雙能CT不同能量組合、重建算法及ROI選擇對家兔肝鐵定量測量的影響

許霄， 黃求理， 朱雪君， 李濤， 曹迪， 龍莉玲

體內鐵含量超過正常上限即為鐵過載，體內過多的鐵與鐵蛋白結合，絕大多數沉積于肝臟，產生丙二醛、OH-自由基等有害物質，對細胞膜、蛋白質及DNA產生過氧化損傷，導致肝硬化和肝癌等病變[1]。因此，肝鐵含量的監測是臨床上評估、治療肝鐵過載相關疾病中最重要的環節。CT三物質分離法是評估肝臟鐵含量較新穎的檢查手段，其原理是在不同能量狀態下，根據肝臟中鐵的X線衰減系數的變化率與其它組織成分不同，從而達到在像素水平上將鐵去除的效果，并可獲得虛擬鐵濃度(virtual iron concentration，VIC)圖像，因此在無創性定量測量肝內鐵含量方面具有較大潛力。但需要注意的是，VIC圖像上測量的CT值的準確性和穩定性至關重要，其CT測量值的大小會受到很多因素影響，如掃描參數、測量方法等。本研究通過對大白兔肝鐵沉積模型進行雙能CT掃描，分析比較不同能量組合、重建算法及興趣區選擇方法時肝內鐵含量定量測量的準確性，探討其應用價值。

材料與方法

1.實驗對象

健康雄性新西蘭大白兔32只，體重1.5～2.9 kg，平均2.2 kg。所有動物置于常溫環境下，自由飲水、取食，每周按15 mg/kg的劑量一次注射濃度為25 mg/mL的右旋糖酐鐵劑。實驗總時間為16周，每周處死2只大白兔進行病理觀察和測量。

2.檢查方法

所有兔子于最后一次給藥后1周進行檢查，掃描前先肌肉注射2 mL地西泮和2 mL硫酸阿托品進行誘導全麻。實驗兔取仰臥位，頭先進，雙側前肢上展，使用繃帶束縛腹部。使用Siemens Somatom Definition Flash雙源CT掃描儀。掃描范圍自膈頂至雙側髂嵴連線水平。選擇Dual Energy雙能量掃描模式，能量組合分別設置為80/140 kVp和100/140 kVp，管電流采用Care dose 4D技術，探測器寬度64i×0.6 mm，機架旋轉速度500 ms/r，螺距0.6，層厚1.5 mm，層距1.0 mm。能量組合為80/140 kVp時，分別采用濾波反投影法(filtered back projection，FBP)和強度為3的基于原始數據域的迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)算法進行重建，卷積函數分別選擇D30f和Q30f；在100/140 kVp組合條件下僅采用FBP算法進行重建。

3.數據分析

將掃描原始數據傳輸至工作站，采用西門子Liver VIC軟件進行后處理，鐵斜率值取1.9[2]，并設置兩種能量下脂肪及軟組織的CT值，獲得VIC圖。

由兩位測量者對80/140 kVp組合的FBP和SAFIRE重建圖像及100/140 kVp組合的FBP圖像進行分析和測量，三組圖像中各選擇三個相同層面的圖像進行評估，所選層面上肝組織結構顯示清晰、無變形、無偽影。對80/140 kVp組合下的FBP重建圖像 采用兩種ROI勾畫方法進行測量：第一種為全肝ROI法，即沿距肝被膜下5 mm的肝臟邊緣手工勾畫ROI的范圍，取三個層面CT值的平均值；第二種為小ROI法，即在每個層面圖像上在肝組織內勾畫較小范圍的ROI，每個層面勾畫1個，ROI面積均為1 cm2，取3個層面測量值的平均值。兩種方法勾畫ROI時均盡量避開肉眼可見的肝門區血管、膽管及化學位移偽影。另外2組圖像僅采用小ROI法進行測量(圖1a～b)。

4.肝臟鐵含量檢測

CT檢查完畢后采用空氣栓塞法處死實驗動物，解剖方法取出肝臟，每個肝葉切成2塊，去除大血管及膽管后，使用雙蒸水反復沖洗8～10次，然后將標本置于60℃烤箱烘干，烘干時間大約為5天。烘干后將肝組織粉碎，送廣西分析測試研究中心經硝酸硝化處理后，使用原子分光光度儀測量肝組織內的鐵濃度(liver iron concentration，LIC)。

