辐射剂量和机型对瞬时kVp切换单源双能CT物质分离技术肝脏铁与脂肪定量评估的影响

谢婷婷， 曾建奇， 石桥， 黄嵘， 冯飞， 成官迅， 郭金

肝脏铁沉积、脂肪沉积的定量测定可分别用于诊断肝血色病、脂肪肝，提示病程进展、评估临床疗效，并对肝硬化结节的癌变起一定提示作用[1-3]。传统CT通过CT值的升高、降低分别反映肝脏铁沉积、脂肪沉积的情况，但在肝脏脂肪变性、钙、糖原、铁、铜沉积等同时存在或多种存在的情况下，传统单能量CT无法做到某一特异的物质分类和物质区分。如何区别具有相同CT值的不同物质成分、如何在多种混合物质成分里计算出某一特定物质成分浓度 (如铁浓度，脂肪浓度)，对于疾病的诊断、临床疗效评估至关重要。双能CT是解决以上问题的有效方法[4-5]，且近年来在临床中开始发挥作用，但同时带来的相对较高电离辐射也越来越引起公众和学者的关注[6]，且随着高分辨CT的发展出现了不同机型的双能CT，不同机型的单源双能CT(256-MDCT即Revolution CT，GE healthcare,U.S.A与64-MDCT即Discovery CT 750HD;GE Healthcare，U.S.A)在铁定量、脂肪定量的准确性是否一致也值得探讨。本研究利用瞬时kVp切换单源双能CT物质分离技术对肝脏铁沉积、肝脏脂肪沉积体模进行扫描，研究辐射剂量、机型对肝脏铁沉积、肝脏脂肪沉积定量测定的影响，旨在为临床低辐射剂量CT扫描情况下定量测定肝脏铁、脂肪沉积奠定基础，并探讨不同机型对肝铁、脂肪定量的影响。

材料与方法

1.体外模型的制作

取20只正常SD大鼠，解剖并分离大鼠肝脏，冲洗后剪碎、分装，置于4 mL聚氯乙烯(polyvinychlorid,PVC)管中，置于匀浆机中匀浆。重复匀浆操作，直至新鲜肝组织全部制成匀浆，备用。

肝脏铁沉积模型的制作：将右旋糖酐铁[丹麦Pharmacosmos公司，规格2 mL:100 mg(Fe)]与蒸馏水配比为以下浓度50.000、25.000、12.500、6.250、3.125、0 mg/mL，以上浓度溶液各2 mL，与2 mL肝组织匀浆液混合，置于规格为4 mL的PVC管中，用悬浮震荡仪充分震荡、使样本呈均匀外观，以上样本静置6 h以上不分层则认为模型制作成功。

肝脏脂肪沉积模型的制作：准备5支4 mL的PVC管，每管加入正常大鼠肝脏匀浆液，再加入体积百分比分别为100%、60%、30%、10%、0%的纯甘油三酯(橄榄油Olivoila，Fat含量：100.0 g/100 g)，保持各管总体积为4 mL。用悬浮震荡仪充分震荡、使样本呈均匀外观，以上样本静置6 h以上不分层则认为模型制作成功。

2.扫描步骤

应用256-MDCT(Revolution CT，GE healthcare,U.S.A)，按以下步骤进行扫描：①按照铁浓度从高到低顺时针顺序将盛满右旋糖酐铁混合液的PVC管置于GE公司标准体模内(体模内含9个凹槽，外周8个中央1个，将盛满右旋糖酐铁混合液的PVC管按顺时针顺序置入体模中外周凹槽内)，开始扫描。②待肝脏铁沉积模型扫描结束后，按照脂肪体积比从低到高顺时针顺序将盛满脂肪-肝脏匀浆混合液的PVC管置于GE公司标准体模中外周凹槽内，开始扫描。③扫描参数如下:管电压80、140 kVp瞬时切换；管电流分别为200、320、485 mA；相应CT容积剂量指数(CT dose index，CTDIvol)分别为4.88，8.21，12.64 mGy；转速为0.5 r/s，视野250 mm×250 mm，重建层厚/间距1.25 mm，螺距0.984 mm，重建函数为STND(此处无全称，是机器上的一种重建方法，如STND，SOFT，STND代表的是标准算法重建，SOFT代表的是软组织算法，BONE代表的是骨算法)，全模型迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction-V,ASiR-V)设为0。在3组管电流下分别对肝脏铁沉积体模、肝脏脂肪沉积体模扫描，共获得6组图像。

