí)，可以產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓散射及電子對(duì)效應(yīng)，射線被物質(zhì)所吸收，產(chǎn)生衰減。由于電子對(duì)效應(yīng)的發(fā)生概率較低，物質(zhì)的X線衰減曲線主要由康普頓效應(yīng)及光電效應(yīng)決定。當(dāng)X射線的能量一定時(shí)，不同的物質(zhì)對(duì)于X線的吸收是不同的，所以會(huì)顯示不同的CT值，而當(dāng)能量發(fā)生變化時(shí)，物質(zhì)對(duì)X線的吸收也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而且這種變化是可以量化測(cè)量的，能量成像是利用不同物質(zhì)在不同能量的X線下的CT值及其變化不同，來(lái)區(qū)別不同物質(zhì)的成分性質(zhì)。CT能量成像技術(shù)最早在30年前就有所研究[5,6]，但由于受限制于CT成像技術(shù)一直無(wú)法應(yīng)用到臨床實(shí)踐中，直到雙源CT和能譜CT的出現(xiàn)。

2.雙源CT的成像原理

雙源CT是近年來(lái)新發(fā)展出現(xiàn)的一種新型CT，其特點(diǎn)是擁有兩套獨(dú)立的互呈約90°的X線球管及探測(cè)器[7]，使得掃描速度大大增加，兩套X線源之間基本互不干擾，單獨(dú)調(diào)整，可以同時(shí)進(jìn)行兩種不同能量的掃描，并在圖像數(shù)據(jù)空間匹配，進(jìn)行雙能剪影分析，這種技術(shù)使得雙能量掃描成為可能，但是雙源CT也有其缺點(diǎn)，由于采用的是雙源掃描技術(shù)，其探測(cè)器難免受到另一X線源的散射線影響，造成圖像不準(zhǔn)確，CT值偏移等問(wèn)題，另外雙源CT其中一個(gè)球管的視野較小，因此雙源CT能進(jìn)行雙能量掃描的檢查區(qū)域也較小[8]，無(wú)法完成較大區(qū)域的掃描，這就意味著對(duì)于肥胖、體型較大或膽囊、膽管位置變異患者的檢查難度有所增加，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其不足之處正在逐步完善。

3.能譜CT的成像原理

能譜CT有著同時(shí)同源同向的優(yōu)點(diǎn)，其能量成像可以做到能量的瞬時(shí)切換[9]。物理學(xué)研究表明可以用兩個(gè)已知的基礎(chǔ)物質(zhì)的衰減系數(shù)表示一個(gè)未知物質(zhì)的衰減系數(shù)，能譜成像技術(shù)是將兩種不同能量的吸收投影數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成基物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)，求解出基物質(zhì)對(duì)的密度在空間上的分布，并以此求出CT值。通常這兩種密度值并不代表確切的物理成分，只是用這兩種物質(zhì)表示要確定的成分，任意兩種物質(zhì)都可以反映待測(cè)物質(zhì)的吸收，常用的基物質(zhì)為碘、水和鈣，原則上可以選擇任意兩種物質(zhì)，選擇上述物質(zhì)是因?yàn)獒t(yī)學(xué)常用且便于解釋，但物質(zhì)分離時(shí)一般會(huì)選擇衰減性能明顯不同，并且是待檢測(cè)物質(zhì)的兩種成分的基物質(zhì)對(duì)，比如利用尿酸和鈣作為基物質(zhì)對(duì)進(jìn)行尿酸結(jié)石與鈣化的鑒別[10]，此時(shí)基物質(zhì)圖像能使得基物質(zhì)成分得到特異性的顯示，且不顯示另一種基物質(zhì)。能譜CT的另一個(gè)特點(diǎn)是可以進(jìn)行單能量成像，現(xiàn)有研究已經(jīng)獲得了許多基物質(zhì)的衰減系數(shù)隨能量的變化，利用已知的質(zhì)量吸收函數(shù)和雙能量掃描獲得的密度分布，就可以求出任意能量下的待測(cè)物質(zhì)的CT值，而且可以繪制能譜曲線，也可以通過(guò)生成最佳單能量圖像以獲得最大的對(duì)比度。能譜CT能在一次掃描中獲得基物質(zhì)圖像、能譜曲線等多個(gè)參數(shù)，進(jìn)而從形態(tài)學(xué)和功能變化等方面進(jìn)行成像，能譜CT所特有的寶石探測(cè)器加上專有的高清算法，使其擁有目前CT中最高的空間分辨率及密度分辨率[11]。

