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    能谱CT鉴别诊断肺部炎性病变与肿瘤的研究进展

    时间：2023-07-02 12:35:04来源：百花范文网本文已影响人

    陈露芸 黄原义

    长江大学附属荆州医院，湖北省荆州市 434300

    “同病异影，同影异病”一直是影像医务工作人员攻克的重难点。胸部CT作为最常用的成像方式之一，在解剖学上涵盖了主要的死亡原因[1]。传统CT作为诊断及鉴别肺部疾病的主要检查方法，提供病灶的形态学特征及强化程度对其良恶性进行鉴别，但所获得的信息具有局限性，对于不具有典型影像学表现的病灶，单纯依靠影像对病变进行定性诊断是比较困难的。能谱CT作为一种无创性检查的手段，一方面可提供定性的CT形态学信息，在影像诊断中起着不可或缺的作用；
    另一方面能获得单能量虚拟图像、碘浓度、能谱曲线、有效原子序数等多项参数进行定量分析，可对病灶成分进行更为精确的分析，利用这项技术获得的信息在胸部肿瘤学领域的应用非常重要，为肺内病变鉴别诊断提供重要价值。本文将对能谱CT诊断及鉴别诊断肺部炎性病变、肿瘤的价值及研究进展进行综述。

    1.1 能谱CT基本原理 能谱CT技术相较于传统CT最明显的优势是可以通过后处理重建得到单能量虚拟图像及物质分离图像[2]。能谱CT(Spectral Energy Computed Tomography)对同一物体使用不同千伏能量扫描，利用不同物质具有不同X线吸收特点来获得混合能量图像。能谱CT有三种不同的扫描方式：第一种方法是双源CT(Dual-energy Computed Tomography, DECT)采集技术，两个X射线源同时使用两个高低不同的千伏能量；
    第二种方法是快速切换单个X射线源的管电压峰值(KVP)，或者在不同KVP能量下执行两次连续扫描；
    第三种方法是通过双层技术获取双能量数据，其中来自单个X射线源的光子由探测器选择性地记录能量。目前，大部分医用能谱CT都是由两个X射线管和两个相应的探测器组成的双源CT，一个管的管电压设置为高能(140KVP)，另一个管的管电压设置为较低的能量(80KVP)。探测器包括两层，上层吸收较低能量的光子，下层记录剩余的较高能量发射；
    根据这两个数据集，重建和分析两个独立的图像序列。

    通过后处理可获得40到200keV虚拟单能量图像(Virtual Monoenergetic or Monochromatic Imaging, VMI)，低能量VMI大大改善了碘衰减，高能量VMI可减少了射束硬化伪影。较低能量VMI能改善图像对比度，可更好地显示血管异常或肿瘤并提高诊断准确性。Moritz H等人[3]建议使用能谱CT常规重建50keV单能量虚拟图像以获得对比度增强后的图像，必要时可重建120keV单能量虚拟图像来减少射束硬化伪影。

    能谱CT提供体内物质(例如含碘的造影剂和骨)与两种不同能量X线相互作用的数据，所得到的数据可能是独一无二的，能谱CT物质分离技术可以得到任意两种基物质对组成图像，如碘—水、碘—钙等。碘、钙、尿酸、软组织和水等物质可以通过已知的双能比准确识别；
    该比率是通过计算材料在低千伏和高千伏能量图像衰减度得到的[4]。例如，对于80和140kVp的管电压，碘对比剂的双能比约为2(600Hu/300Hu)，钙化或骨骼的双能比约为1.5(800Hu/533Hu)。这种双能比也能使碘与其他高衰减结构(如钙、骨或异物)区分开来，也可通过抑制甚至减去碘信号得到虚拟平扫图像(Virtual non Contrast VNC)，为减少患者辐射剂量提供可能性。王会霞等人[5]的研究显示静脉期虚拟平扫图像各项主观评分与常规CT平扫图像比较差异均无明显差异，且虚拟平扫较常规CT平扫辐射剂量降低19.29%，证实了VNCT有望代替常规平扫图像，从而能够优化检查程序、降低辐射剂量。

    1.2 相关技术及参数

    1.2.1 碘浓度及标准化碘浓度：碘—水是能谱CT最常用的基物质对，通过碘基图获得的碘浓度(Iodine Concentration, IC)能准确测量组织内碘含量，可作为肿瘤灌注和血管生成的重要影像标志物。标准碘浓度(Normalized Iodine Concentration, NIC)可对参考值进行归一化处理后，可减少不同个体间的碘浓度差异，相较于IC更为精准[6]。碘是CT增强对比剂主要成分，组织碘值多少可一定程度反应组织血流动力学状态。目前碘基图已经在肺部获得了非常显著的研究成果，主要包括：(1)鉴别肺部疾病的良恶性；
    (2)区分肺部肿瘤的不同病理类型、分化级别；
    (3)结合PET-CT代谢水平摄取评价肺癌复发与其的相关性；
    (4)评价肺栓塞、肿瘤、肺实变所致的肺灌注缺损[7]。