应用64-MDCT(Discovery CT 750HD;GE Healthcare)对上述肝脏铁、脂肪沉积体模进行扫描，管电流为375 mA、相应CTDIvol为12.92 mGy，余扫描参数与Revolution CT设置一致。以1.25 mm进行无间隔标准算法分别重建铁(水)、脂肪(水)基物质图像，自适应统计迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction,ASiR)设为0，共获得2组图像(图1、2)。

3.数据测量

所有原始数据传至ADW 4.6工作站，利用GSI general MD analysis软件进行后处理分析，对肝脏铁沉积体模、重建铁(水)为基物质对图像，对肝脏脂肪沉积体模、重建脂肪(水)为基物质图像。于体模内各PVC管中心区画圆形的感兴趣区(region of interest，ROI)各3个，ROI直径为6 mm、面积为28.26 mm2，记录后取其平均值为虚拟铁浓度值(virtual iron concentration, VIC)、虚拟脂肪浓度值(virtual fat concentration, VFC)，纳入数据库。

4.数据分析

使用SPSS 20.0软件进行数据分析。①先对256-MDCT各组CTDIvol下的VIC与LIC、VFC与LFC分别进行相关性分析以验证256-MDCT 的VIC、VFC分别用于肝铁定量测定、肝脂肪定量测定的可行性；②再对3组CTDIvol下VIC、VFC 分别进行单因素方差(ANOVA)分析，以探讨不同辐射剂量对VIC、VFC的影响。 ③然后对64-MDCT的VIC与LIC、VFC与LFC分别进行相关性分析以验证64-MDCT的VIC、VFC分别用于肝铁定量测定、肝脂肪定量测定的可行性；④最后对比256-MDCT辐射剂量为12.64 mGy组、64-MDCT辐射剂量为12.92 mGy组，VIC、VFC的相关性。

结 果

铁定量测定组:ANOVA分析显示256-MDCT 3组CTDIvol，VIC的组间差异P=0.993，明显>0.05(F=0.007)，组间差异无统计学意义。

脂肪定量测定组：ANOVA分析显示256-MDCT 3组CTDIvol，VFC的组间差异P=0.976，明显>0.05(F=0.024)，组间差异无统计学意义(表1)。

表1 不同辐射剂量下两组模型组间差异

256-MDCT组CTDIvol为12.64 mGy下与64-MDCT组CTDIvol为12.92 mGy下，两组铁沉积模型VIC与LIC均呈高度正相关，相关系数r分别为0.998(P=0.000)、0.998(P=0.000)， 256-MDCT组12.64 mGy下拟合铁的线性方程为y=2.179x-2.923(R2=0.996，P=0.000，F=1112.086)， 64-MDCT组12.92 mGy下拟合铁的线性方程为y=2.714x+16.971 (R2=0.996，P=0.000，F=1289.297)；两组脂肪沉积模型VFC与LFC均呈高度正相关，相关系数r分别为1.000(P=0.000)、1.000(P=0.000)。256-MDCT组12.64 mGy下Fat线性方程：y=0.064x+23.44 (y为LFC，x为VFC，R2=0.868，P=0.014，F=27.375)；64-MDCT组12.92 mGy下Fat线性方程：y=0.09x-60.442(R2=0.994，P=0.002，F=473.162，表2，图3、4)。

图1 GSI viwer视图下肝脏铁沉积模型铁物质图像，体模内6个试管按顺时针顺序依次为铁浓度50.000、25.000、12.500、6.250、3.125、0mg/mL的大鼠肝脏匀浆液(图中箭号所指的试管为铁浓度50.000mg/mL的大鼠肝脏匀浆液)。a) 辐射剂量4.88mGy; b) 辐射剂量8.21mGy; c) 辐射剂量12.64mGy。图2 GSI viwer视图下肝脏脂肪沉积模型铁物质图像，体模内6个试管按顺时针顺序依次为体积百分比分别为0%、10%、30%、60%、100%的大鼠肝脏匀浆液和水(图中箭号所指的试管为脂肪体积比为0%的大鼠肝脏匀浆液)。a) 辐射剂量4.88mGy; b) 辐射剂量8.21mGy; c) 辐射剂量12.64mGy。

表2 相近辐射剂量下两组模型LFC与VFC相关性结果比较

讨 论

在如肝血色病、病毒性肝炎、肝硬化等肝脏慢性疾病中，存在铁沉积，且在铁沉积的基础上常常伴有不同程度的脂肪变性，而酒精性、非酒精性、药物性脂肪肝也常常伴有不同程度的肝脏铁沉积[7]。在常规单能CT扫描图像上，铁沉积造成肝实质的CT值增加，CT值>72 HU提示肝脏铁沉积可能；而脂肪沉积时肝实质密度减低，因此，肝脏铁沉积和脂肪沉积同时存在的情况下，常规CT扫描的诊断准确性下降、可能存在漏诊、高估或低估肝脏铁沉积、脂肪沉积的可能。