CT能量成像在膽結(jié)石診斷中的新進(jìn)展

常規(guī)單源CT對(duì)于膽結(jié)石的鑒別主要依賴于膽結(jié)石與膽汁的CT值差異，而對(duì)于CT值與膽汁相近的結(jié)石只能通過(guò)膽囊、膽管等形態(tài)學(xué)改變來(lái)推測(cè)，難以準(zhǔn)確診斷。目前CT能量成像對(duì)膽結(jié)石的診斷方面的研究，主要針對(duì)于減少患者的非必要重復(fù)受線，或者檢測(cè)常規(guī)CT無(wú)法檢測(cè)出的某些結(jié)石。

1.虛擬平掃的應(yīng)用

虛擬平掃是利用增強(qiáng)圖像重建出平掃的圖像，以減少患者不必要的射線量。Kim等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)虛擬平掃對(duì)于膽結(jié)石的檢出有重要價(jià)值，虛擬平掃對(duì)于膽結(jié)石的診斷有著中等準(zhǔn)確度，但對(duì)于小于9 mm2或膽管內(nèi)低于78 HU的結(jié)石的顯示有限制。Lee等[13]在虛擬平掃和真實(shí)平掃的比較研究中也發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是膽固醇結(jié)石還是鈣質(zhì)結(jié)石，在虛擬平掃上的顯示都比真實(shí)平掃上小。由于應(yīng)用了雙能量技術(shù)，使得虛擬平掃診斷膽固醇結(jié)石的靈敏度高于真實(shí)平掃，但是對(duì)于鈣質(zhì)結(jié)石的檢測(cè)靈敏度低于真實(shí)平掃。

2.膽結(jié)石的診斷研究

Chen等[14]的研究發(fā)現(xiàn)膽結(jié)石的能見(jiàn)度明顯不同，能譜圖像(40 keV、140 keV、鈣基質(zhì)和脂基質(zhì)圖像)的結(jié)石能見(jiàn)度與普通混合能量CT有著明顯差異，且不同醫(yī)師對(duì)于上述圖像中膽結(jié)石與膽汁密度差異的評(píng)分評(píng)價(jià)有著良好的組間一致性(k=0.772)，40 keV、鈣基和脂基圖像優(yōu)于普通混合能量，而140 keV圖像劣于普通混合能量CT，鈣基質(zhì)圖像優(yōu)于脂基質(zhì)圖像，能譜圖像顯示結(jié)石的能力高于普通混合能量CT圖像，而陰性結(jié)石組與陽(yáng)性結(jié)石組的比較結(jié)果說(shuō)明低能量圖像和基物質(zhì)圖像在陰性結(jié)石的診斷方面更有價(jià)值。

3.陰性結(jié)石的診斷研究

雖然有些結(jié)石的CT值與周圍膽汁的CT值相近，但由于兩者的成分不同，在不同能量的掃描條件下CT值的變化不同，所以可以利用能量成像鑒別膽結(jié)石與其周圍膽汁，從而達(dá)到診斷結(jié)石的目的。不同于對(duì)所有膽結(jié)石進(jìn)行研究，Li等[15]對(duì)陰性膽結(jié)石進(jìn)行了專門的研究，并且采用了最佳單能量成像，結(jié)果顯示常規(guī)混合能量CT圖像中膽汁與結(jié)石的CT值差異要明顯小于最佳單能量CT圖像，但是最佳單能量圖像的能量分布不均，可能是由于感興趣區(qū)物質(zhì)的混雜成分不同所致，膽汁中的平均鈣濃度要明顯高于陰性結(jié)石，而膽汁中的平均脂質(zhì)濃度小于陰性結(jié)石，陰性膽結(jié)石中的有效原子系數(shù)要小于膽汁。國(guó)內(nèi)汪衛(wèi)兵等[16]對(duì)等密度膽固醇結(jié)石的研究顯示單能量成像中隨著能量的不斷增加，膽結(jié)石的CT值逐漸增高，而膽汁的CT值則逐漸減低，結(jié)石的能譜曲線斜率與膽汁比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，膽結(jié)石的單能量成像和能譜曲線有助于陰性膽結(jié)石的診斷。楊創(chuàng)勃等[17]對(duì)陰性結(jié)石的研究中也采用了最佳單能量成像，且最佳單能量位于40 keV，膽汁與陰性結(jié)石的CT值差異最大，而60～80 keV圖像中膽汁與陰性結(jié)石的CT值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在脂、水和碘、水基物質(zhì)圖像中也可顯示結(jié)石的存在，比較而言脂、水基物質(zhì)圖像更為明顯。徐越等[18]的研究表明陰性膽囊結(jié)石在高KeV和低KeV條件下可以清晰顯示，陰性膽結(jié)石的能譜曲線為上升型，而膽汁的能譜曲線則為平坦或下降型。

