能譜CT多參數成像評估膽結石成分的應用價值

劉芳，胡鵬志，郭睿，馮智超，羅慕晴，聶唯，梁琪，劉晟

（中南大學湘雅三醫院放射科，湖南長沙410013）

膽結石作為全球最常見的消化系統疾病之一，其患病率高達10%～15%[1]。隨著飲食西方化、生活節奏加快，膽結石的發病率處于持續上升的狀態，并且術后膽管結石復發率較高[2]。膽結石成分在不同程度上影響治療方案的選擇，有研究表明，熊去氧膽酸等藥物治療對膽固醇結石的溶解率可達82%，而對非膽固醇結石如膽色素和含碳酸鈣結石的效果較差[3]；保膽碎石取石對不同成分結石所需能量和次數不同，陽性結石所需沖擊波次數更多[4]；不同成分的結石感染菌群和生活方式干預亦有差異[5-6]。因此，膽結石成分檢測對疾病治療和預防起著關鍵性作用。目前膽結石成分檢測均為術后體外分析，無法為非手術治療或術前診療提供幫助。能譜CT 已應用于鑒別物質成分，但其分析體內膽結石成分的研究較少，因此，本研究主要探索能譜CT 多參數成像評估膽固醇結石和非膽固醇結石的應用價值，為臨床確定不同類型結石提供理論基礎。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年1月—2018年6月中南大學湘雅三醫院肝膽外科術后膽結石125 枚。其中，膽管結石45 枚，膽囊結石80 枚，結石直徑均＞3 mm，將所有結石隨機統一編號，每次隨機選取1 枚結石，置入豬肝內部（盡量排除空氣），并完全浸于盛有生理鹽水的水箱中，模擬體內環境。選取2018年6月—2019年7月超聲診斷為膽結石患者80 例。其中，男性36 例，女性44 例；年齡20～75 歲，中位年齡為51 歲，于術前2d內行CT 能譜模式檢查，所有患者知情并同意。排除有膽道蛔蟲等寄生蟲病史患者、術后無結石或結石直徑＜3 mm 及圖形質量不佳患者。術后共收集結石86 枚，其中膽管結石22 枚，膽囊結石64 枚。

1.2 方法

1.2.1 掃描方式所有體外結石和膽結石患者均進行GE Revolution 256 排多層螺旋CT 掃描并重建普通螺旋CT（120 kvp like 混合能量）的圖像，掃描參數如下：GSI （gemstone spectral imaging） 模式，管電壓（80 kVp/140 kVp）切換，管電流195 mA，螺距0.516，球管轉速0.6 s/周，探測器準直64×0.625 mm，矩陣512×512，顯示野8 cm，重建層厚0.625 mm。

1.2.2 圖像處理和分析所有能譜數據均傳至GE AW4.6 工作站，由2 位有工作經驗的放射科醫師在不知結石成分的情況下手工選取膽結石的感興趣區（region of interest,ROI），ROI 為選取膽結石最大層面橫截面積的2/3。在GSI 后處理平臺上，選擇腹部軟組織窗（窗寬260 HU/窗位60 HU），測量所有體內外結石的單能量40 keV、100 keV 時結石CT值（HU40keV、HU100keV）、有效原子序數（Eff-Z）、普通螺旋CT 值（HU120kVplike）并計算40～100 KeV能量區間能譜衰減曲線斜率（K），K=（HU40keVHU100keV）/60。每枚結石測量3 次并取平均值作為最后結果。

1.2.3 膽結石成分分析將膽結石置于烤箱中低溫烘干，盡量保持膽結石的完整性，將整顆膽結石充分研磨并混和均勻，取少量結石粉末按比例1∶20加入溴化鉀，用壓片機壓制成薄片，用于傅立葉紅外光譜分析儀檢測，每枚結石取樣時取2 次，重復檢測，經電腦繪制圖譜后，自動解析圖譜并生成膽結石成分報告，根據膽結石成分分為膽固醇結石組和非膽固醇結石組（包括膽色素結石和碳酸鈣結石以及含多種成分的混合結石）。

1.3 統計學方法

數據分析采用SPSS 22.0 統計軟件。計量資料以中位數和四分位數[M（P25，P75）]表示，兩組各參數采用秩和檢驗；計數資料符合程度的判斷用Kappa一致性檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。多因素Logistic 回歸分析篩選影響因素，并繪制ROC 曲線。能譜CT 各參數預測膽結石成分結果與紅外光譜結果比較采用Kappa 一致性檢驗，比較各參數評估膽結石成分的準確性。

