双源CT分析结石成分的临床应用进展

郑媛慧,崔晓东(综述),徐卫国(审校)

同济大学附属同济医院医学影像科,上海 200065

泌尿系结石(urinary stones disease)在泌尿外科是一种常见的疾病,在国外每年的发生率为10%～30%[1]。我国南方地区发生率较高,是世界上3个主要泌尿系结石高发区之一[2]。泌尿系结石成分主要有草酸钙、磷酸钙、尿酸、胱氨酸以及磷酸铵镁,大多数结石是以混合结石的形式存在[3]。目前发现结石有以下几种方法:(1)常规B超诊断能有效发现结石;(2)腹部立卧位X线摄片可发现含钙的阳性结石;(3)腹部计算机断层扫描(CT)能判断结石大小。但这些方法都不能准确判断结石主要化学成分,均具有局限性。双源CT系统的双能量扫描可以鉴别物质化学成分,具有辐射剂量低、效率高的优点,突破了其他检查手段的局限。

1 双源CT的更新换代历程

1.1 第一代双源CT

全球首台双源CT(dual-source computer tomography,DSCT)于2005年推出,它是由两套Sensation 64层CT的X线球管系统和两套对应的探测器信号采集系统整合而成[4]。机架内两个探测器成90°排列,分别对应AB球管。机架最短旋转时间是0.33 s,最大螺距为1.5,双能量成像视野为26 cm,心脏平均采集时间为7 s,时间分辨率是83 ms。双源CT有两种工作模式,在单源模式下相当于64层CT;而在双源模式下,两套系统同时工作,球管和探测器只需旋转90°,即可获得2组数据,时间分辨率提高了一倍,主要用于心脏等方面的检查[5]。

1.2 第二代双源CT

第二代双源CT在第一代的基础上性能有了明显的提升,也被称为炫速双源CT,推出时间为2008年,国内应用于临床是在2010年[6]。它是由两个X线球管和两组128层探测器构成,两个X线球管的夹角由原来的90°增加到94°,这个变化使得双能量成像视野由原来的26 cm扩大到33 cm,获得了更合适的焦点,也改善了因肥胖患者覆盖不全的缺陷。全新的能谱纯化技术(SPS),其电压采用的是Sn100 kV和Sn140 kV,这种射线能谱组合提高了低能谱射线对人体穿透力和射线利用率,明显减少了伪影[7];高能谱X线球管前设置了选择性光子滤过器,去除了高能谱中的低能谱成分,使高能谱射线纯化,显著提高了碘成分的区分能力,在相同射线剂量的前提下可提高80%的碘区分能力[8]。

美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration,FDA)已经认证了第二代双源CT的 14 项双能量临床应用检查。双能量去骨血管成像、心肌灌注、肺灌注、虚拟平扫、肺血管成像、泌尿系结石成分分析、痛风结石判定、硬斑块去除、脑灌注成像、肌腱韧带、肺结节分析、肺氙气成像等[6]。

1.3 第三代双源CT

Force CT是2015年推出的最先进CT设备,也称“双源Turbo Flash超炫速CT”,即第三代双源CT。机架由两套X线球管和两套全息光子探测器合成,最短旋转时间为0.25 s,时间分辨率提高到66 ms,可有效减少运动伪影,成像视野50 cm大范围覆盖。第三代双源CT的能谱纯化技术(SPSⅡ)与上一代不同的是,电压采用Sn100 kV和Sn140 kV,其中高能谱X线球管前添加了锡滤过器,减少了高低千伏之间的重叠,提高能量敏感性,使高能谱纯化。Sn100 kV可以实现0.06 mSv全肺扫描,并获得极佳的图像质量,肺结节的检出率为94%[9]。

以上就是三代DSCT的发展变化,现将各代设备的主要参数罗列如下,见表1。

2 双源CT双能量扫描的原理

表1三代双源CT主要参数对比

Tab.1Comparisonofmainparametersofthreegenerationsofdual-sourceCT

主要参数第一代双源CT第二代双源CT第三代双源CT机架最短旋转时间/s0.330.280.25单只球管最大功率/kW80100120最大螺距1.53.43.2时间分辨率/ms837566纯谱双能SPS无有Sn100/140 kV有Sn100/150 kV双能量成像FOV/cm263350