    1.2.2 有效原子序数：有效原子序数(Effective atomic number, Eff-Z)是代表化合物或各种材料混合物的复合原子的定量指数，在临床中较常用于肾结石成分的分析，在胸部领域的临床意义尚未形成统一的标准。有部分研究表明在良恶性病灶及不同病理类型肿瘤中有效原子序数具有差异性。最小Zeff值和标准化Zeff值与肺部恶性肿瘤有统计学相关性，且标准化Zeff的诊断效能优于最小Zeff[8]。Yang等人[9]发现不同病理分型如鳞癌、腺癌和神经内分泌肿瘤动脉期和静脉期Zeff值均有显著差异。

    1.2.3 能谱曲线：单能量图像的CT值反映特定能量水平下X线穿过被检组织后所产生的衰减值，单能量CT值与其所对应的能量水平间的变化关系在二维坐标系内构成曲线即为能谱曲线。能谱曲线描述了物质在不同能量X射线照射下的衰减情况，与物质密度紧密相关，理论上不同化学构成的组织具有不同的能谱衰减曲线，通过分析能谱曲线可以达到区分和鉴别物质成分的目的[10]。斜率K是一种相对准确的物质分离的定量参数，可用于能谱曲线差别的量化评估[11]。

    1.2.4 虚拟图像：1987年，能谱CT被认为可以根据电子密度和有效原子序数等其他参数重建图像，值得注意的是，这些重建的灰度图像是“虚拟的”，因为VMI模拟了使用单能X射线源后获得的图像，而用于医学成像的X射线管不会产生单一的能量。虚拟图像(Virtual Monoenergetic or Monochromatic Imaging, VMI)可以通过减少金属或射束硬化伪影来改善图像质量。然而，每种情况下VMI的合适能量水平是不同的。Gyobu等人[12]报道在100keV或140keV的VMI中，金属伪影显著减少，VMI提高了胸部体模中肺结节的检出率。VMI通过降低图像噪声，提高信噪比和对比度噪声比，提高软组织病变的图像质量。当肺血管强化程度与肺门淋巴结的强化程度基本相同时，肺门淋巴结的检出有时比较困难。低能量的VMI可以提高病灶的检出率、可视性和准确测量，从而提高诊断的准确性。因为即使在早期增强阶段没有进行扫描，低能量的VMI也能增加组织间的对比度。最近的一项研究证明，在40～80keV的能量范围内，VMI对评价肺部病变是最为有用的，显示了病灶与周围组织之间的最大对比差异[13]。

    2.1 炎性结节与早期肺癌鉴别诊断 随着胸部CT的发展及普及，肺部结节检出率也在日益增高，尤其是孤立性肺结节的良恶性诊断率仍然是临床实践中的热门话题。传统的胸部增强CT 是从检测到的肺结节中识别疑似肺癌的标准方法，对比增强检查中的净增加 CT 值已被用于区分肺结节的良性和恶性特征，其截止值为15HU或20 HU[14]。常规CT图像中，良恶性SPN在增强模式方面存在相当大的重叠。能谱CT通过计算能量通过分析和放大传统CT成像的机理和细节，分析和放大X射线衰减系数的依赖性，通过40～140 keV能级的单能量图像获取多个参数，从而弥补其不足。通过后处理可以在碘图像上测量碘浓度及标准化碘浓度，被认为与实际增强程度(净增强)相同。使用能谱CT鉴别肺结节可使用多种参数，包括碘浓度 (IC)、标准化碘浓度 (NIC)、不同能量级的单能量图像获得的CT值和能谱衰减曲线的斜率(λHU)以区分肺部结节的良恶性。

    2.1.1 不同性质肺结节鉴别诊断：曾瑶等人[15]的研究发现炎性病灶组的动脉期的CT净增值、碘浓度及标准化碘浓度均显著高于肺癌组；
    炎性组碘沉积量多且分布均匀，肿瘤组的碘沉积量主要集中在病灶中央位置，此外炎性病灶患者能量值40～140keV下的能谱曲线碘含量斜率K值也明显小于肿瘤组，与既往的研究结果相似。IC能直接反映病灶的血供情况，在活动性炎症组中最高，其次是恶性组，因此，活动性炎性结节表现出更早、更明显的强化。活动性炎症结节受到炎症剂的刺激，导致小动脉和毛细血管变得更加明显扩张，血管通透性增加。炎症性水肿组织压迫引流静脉，增加组织静水压力，良性结节比恶性结节更能明显阻断血液回流。不同性质的病灶血供情况也不相同，除活动性炎性病灶之外，其他的良性病灶与肿瘤组的能谱参数也具有差异性。李健康[16]的研究分别比较了肺炎组、肺结核组及肺癌组，40～90keV能量图像三组CT值及动脉期IC、NIC的大小依次为肺炎组>肺癌组>肺结核组，静脉期肺结核组的IC、NIC也低于肺炎组。肺结核的病理表现为组织呈干酪样的坏死及肉芽肿的形成，是一种慢性炎症，病灶供血动脉较少，血流灌注少，因此代表组织供血的碘浓度参数低于其余两组。