5.病理分析

對每只家兔肝臟標本取材進行病理學檢查，應盡量避開肝包膜、肝門區血管及膽管，標本經生理鹽水沖洗后置入10%甲醛溶液固定，按照病理程序進行酒精脫水、二甲苯透明、浸蠟、石蠟包埋后切片，普魯士藍染色后在光鏡下進行觀察。

6.統計學分析

圖1 家兔模型VIC圖像。a) 全肝ROI測量法，在VIC圖像上在肝被膜下5mm沿肝邊緣勾畫ROI，測量肝臟的CT值； b) 小ROI測量法，與圖a相同層面，在肝實質內勾畫約1cm2大小的ROI，測量肝臟的CT值。圖2 注射右旋糖酐鐵第3周末兔肝模型(LIC為5.0mg/g)。a) VIC偽彩圖顯示肝實質顏色較暗，提示鐵濃度較低； b) 病理標本鏡下示肝內散在分布少量的藍染含鐵血黃色顆粒且分布不均(×100，PB染色)。圖3 注射右旋糖酐鐵第16周末兔肝模型(LIC為22.9mg/g)； c) VIC偽彩圖顯示肝實質顏色較亮，提示鐵濃度較高； b) 病理標本鏡下示肝內彌漫分布的藍染含鐵血黃色顆粒，分布欠均勻(×100，PB染色)。

結 果

1.數據的分布特征

兩種能量組合、重建算法及ROI測量方法下得到的肝臟CT值均呈正態分布。在80/140 kVp條件下兩種重建算法之間及兩種ROI方法之間的數據滿足方差齊性(P>0.05)。兩種能量組合的FBP法重建圖像上測量的肝臟CT值之間方差不齊(P<0.01)。在相同掃描條件、重建算法圖像上或相同ROI選擇方法時兩位閱片者測量的肝臟CT值之間具有較好的一致性，ICC值均達到0.9以上。

2.不同條件下VIC圖上肝臟CT值的比較

80/140和100/140 kVp條件下(FBP法VIC圖像上)測量的肝臟CT值分別為(29.21±14.19)和(17.48±7.63) HU，兩組間的差異具有統計學意義(Z=-4.843，P<0.01)，80/140 kVp組合下測量的肝臟CT值大于100/140 kVp組合。全肝ROI法和小ROI法測量的肝臟CT值分別為(29.99±14.07)和(29.21±14.19) HU，兩組間的差異具有統計學意義(t=-2.795，P<0.001)。80/140 kVp組合下FBP和SAFIRE算法VIC圖像上測量的肝臟CT值分別為(29.21±14.19)和(29.18±14.11) HU，兩組間的差異無統計學意義(t=8.565，P=0.792>0.05)。

3.VIC圖上肝臟CT值與LIC的相關性

采用各種能量組合、重建算法及ROI法獲得的VIC圖像上測得的肝臟CT與實驗室檢測的肝臟標本的LIC之間均具有較好的相關性(圖2a、3a)。其中，采用80/140 kVp能量組合：FBP重建算法及小ROI法測量的VIC圖上肝臟CT值與實驗室測量的肝臟標本的LIC之間的相關系數r值為0.895(P<0.01)，SAFIRE算法下測得的CT值與LIC之間的相關系數r值為0.915(P<0.01)，全肝ROI法下測得的CT值與LIC之間的相關系數r值為0.917(P<0.01)。100/140 kVp條件下(FBP重建算法及小ROI法)VIC圖像上測得的肝臟CT值與實驗室測量的肝臟標本LIC間的相關系數r值為0.835(P<0.01)。

4.病理表現

病理標本顯微鏡下主要表現：含鐵血黃素在組織細胞內呈黃褐色顆粒及小塊，對普魯士藍染色較為敏感，呈鮮藍色染色的陽性反應。注射右旋糖苷鐵第一周在肝臟內即可觀察到少量含鐵血黃色顆粒沉積，隨著注射時間的增長，含鐵血黃素在肝實質及小葉靜脈區的分布逐漸增多，部分含鐵顆粒融合成簇，分布不均勻(圖2b、3b)。