双能量技术是DSCT的一大特点,能在不使用碘对比剂的情况下,区分密度相近的组织结构[10]。双能量技术是利用物质对X线衰减系数来区分组织结构。当能量从低kV变到高kV,物质对X线的衰减变化有大有小。比如碘溶液和骨,当X线能量从80 kV变化到140 kV,碘溶液对X线的衰减变化较大,骨对X线的衰减变化较小,通过两者的衰减斜率就可以区分碘和骨这两种密度相近的成分。同样的原理,对于泌尿系结石这种物质,选取水、钙、尿酸三种成分为参考,在高低双能量的条件下,扫描结石,获得三种成分对X线衰减斜率,可以辨别结石成分[11-12]。通过后台处理软件(syngo Dual Energy)程序运算,表现在可视的伪彩色图像上或是能量曲线上。DSCT双能量成像技术扫描泌尿系结石,不仅能识别和分辨物质,还能够获取反映物质的能量图像[13],对临床分析泌尿系结石的化学成分有重要价值。

3 双源CT分析结石成分在临床上的应用

3.1 在泌尿系结石的应用

目前用于检测结石成分的双源CT已经发展到了第三代,每一代新设备都在进步和改进,第一代设备的缺陷是孔径太小,过于肥胖的患者会出现成像视野缺失,造成边缘病灶遗漏的问题,第二代DSCT在原来的基础上,把两只球管夹角扩大成94°,这个改进使得成像视野增加了7 cm,改善了第一代的缺陷。但是第二代中的能谱纯化技术两只球管的管电压是100 kV、140 kV,第三代DSCT优化了球管管电压,目前高能谱为150 kV,低能谱仍是100 kV,能够用于区分组织密度更接近的成分了。

泌尿系结石分为单纯性结石和混合性结石,某种成分结石含量占95%可以确定为单纯性结石,含有两种以上结石成分被确定为混合性结石[14]。

3.2 国内研究

国内研究大多数使用第二代双源CT进行实验,主要的研究手段是利用双能量技术对体外结石成分进行分析,而近几年对体内结石的研究逐渐增多。目前国内研究能够准确区分出纯草酸钙结石、尿酸结石、羟基磷灰石、胱氨酸类结石等[15]。

黎川等[16]使用第一代双源CT进行体外预测泌尿系结石成分,能够准确区分尿酸类结石、胱氨酸类结石和含钙结石,但第一代双源CT未能准确区分含钙结石和羟基磷灰石,以及不同成分的含钙结石。

随着第二代双源CT的问世,其在140 kV的球管前安装了锡滤过器,增加了高能谱X射线纯度,减少了与100 kV低能谱的重叠,从理论上讲提高了鉴别物质的能力。国内学者刘宗才等[17]证实了第二代双源CT能够区分含钙结石与羟基磷灰石。该研究选取了118例患者的泌尿系纯结石在体内进行了研究,对患者行双能量扫描,将DSCT的扫描结果与红外光谱比较,能准确区分纯尿酸结石(灵敏度和特异度均为100%),较准确地区分草酸钙结石(灵敏度为100%,特异度为89.9%),纯羟基磷灰石(灵敏度为84.6%,特异度为100%)。双能量检测出了胱氨基结石,但红外能谱未检测出来,对纯胱氨基结石的诊断存在假阳性。

凃备武等[18]也得出了相同的结论,双能能显示1颗纯胱氨酸结石,6颗混合胱氨酸结石,但光谱未发现含胱氨酸的结石,故均为假阳性。但国外有文献报道胱氨酸与草酸钙和磷灰石等差别显著,可以区分[19]。该研究中还指出,双能量扫描能够显示的混合结石多表现为不同成分相对集中于一定区域,即便如此也只能表明为混合结石,至于何种成分混合,仍然难以确认。