CT能量成像在膽結(jié)石成分分析中的研究進(jìn)展

膽結(jié)石的構(gòu)成成分多樣，比例復(fù)雜，不同的成分在不同能量的X線下的CT值變化不同，是膽結(jié)石物質(zhì)分離的基礎(chǔ)。Bauer等[19]利用雙源CT對(duì)膽結(jié)石的成分進(jìn)行了體外研究，以化學(xué)分析的結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，雙能量成像可以精確描述出結(jié)石中膽固醇(膽固醇成分大于70%且無(wú)鈣成分)的特征性CT值，并與非膽固醇結(jié)石成分進(jìn)行鑒別，敏感度為95%，特異度為100%。Yang等[20]則對(duì)膽固醇結(jié)石進(jìn)行了研究，膽固醇結(jié)石在脂基質(zhì)圖像上顯示更加明亮，膽固醇結(jié)石脂的濃聚物要高于周圍膽汁，40 keV和140 keV圖像對(duì)于膽汁與膽固醇結(jié)石的顯示有明顯差異，利用40 keV和140 keV圖像中膽汁與膽固醇結(jié)石的CT值變化可以有效診斷膽固醇結(jié)石，在其研究中對(duì)于膽固醇結(jié)石的診斷敏感度可以達(dá)到95%，特異度則為100%。國(guó)內(nèi)金玉蓮等[21]針對(duì)陰性結(jié)石進(jìn)行了成分方面的探索，比較分析陰性結(jié)石與腎周脂肪的能譜曲線，發(fā)現(xiàn)兩者都為上升型曲線且相似，提示結(jié)石內(nèi)部含有脂質(zhì)成分(即膽固醇成分)，70 keV CT值直方圖顯示部分感興趣區(qū)CT值低于0 HU，同樣提示結(jié)石內(nèi)部含有脂質(zhì)成分，陰性結(jié)石的有效原子序數(shù)也與脂肪相似，能譜CT為陰性膽結(jié)石的檢測(cè)和成分分析提供了新的平臺(tái)。

研究前景展望

能量成像在臨床工作中應(yīng)用廣泛，目前對(duì)于膽結(jié)石的診斷方面研究較多，彌補(bǔ)了CT在陰性膽結(jié)石診斷方面的不足，但CT檢查有輻射危害，且對(duì)于陰性結(jié)石的診斷尚未經(jīng)過(guò)大量臨床實(shí)踐證實(shí)，筆者認(rèn)為僅僅為了診斷膽結(jié)石而進(jìn)行CT檢查并不合適，超聲檢查診斷膽結(jié)石有著較高的準(zhǔn)確度，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單、方便易學(xué)[22]，沒(méi)有輻射危害，未來(lái)CT對(duì)于膽結(jié)石的研究應(yīng)著重于膽結(jié)石成分分析方面，目前雖然對(duì)膽結(jié)石的治療有賴于膽囊切除術(shù)，但其術(shù)后并發(fā)癥較多，保膽治療將是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，明確膽結(jié)石的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)構(gòu)成對(duì)于治療方法的選擇至關(guān)重要。膽結(jié)石診斷研究為其成分研究奠定了一定基礎(chǔ)，明確了膽汁在膽結(jié)石診斷中的作用，Bauer等[19]進(jìn)行的體外研究的假想模型忽略了膽汁的作用，其膽汁的替代物福爾馬林等溶劑與膽汁的CT值雖然相近，但其理化性質(zhì)、有效原子系數(shù)、CT值隨能量的變化是否與膽汁相同尚未證實(shí)，且對(duì)膽結(jié)石的理化性質(zhì)是否有影響也未知。Yang等[20]的研究則表明對(duì)于膽結(jié)石成分研究的感興趣區(qū)不應(yīng)只局限于膽結(jié)石內(nèi)部，雖然其研究目前只能區(qū)分較純的膽固醇結(jié)石，但也給成分研究提供了良好的思路。膽汁的理化性質(zhì)改變是結(jié)石形成的原因之一，膽汁的能譜曲線特征、有效原子序數(shù)是否與膽結(jié)石的成分有關(guān)也是很好的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] Li X,Guo X,Ji H,et al.Gallstones in patients with chronic liver diseases[J].Biomed Res Int,2017,2017():9749802.