討 論

近年來雙能CT各項技術逐步完善并開始應用于臨床，在肝內鐵含量的定量檢測方面，雙能CT差值法(ΔH法)和三物質分離算法是兩種主要方法。ΔH法是通過計算在兩個單能量水平下每個體素的CT值之差，通過與已知物質含量的CT值差值的標準曲線對比來評估該體素內鐵濃度，但該體素內的CT差值反映的是包括肝組織、鈣化、鐵和脂肪等多個物質的信息，而不能單一反映鐵含量的信息[3]；而且血色素沉著癥患者往往合并肝硬化、肝炎等肝臟疾病，也會導致這種方法對肝內鐵含量的測量存在一定誤差。三物質分離法則是根據鐵在兩種能量下的CT值，建立坐標系，利用幾何方法和特定的鐵斜率值來計算鐵含量，通過計算公式轉化并估算其濃度，得到直觀體現組織化學成分的圖像，即虛擬鐵含量圖[4]。這種虛擬鐵含量圖消除了肝臟內脂肪、鈣化、糖原沉積等因素的影響，可特異性反映肝臟內鐵離子的沉積程度(圖2a、3a)[2]。

虛擬鐵含量圖上CT值測量會受到很多因素影響，如掃描參數、重建算法及ROI大小等，不同的成像設備也會導致CT測量值不同。西門子公司的二代雙源CT機(Somatoms Flash CT)在進行雙能量掃描時匹配有2種能量組合，即80/140 kVp和100/140 kVp[5]。目前100/140 kVp這一能量組合的應用范圍較局限，多用于肺部掃描，如對肺內碘和氙分布的顯示、對肺部病灶碘增強掃描的定量分析。80/140 kVp這一能量組合的臨床應用較為廣泛，尤其是在對痛風病灶的顯示、降低金屬偽影、結石的成分分析、鈣化定量分析、頭頸自動去骨等方面有一定優勢。本研究分別采用上述兩種能量組合對肝鐵沉積動物模型進行掃描，并與采用原子分光光度儀測量的病理標本的肝組織鐵濃度(LIC)進行比較，結果顯示兩種能量組合下測得的VIC圖上肝臟CT值有顯著差異，80/140 kVp組合下肝臟CT測量值高于100/140 kVp組合，且與病理檢測結果的相關性更高。筆者分析原因，一方面是由于雙能CT對不同物質的區分能力既取決于物質本身原子序數的差異，另一方面取決于雙能量掃描時兩種能譜本身的重疊程度。理論上講兩種能量的峰值(即兩種管電壓)間距越大，能譜的重疊就越少，物質區分的效果就越好；而能譜重疊越多，則物質在兩種能量下的衰變相似度大，平均光子能量類似，因此對物質的區分能力較差。與100/140 kVp組合相比，80/140 kVp組合中兩個能量的峰值間距更大，能譜區分度更大，物質區分能力更強[6]，因此在虛擬鐵含量圖上的CT值較高。

在重建算法方面，濾波反投影法(FBP)一直都作為重建方法的基礎和“金標準”[7]，它具有分辨率高、成像速度快等優勢，但該算法要求投影數據完備，且易受統計波動的影響，若投影數據量不足，則重建的圖像質量就會明顯降低。而SAFIRE技術作為西門子公司推出的第二代迭代重建算法，通過在原始數據空間及圖像空間進行多次迭代，反復修正噪聲，不僅降低了圖像噪聲、提高了圖像質量，而且在一定程度上可降低掃描的輻射劑量[8-10]，對于偽影的去除亦有較好的效果。本研究結果顯示，SAFIRE和FBP法重建后獲得的VIC圖像上肝臟CT測量值間的差異無統計學意義，且與病理方法檢測的LIC值之間均具有高度相關性，說明SAFIRE重建算法不會對VIC圖上CT測量值產生影響，由此可以推斷，物質分離圖像相比解剖圖像測量的CT值，受不同重建算法因素的影響很小，FBP和SAFIRE法重建得到的VIC圖均能準確地反映肝組織內真實的鐵含量，尤其以SAFIRE算法下獲得的VIC圖上肝臟CT測量值與LIC的相關性優于FBP法。