    2.1.2 不同成分肺结节鉴别诊断：能谱CT除了能鉴别诊断不同性质的肺部结节，还可用于分析不同成分的结节。Chen等人[17]将结节分为实性结节组及磨玻璃结节组，发现恶性实性结节组的40keVaCT值、40keVvCT值、λHUa及λHUv均显著低于良性实性结节组，但动静脉期两组的IC、NIC和λHU均无统计学差异。其与既往研究不同之处在于良性结节组的动静脉能谱曲线λHU和IC低于恶性结节，可能是因为收集的样本人群不同，之前的研究集中在实性结节，该研究同时分析了实性及磨玻璃结节，此外碘浓度不仅与血供密切相关，而且受造影剂总剂量、注射流速、延迟扫描等多种因素的影响。流通时间的不同和个体之间的差异可能是导致与其他研究结果不同的因素。他们还发现与良性磨玻璃结节组相比，恶性磨玻璃结节组的IC、NIC和λHU之间存在统计学显著差异，动静脉期40keV、70keV单能量图像的CT值及动静脉期能谱曲线斜率均低于良性结节，表明能谱参数相较于实性结节，对于磨玻璃结节的良恶性临床诊断具有更高的实用性。

    2.2 肿块样病变鉴别诊断

    2.2.1 肿块样活动性炎性病变与肿瘤鉴别诊断：肺部炎性病变与肿瘤均可引起患者咳嗽、发热，此外还具有相似的影像表现，如相似的形态学、增强扫描明显强化等。明确疾病良恶性对于诊断及预后极为重要，能谱CT能提供相较于传统CT更多的诊断依据。与炎性结节及早期肺癌的研究结果类似，不同时期炎性病变与肿瘤的IC及标准化碘浓度具有明显差异。黄倩文等[18]在研究中发现平扫及动、静脉期肺癌组的IC、 λ40～90 keV测值均小于炎性病灶组，且两组能谱曲线均显示随能量增加，不同单能量图像所获得的CT值下降，且在低能量水平(40～90keV)下降率最大。王君鑫等[19]在能谱CT定量参数鉴别诊断肺炎与肺癌的研究中得出了相同的结论，还通过分析动—静脉期病灶碘浓度差值，肺癌组差值明显低于炎性组，进一步证明肿瘤组织血流流入速度及流出速度均较炎症组缓慢。此外两组实验均发现肺癌组低能量水平的能谱曲线较炎症组平缓，二者斜率差异具有统计学意义，表明低能量水平的能谱曲线斜率可作为鉴别肿瘤与炎性病灶的定量指标。

    2.2.2 肿块样慢性炎性病变与肿瘤鉴别诊断：慢性炎症作为肺部损伤后的一种病理反应，血供少、微血管密度小、血流速度缓慢，与肿瘤快进快出的血供特点有着明显的差异。张国晋等[20]在能谱诊断局灶性机化性肺炎及周围型肺癌的研究中发现：周围型肺癌组的动脉期 40～70keV、λ70keVCT、碘(水)值及有效原子序数均高于局灶性机化性肺炎组，静脉期40～70keV、λ70keVCT、碘(水)值及有效原子序数均低于局灶性机化性肺炎组。邓靓娜等人[21]通过一站式扫描，前瞻性的比较了肺部恶性肿瘤及局灶性肺炎的能谱CT参数及灌注CT参数，结果发现能谱动静脉期参数联合鉴别二者的AUC为92%，高于灌注参数的84%，证明能谱CT可以作为间接评估肿瘤的血流动力学的首选方案。

    2.2.3 良恶性肿块样病变坏死组织鉴别价值：肺部肿块相较于结节更容易发生坏死，坏死性肺部病变在增强CT上表现为病灶内部相对低密度，周边强化。肺部良性病变最常见的是肺脓肿和肺结核，坏死均与微生物感染引起的炎症反应有关。与炎性坏死不同，肿瘤坏死通常表现为慢性缺血缺氧引起的凝固性坏死，肿瘤坏死组织的黏性较小，坏死成分与炎性病灶有所差异。有效原子序数可用于识别材料，目前广泛应用于肾结石成分的测定。Li等[22]在能谱CTKVP 转换技术在鉴别诊断良恶性坏死性肺病变中的应用研究中，发现两组动脉期、静脉期及平扫三期病灶坏死区域的有效原子序数及平扫期40～65keV能谱曲线斜率均有显示差异。除静脉期实性成分碘浓度外，平扫期40～65keV能谱曲线斜率是鉴别坏死性肺癌及坏死性肺肿块样病变的最有效因素。证明能谱CT可通过区别良恶性病灶坏死组织，进一步鉴别病灶的良恶性。

    综上所述，通过后处理获得的能谱CT多种定量参数在鉴别肺部炎性病变与肿瘤中具有重要的临床价值。在清晰显示病灶形态学特征、减少硬化伪影的同时,可更敏感地反映病灶的血供特点，相较于传统CT，显著提高了肺部疾病的诊断准确性。目前缺乏大样本、多中心的研究对扫描检查方式、感兴趣区域的规划进行标准化处理，以获得更加客观、准确的，能反映病灶真实信息的参数数据。但随着CT的不断发展，能谱CT有望能广泛应用肺部疾病的鉴别及诊断鉴别中。

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