双能量CT是利用物质在不同X线能量下吸收能力不同来提供比常规CT更多的成像参数和信息，不仅能显示形态学的改变，而且可以量化反映组织在能量学范畴的差异，提供诸多反映病灶本质特征的量化指标[8，9]。双能CT通过一次扫描可得到80 kVp和140 kVp两种能量的影像，依据物质在不同kVp下线性衰减系数存在差别，原子序数越大的物质在两种能量条件下的CT值相差越大，以此来区分不同物质[10]。本研究中双能CT物质的定量测定利用物质分离技术，理论上讲任意物质的衰减曲线可用另外两种其他物质的衰减来表达，这另外两种其他物质成为基物质对，基物质对不代表确定物质的真实物理组成，而是通过这两种基物质的组合来产生相同的衰减效应，故能对所需检查物质成分的一种相对的表达，它更多是用来分离不同的物质，而不是确定某种物质[11]。Goldberg等[12]对血色病狗模型的肝脏进行双能CT(80/120 kVp)扫描，同时设计一系列梯度浓度的右旋糖酐铁溶液体模，获得铁浓度与双能量CT差值的线性关系，由此换算出狗模型肝脏中的测量铁含量，并与肝穿刺活检结果进行相关性分析，结果显示一致性很好(r=0.99)。此后，双能CT作为一种新型、无创性定量测定肝脏铁含量的方法引起广泛关注。Fischer等[13]的离体研究证明应用双能CT物质分离法，研究对以不同比例混合的脂肪和铁溶液[脂肪含量分别为轻(10%)、中(30%)、重度(50%)，铁含量20,60,100,200,400,800 umol/g]的体模进行双能量扫描后测定铁含量，结果显示该方法可以特异性反映肝脏铁含量，实现铁含量的准确测量。

图3 不同机型、相似辐射剂量下肝脏铁沉积模型LIC与VIC相关性。图4 不同机型、相似辐射剂量下肝脏脂肪沉积模型LFC与VFC相关性。图5 不同辐射剂量下肝脏铁沉积模型LIC与VIC线性关系。图6 不同辐射剂量下肝脏脂肪沉积模型LFC与VFC线性关系。

本研究采用瞬时kVp切换单源双能CT物质分离技术对肝脏铁沉积体模、肝脏脂肪沉积体模进行研究，结果显示256-MDCT的VIC与LIC呈高度正相关，VIC可用于定量反映LIC；且3组不同CTDIvol下VIC无统计学差异，提示辐射剂量不影响VIC的测值、低辐射剂量下VIC仍可准确地定量反映LIC。考虑原因为X射线谱分为连续谱和标识谱，在管电压>70 kVp时，入射电子流与靶原子核内层电子发生相互作用，内层电子被击飞，留下空位，高能级电子向下跃迁，释放X光子，主要产生标识X射线谱，此时X射线的硬度会明显增加，X射线的硬度大小可以间接由管电压决定[14]；此时管电压保持80、140 kVp瞬时切换，故X射线的硬度保持不变，对测值无影响。本研究的意义在于为今后临床低辐射剂量下的双能量CT肝脏铁定量测定奠定基础。

本研究采用256-MDCT和64-MDCT分别对铁沉积模型、脂肪沉积模型进行扫描及铁定量测定、脂肪定量测定(CTDIvol分别为12.64 mGy、12.92 mGy)，结果显示256-MDCT与64-MDCT铁定量评估VIC与LIC的相关性无差异(相关系数r=0.998，P=0.000)，两个机型在脂肪定量评估VFC与LFC的相关性无差异(相关系数r=1.000，相应P=0.000)；提示256-MDCT和64-MDCT的VIC、VFC均可分别用于定量反映肝脏铁沉积、肝脏脂肪沉积，且均具有较高的准确性。

随着CT、MR无创性肝脏铁、脂肪含量测定方法的不断发展，特别是双能CT物质分离技术，能达到肝铁、脂肪含量准确量化测定的目的；肝脏铁含量定量测定对肝血色病、长期输血铁过载患者病情程度的判断、治疗方案的选择和去铁治疗疗效评价均具有重要意义；肝脏脂肪含量定量测定在不同脏器脂质代谢性疾病(如脑、乳腺、骨骼)中具有广泛应用前景。本研究通过体模实验，得出辐射剂量、机型均不影响双能CT物质分离技术肝脏铁、脂肪沉积的定量测定，为今后临床低辐射剂量CT扫描下测定肝脏铁、脂肪沉积奠定基础。