在測量方法方面，無論是在MRI還是CT圖像上，過去大多采用小感興趣區法來測量組織器官的信號強度或CT值，為了排除肝內血管、膽管及其它病灶的影響，感興趣區域應選擇在信號/密度顯示較均勻的肝實質區域進行勾畫。這種方法具有簡便、快捷的優點，但也存在一些缺陷，測量者設置的ROI容易受到主觀因素的影響，ROI的大小及位置不同所得到的CT值往往存在一定的差異。因此，有學者提出了基于整個肝臟的全肝ROI測量方法，即把單層圖像上所有肝實質區域作為感興趣區，這樣可降低測量者主觀因素的影響，但弊端在于圖像上一些較小的血管、膽管不易分辨，難以去除，且手動勾畫全肝實質區的方法復雜耗時，因此相關研究中應用也較少。有學者在MRI圖像上分別采用這兩種ROI方法測量肝臟的R2和R2*值來評估肝臟鐵含量 ，結果顯示全肝ROI法更為準確[11-12]。在CT三物質分離法定量測量肝臟鐵含量方面，本組研究結果表明，全肝ROI法與小ROI法測得的VIC圖上肝臟CT值之間具有明顯差異，且全肝ROI法與病理方法檢測的LIC間的相關性較優。筆者分析原因，可能是由于鐵過載時肝臟內轉鐵蛋白受體分布的差異導致鐵質在肝臟內的沉積不均勻所致，此時小ROI法測量的肝臟CT值受到測量位置的影響較明顯。

本研究尚存在以下不足：①僅在動物模型上通過不同掃描方式及測量方法進行比較，而在肝鐵沉積患者肝內鐵定量測量分析方面尚需進一步研究；②由于兔子肝臟體積較小，掃描時的管電流已接近CT機的最低值，無法進一步調低管電流來評估SAFIRE重建算法在保證圖像質量情況下降低輻射劑量的潛力；③僅以不同能量組合、重建算法及ROI測量方法為變量來比較CT測量值，而探測器寬度、螺距、層厚、螺距和掃描視野等因素對虛擬鐵含量圖上CT測量值的影響如何，有待進一步研究。

參考文獻：

[1] Shander A,Cappellini MD,Goodnough LT.Iron overload and to-xicity:the hidden risk of multiple blood transfusions[J].Vox Sanguinis,2009,97(3):185-197.

[2] Fischer MA,Reiner CS,Raptis D,et al.Quantification of liver iron content with CT-added value of dual-energy[J].Eur Radiol,2011,21(8):1727-1732.

[3] Raptopoulos V,Karellas A,Bernstein J,et al.Value of dual-energy CT in differentiating focal fatty infiltration of the liver from low-density masses[J].AJR,1991,157(4):721-725.

[4] 王凱旋,崔詩爽,靳云鵬,等.CT測定肝臟鐵含量的研究進展[J].國際醫學放射學雜志,2014,37(5):434-437.

[5] 楊帆,林偉,陳衛霞.CT雙能量掃描模式在腹部應用的研究進展[J].放射學實踐,2015,29(4):388-391.

[6] Johnson TR.Dual-energy CT:general principles[J].AJR,2012,199(Suppl 5):3-8.

[7] 王革,俞恒永,勃魯努.曼,等.X線和CT研究與發展之展望[J].中國醫療器械雜志,2008,32(3):157-169.

[8] 陸秀良,曾蒙蘇.迭代重建算法在CT中的應用[J].中國醫療設備,2012,27(4):128-131.

[9] 王芳,高劍波,劉杰,等.正弦圖確定迭代重建技術在降低胸部掃描劑量中的應用[J].中國醫學影像技術,2012,28(11):2087-2089.

[10] Winklehner A,Karlo C,Puippe G,et al.Raw data-based iterative reconstruction in body CTA:evaluation of radiation dose saving potential[J].Eur Radiol,2011,21(12):2521-2526.

[11] Positano V,Salani B,Pepe A,et al.Improved T2*assessment in liver iron overload by magnetic resonance imaging[J].Magn Reson Imaging,2009,27(2):188-197.

[12] Mccarville MB,Hillenbrand CM,Loeffler RB,et al.Comparison of whole liver and small region-of-interest measurements of MRI liver R2* in children with iron overload[J].Pediatr Radiol,2010,40(8):1360-1367.