关于混合结石的分析,王小刚等[20]收集了134例泌尿系患者术后获得的结石标本,将标本放入猪肾建立体外模型,并将其放入水槽中模拟人体环境。在相同条件下对三组混合结石验证其差异性,分别为第一组混合结石(草酸钙和磷酸盐)、第二组混合结石(草酸钙和尿酸盐)、第三组混合结石(磷酸盐和尿酸盐)。在80 kVp、140 kVp、双能量值上第一组与第三组比较差异均具有显著性意义;在DEI值(dual energy index)上第一组与第二组差异有显著性意义。该研究证实了第二代双源CT具有区分混合结石的能力,但毕竟是基于体外模型的实验,不能够完全取代结石在体内的环境,因此双源CT用于体内预测混合结石的临床应用,还有待进一步探讨和研究。

对于泌尿系混合结石的组成成分,国内学者大多集中在定性分析,即混合结石的组成成分中包含哪几种类型结石,然而较少有研究表明混合结石中各类型结石所占比例是多少,即定量分析。国外学者经过研究表明,第三代双源CT能够准确区分混合结石,且能定量分析结石成分,但在国内还鲜有相关方面的研究。

3.3 国外研究

国外大多以第二代双源CT为研究设备,对泌尿系结石分析主要在体内进行,以定性分析为主,而随着第三代双源CT逐渐走向市场,更多的学者开始对泌尿系结石成分进行定量分析的研究。

在体外评估混合结石的基础上,Zhang等[21]在体内进行了混合结石的研究,该研究共纳入81例泌尿系结石。根据红外光谱证实,43块是纯结石,38块是混合结石。第二代双源CT正确识别了所有纯结石和36种混合结石的主要成分。而其他2种混合结石的主要成分被误判为草酸钙。双源CT用于预测结石主要成分的整体准确率为97.5%(79/81)。DSCT检测4种类型混合物(尿酸、半胱氨酸、羟基磷灰石和草酸钙)的准确度分别为97.5%、93.8%、80.2%和93.8%。该研究表明DSCT能准确检测出尿酸、半胱氨酸和草酸钙的混合结石。

2015年McCollough等[22]使用不同的研究方法,将第三代双源CT体外评估的结果与第二代进行对比。使用第三代双源CT在100 kV和Sn150 kV的情况下,改善了不用体膜大小中混合结石的分类,使混合结石的成分更加精确,并明确了从磷灰石中分辨草酸钙结石的能力。

2016年Williams等[23]又进一步探讨使用第三代双源CT来量化混合结石中尿酸与非尿酸的可行性,这是一项体外研究,该学者将24例混合结石放在水模型中,使用双能量进行扫描,对不同的模型记录CT值和计算结石像素,预设阈值1.10至1.70,将每个像素分类为尿酸和非尿酸。将结果与显微CT获得的参考标准对比,结果表明双能CT和显微CT在尿酸与非尿酸混合结石组成上无显着差异(P均>0.05)。该研究表明了第三代双源CT可以对混合结石尿酸与非尿酸成分进行量化,但样本量较小,且是体外评估,真正用于临床诊断还需大量的体内研究来证实。

4 结语

随着双源CT技术发展不断提高,学者最先对纯结石展开研究,到后来研究对象转向混合结石,截止到第三代双源CT出现,对纯结石的区分越来越准确,能辨别的混合结石成分越来越多,甚至能够量化混合结石成分,但用于体内诊断还需大量临床实验来证实。目前国内对泌尿系结石的分析还停留在定性研究的水平,而国外已有定量分析结石的相关研究。第三代双源CT不仅能区分纯结石,尿酸与非尿酸结石、尿酸结石与含钙结石[24]等,还能区分混合结石,含尿酸,草酸钙和胱氨酸的混合结石。虽然体内分析结果不如体外分析准确,但就目前文献报道的结果来看,尿酸与草酸的分析对临床具有相对较高的实用价值[18]。有研究指出,纯草酸钙结石与碳酸磷、草酸钙混合结石等衰减特性相近不易区分[2]。日后随着能谱纯化技术更加细化,有望区分原子序数较相近的成分。国外研究表明,使用第三代双源CT可以量化含尿酸与非尿酸的混合结石[23]。将来还可以进一步量化非尿酸成分间的结石,这是今后研究的方向。非尿酸成分组成的混合结石彼此有效原子序数的差异比尿酸与非尿酸的混合结石还要小,若能量化非尿酸成分的混合结石,对临床意义重大。