2 結果

2.1 體外膽固醇結石和非膽固醇結石的各參數結果及分析

2.1.1 能譜CT各參數結果紅外光譜分析結果顯示膽固醇結石組56 枚，非膽固醇結石組69 枚，兩組膽結石 HU40keV、HU100keV、Eff-Z、K值和HU120kVplike的比較，經秩和檢驗，差異均有統計學意義（P＜0.05）； 非膽固醇結石組的HU40keV、HU100keV、Eff-Z、K值和HU120kVplike高于膽固醇結石組。見表1 和圖1。

表1 膽固醇結石組與非膽固醇結石組各參數的比較[M（P25，P75）]

2.1.2 多因素logistic 回歸分析以是否為膽固醇結石為因變量，逐步回歸法用于篩選自變量，最終進入回歸模型中的變量僅為（95% CI：5.38，29.35）]，結果顯示僅Eff-Z 是膽固醇和非膽固醇結石的影響因素。

2.1.3 ROC 曲線分析結果Eff-Z 鑒別膽固醇結石ROC 曲線下面積為0.962 （95% CI： 0.928，0.997），其特異性和敏感性分別為91.1%（95% CI：0.804，0.970）、94.2% （95% CI：0.858，0.984），相應的截斷值為7.27。而普通螺旋CT 值鑒別膽固醇結石ROC 曲線下面積為0.873（95% CI：0.798，0.928），其特異性和敏感性分別為80.6%（95% CI：0.691，0.892）、89.4% （95% CI：0.769，0.965），截斷值為39 HU。見圖2。

圖2 Eff-Z和HU120 kvp like鑒別膽固醇結石和非膽固醇結石的ROC曲線圖

2.2 能譜CT和普通螺旋CT預測體內膽固醇結石和非膽固醇結石

紅外光譜分析儀獲取86 枚膽結石成分，結果顯示膽固醇結石36 枚、非膽固醇結石50 枚。根據能譜參數Eff-Z ＜7.27 為膽固醇結石，Eff-Z ≥7.27為非膽固醇結石，獲得能譜CT預測膽固醇結石35枚，非膽固醇結石51 枚（見圖1）。能譜CT 預測膽固醇結石、非膽固醇結石的準確率分別為88.9%（95%CI：0.739，0.968）、94.0%（95% CI：0.835，0.988），總準確率為91.86%（79/86）（95% CI：0.831，0.967）（見表2）。依據普通螺旋CT 值＜39 HU 為膽固醇結石，CT值≥39 為非膽固醇結石，獲得普通螺旋CT 預測膽固醇結石、非膽固醇結石的準確率分別為86.1%（95% CI：0.705，0.953）、72.0%（95% CI：0.575，0.838），總準確率為77.9%（67/86）（95% CI：0.690，0.872）（見表3）。經Kappa 一致性檢驗，能譜CT 預測膽結石成分結果與紅外光譜分析結果具有較高的一致性（κ =0.832，P=0.000）。而普通螺旋CT 預測膽結石成分結果與紅外光譜分析結果一致性一般（κ =0.561，P=0.000）。

圖1 體內外膽固醇結石和非膽固醇結石的Eff-Z和能譜衰減曲線圖

表2 紅外光譜分析和能譜CT成像對膽固醇結石和非膽固醇結石的診斷結果比較 例

表3 紅外光譜分析和普通螺旋CT成像對膽固醇結石和非膽固醇結石的診斷結果比較 例

3 討論

目前符合手術指征的膽結石患者首選手術治療如腹腔鏡下膽囊切除術[7]，然而具有中轉開腹手術、膽囊切除術后綜合征的風險，術后降低患者生活質量，且膽管結石復發率可高達5%～20%[2]。研究表明膽囊缺失可導致腸道微生物改變從而增加結直腸癌的發病率[8]。隨著各種有效溶石和阻止結石形成藥物的出現，藥物治療成為治療膽結石的重要組成部分，而膽固醇結石的有效溶石率最高，針對非手術治療患者，特別是對于有高危風險和年齡較小的患者，結石成分分析結果能指導藥物治療方案制訂，為有保膽意愿的患者帶來希望，同時減少膽囊缺失引起的諸多并發癥。臨床最常用的螺旋CT 為混合能量成像，單一參數CT 值反映物質密度的高低，在判斷結石成分時存在較大的主觀性，且鑒別結石成分時CT 值會相互重疊[9]。能譜CT 具有單能量成像、K和Eff-Z 等多種參數成像，可定量、定性分析物質成分[10]，被廣泛運用于腎結石的分型、肺癌、胃癌的亞型[11-13]等研究領域。因此，能譜CT 多參數成像為評估膽結石成分提供可能性。