[2] Pasternak A,Szura M,Gil K,et al.Metabolism of bile with respect to etiology of gallstone disease-systematic review[J].Folia Med Cracov,2014,54(2):5-16.

[3] 高飛，李榮.膽結(jié)石成因的理論研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新,2011,8(26):183-186.

[4] Lammert F,Gurusamy K,Ko CW,et al.Gallstones[J].Nat Rev Dis Primers,2016,28(2):16024.

[5] Vetter JR,Perman WH,Kalender WA,et al.Evaluation of a prototype dual-energy computed tomographic apparatus.II.Determination of vertebral bone mineral content[J].Med Phys,1986,13(3):340-343.

[6] Kalender WA,Perman WH,Vetter JR,et al.Evaluation of a prototype dual-energy computed tomographic apparatus.I.Phantom studies[J].Med Phys,1986,13(3):334-339.

[7] Flohr TG,Mccollough CH,Bruder H,et al.First performance evaluation of a dual-source CT (DSCT) system[J].Eur Radiol,2006,16(2):256-268.

[8] 徐子森，樊寬章，王敏，等.炫速雙源CT的原理、特點(diǎn)及臨床應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2016,31(6):78-80.

[9] 賈永軍，賀太平.寶石能譜CT臨床應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].實(shí)用放射學(xué)雜志,2016,32(5):799-801.

[10] 陳翔，朱慶強(qiáng)，吳晶濤.能譜CT基物質(zhì)圖像結(jié)合能譜曲線對(duì)痛風(fēng)早期尿酸鹽沉積的診斷價(jià)值[J].中華消化病與影像雜志(電子版),2016,6(4):165-169.

[11] 劉金有，郝麗麗，蔣瑯瑯，等.寶石能譜CT技術(shù)特點(diǎn)及臨床應(yīng)用價(jià)值[J].實(shí)用醫(yī)技雜志,2015,22(7):735-737.

[12] Kim JE,Lee JM,Baek JH,et al.Initial assessment of dual-energy CT in patients with gallstones or bile duct stones:can virtual nonenhanced images replace true nonenhanced images?[J].AJR,2012,198(4):817-824.

[13] Lee HA,Lee YH,Yoon KH,et al.Comparison of virtual unenhanced images derived from dual-energy CT with true unenhanced images in evaluation of gallstone disease[J].AJR,2016,206(1):74-80.

[14] Chen AL,Liu AL,Wang S,et al.Detection of gallbladder stones by dual-energy spectral computed tomography imaging[J].World J Gastroenterol,2015,21(34):9993-9998.

[15] Li H,He D,Lao Q,et al.Clinical value of spectral CT in diagnosis of negative gallstones and common bile duct stones[J].Abdom Imaging,2015,40(6):1587-1594.

[16] 汪衛(wèi)兵，陳昌毅，胡新杰，等.單能量成像及能譜曲線對(duì)膽囊等密度膽固醇結(jié)石的診斷價(jià)值[J].臨床放射學(xué)雜志,2014,33(2):217-220.

[17] 楊創(chuàng)勃，賈永軍，于勇，等.寶石能譜CT在檢出膽囊陰性結(jié)石中的臨床應(yīng)用[J].實(shí)用放射學(xué)雜志,2015,31(10):1631-1634.

[18] 徐越，顧海榮，張?jiān)?能譜CT在膽囊陰性結(jié)石中的應(yīng)用分析[J].實(shí)用醫(yī)學(xué)影像雜志,2016,17(1):66-68.

[19] Bauer RW,Schulz JR,Zedler B,et al.Compound analysis of gallstones using dual energy computed tomography——results in a phantom model[J].Eur J Radiol,2010,75(1):e74-e80.

[20] Yang CB,Zhang S,Jia YJ,et al.Clinical Application of dual-energy spectral computed tomography in detecting cholesterol gallstones from surrounding bile[J].Acad Radiol,2017,24(4):478-482.

[21] 金玉蓮，張祥，孫金磊，等.能譜CT在膽囊陰性結(jié)石診斷中的價(jià)值[J].中外醫(yī)學(xué)研究,2015,13(22):71-73.

[22] Gustafsson C,Mcnicholas A,Sonden A,et al.Accuracy of surgeon-performed ultrasound in detecting gallstones:a validation study[J].World J Surg,2016,40(7):1688-1694.