體外實驗結果表明能譜CT 成像可以鑒別膽固醇結石和非膽固醇結石。膽固醇結石HU40keV均為負值，隨單能量keV 升高膽固醇結石的CT 值緩慢增加，能譜衰減曲線呈平緩上升型，其Eff-Z 小于非膽固醇結石，并與脂肪的Eff-Z （Eff-Z脂肪=6.22）近似，可能與結石中大量膽固醇成分有關，YANG等[14]在體內實驗表明膽固醇結石在脂基物質上顯示最為清晰，此外CHEN 等[15]報道了選擇單能量40 keV 可明顯提高膽固醇結石的檢出率，本研究采用多因素Logistic 回歸分析結果顯示HU40keV并非預測膽固醇結石獨立影響因素，可能與CT 值容易受到掃描參數、結石周圍膽汁中色素、膽固醇結晶以及鈣等多種因素干擾有關，而Eff-Z 水平作為鑒別膽結石成分的唯一獨立影響因素，提示Eff-Z更有利于膽固醇結石的識別，分析其原因可能是由于Eff-Z 是能譜參數中鑒別無機物成分的精確分析方法[10]，其可以直接反映感興趣區無機物的性質，達到精準分析的目的；而非膽固醇結石HU40keV、HU100keV均為正值，能譜衰減曲線呈平緩下降型，其Eff-Z 高于膽固醇結石，可能與非膽固醇結石中含有金屬成分如Ca、Cu 和Fe 元素有關[16]，這與既往研究含鈣量高的腎結石Eff-Z 較大相符合[17]，此外張子田等[18]采用寶石能譜CT 分析54 枚離體膽結石成分，結果表明非膽固醇結石的Eff-Z較膽固醇結石大，與本研究體外實驗結果相一致，本研究優勢在于膽結石樣本量大，且采用回歸分析篩選出獨立預測因素Eff-Z 并根據ROC 曲線下面積獲得鑒別是否為膽固醇結石的截斷值7.27，隨后將其應用于后面的體內驗證研究，具有更高的真實性和可靠性。

體內驗證結果表明能譜CT 成像較為準確地預測體內結石成分。能譜CT 多參數成像預測膽固醇、非膽固醇結石的準確率分別為88.9%、94.0%，其總準確率為91.86%（79/86），與紅外光譜分析結果具有較高一致性。與普通螺旋CT（120 kVp like 混合能量）比較，能譜CT 總準確率明顯得到提高，且以非膽固醇結石的準確率提高為著，分析其原因可能是以膽固醇含量為主的混合結石被普通螺旋CT預測為膽固醇結石所致，而能譜CT 在鑒別物質成分時更細微、精準。本研究能譜CT 診斷膽固醇結石32 枚，誤診為非膽固醇結石3 枚，誤診的原因可能是非膽固醇結石中膽色素成分或碳酸鈣的含量太少，而紅外光譜分析時取充分研磨后結石的小部分，可能未取到膽色素或碳酸鈣成分導致結果誤差，漏診非膽固醇結石4 枚，可能與部分非膽固醇結石的非均勻性、ROI 選取層面有關，需進一步研究證實。

本研究的局限性：①體外實驗為收集125 例膽結石，具有一定代表性，但總樣本量仍偏少；②紅外光譜分析結果作為膽結石成分的參考標準，無法獲得膽結石中成分的具體含量；③本研究未對非膽固醇結石進行細化分類，有待擴大樣本量進一步細化研究。

綜上所述，能譜CT 成像可較為準確地評估膽結石成分，尤其是Eff-Z最佳，且優于普通螺旋CT掃描，能譜CT 成像為評估膽結石類型提供新的方法，為臨床治療提供理論依據。