单源双探测器能谱CT合成的单能级图像对下腔静脉成像质量的影响

邹 颖，王世伟，李 涛，陈 科，张兴华，罗春材，杨 立

1中国人民解放军总医院海南医院放射科，海南三亚 572013 2中国人民解放军总医院放射科，北京 100853 3飞利浦医疗保健，上海 200233

下腔静脉CT成像是一种无创显示下腔静脉疾病的检查方法，分为直接法和间接法，直接法具有操作复杂、下腔静脉内对比剂浓度高、形成线束硬化伪影等缺点，间接法具有对比剂浓度低、对比度差等缺点，两种方法的成像质量均不稳定。单源双层探测器能谱CT成像可以重建出不同能级的单能量图像，优化下腔静脉成像质量，在某一个能量水平能够达到信号-噪声比(signal to noise ratio，SNR)、对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)与图像噪声之间的最佳平衡(最佳单能级)。本研究探讨了双层探测器能谱CT合成的单能级图像对下腔静脉成像质量的影响，以期寻找下腔静脉成像质量最佳的单能级图像。

对象和方法

对象2019年3月1日至20日在中国人民解放军总医院海南医院放射科做腹部CT增强检查的患者，排除标准：(1)肾功能不良(肾小球滤过率<60 ml/min)；(2)对碘对比剂过敏。共39例患者入选，其中，男18例，女21例，平均年龄(48.5±10.6)岁(40～79岁)。本研究经中国人民解放军总医院海南医院伦理委员会批准，所有患者均签署了知情同意书。

能谱CT检查腹部CT增强检查在单源、双层探测器的能谱CT(IQon CT，Philips N.V.)进行。扫描范围从膈顶到盆腔入口处，扫描包括平扫、动脉期、门脉期及延迟期。扫描前用22G套管针穿刺肘静脉。对比剂使用碘帕醇(320 mg/ml)以3 ml/s速度注入60 ml，然后注入30 ml生理盐水。动脉期于注射对比剂28 s后进行扫描，门脉期于注射对比剂70 s后进行扫描，延迟期于注射对比剂后3 min进行扫描。扫描模式使用能谱CT采集模式，扫描参数包括：准直器宽度64×0.625 mm；探测器宽度40 mm，球管转速750 ms，螺距 0.92，管电压120 kVp，自动管电流，层厚0.625 mm。扫描后原始数据被重建成常规的120 kVp的混合能量图像(idose 3迭代重建方式)和能谱为基础的图像(spectral based image，SBI)(采用spectral 3重建方式)，重建层厚1 mm，所有重建图像传到后处理工作站(IntelliSpace Portal，Philips Healthcare)进行后处理。

数据的测量数据的测量在延迟期图像上进行。选择的感兴趣区(region of interest，ROI)大小和位置在常规的120 kVp的混合能量图像与能谱单能量图像完全一致。ROI位于肾静脉水平下方的下腔静脉，圆形ROI位于下腔静脉中央，大小约35 mm2，避免碰到下腔静脉边缘。另一圆形ROI放置在同层面的腰大肌，大小约60 mm2，分别在常规120 kVp的混合能量图像上及40、50、60、70 keV的单能量图像上测量。测量下腔静脉CT值，同层腰大肌的CT值(单位HU)(图1)。噪声定义为下腔静脉CT值的标准差。SNR定义为下腔静脉的CT值除以噪声。CNR定义为(下腔静脉CT值-同层腰大肌CT值)/噪声。分别比较40～70 keV各单能量组图像下腔静脉CT值、噪声、SNR、腰大肌CT值、CNR与常规混合能量组的差别，并将5组各个客观评价指标进行两两比较，筛选出显示下腔静脉的最佳单能级图像。

图1同层面混合能量及40～70 keV单能级图像下腔静脉及腰大肌CT值
Fig1CT values of inferior vena cava and psoas major muscle in conventional mixed energy images and 40-70 keV single energy images at the same level

统计学处理采用SPSS 19.0统计软件，符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，5组间CT值、噪声、SNR和CNR的差异比较采用方差分析，两两比较采用LSD-t检验(方差齐)和Dunnett检验(方差不齐)，P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

各组下腔静脉CT值比较常规混合能量组，40、50、60、70 keV单能量组的下腔静脉CT值分别为(84.97±12.81)、(191.26±42.58)、(135.38±26.35)、(102.32±17.16)、(83.09±11.44)HU，差异有统计学意义(F=129.331，P<0.001)，其中，40(P<0.001)、50(P<0.001)、60 keV单能量组(P<0.001)的CT值均明显高于常规混合能量组，70 keV单能量组与常规混合能量组差异无统计学意义(P=0.999)。

各组噪声值比较常规混合能量组，40、50、60、70 keV单能量组的噪声值分别为18.64±3.59、17.21±4.09、16.36±3.57、15.94±3.33、15.73±3.21，差异有统计学意义(F=4.300，P=0.002)，其中，50(P=0.005)、60(P=0.001)、70 keV单能量组(P<0.001)的噪声值明显低于常规混合能量组，40 keV单能量组与常规混合能量组差异无统计学意义(P=0.078)，40和50 keV单能量组间差异也没有统计学差异(P=0.295)。

各组SNR比较常规混合能量组，40、50、60、70 keV单能量组的SNR值分别为4.78±1.38、11.87±4.13、8.76±2.80、6.77±2.05、5.55±1.55，差异有统计学意义(F=47.269，P<0.001)，其中，40(P<0.001)、50(P<0.001)、60 keV单能量组(P<0.001)的SNR值均明显高于常规混合能量组，70 keV单能量组与常规混合能量组间差异无统计学意义(P=0.207)；40 keV单能量组明显高于50(P=0.000)、60(P<0.001)、70 keV单能量组(P<0.001)。

各组腰大肌CT值比较常规混合能量组，40、50、60、70 keV单能量组的腰大肌CT值分别为(57.62±5.46)、(79.69±10.24)、(69.35±6.60)、(63.24±4.77)、(59.60±3.99)HU，差异有统计学意义(F=71.303，P<0.001)，其中，40(P<0.001)、50(P<0.001)、60 keV单能量组(P<0.001)的腰大肌CT值均明显高于常规混合能量组，70 keV单能量组与常规混合能量组差异无统计学意义(P=0.513)，70 keV单能量组明显低于60 keV单能量组(P=0.005)。

各组CNR值比较常规混合能量组，40、50、60、70 keV单能量组的CNR值分别为1.59±0.94、7.00±3.15、8.08±2.51、2.64±1.35、1.62±0.92，差异有统计学意义(F=95.773，P<0.001)，其中，40、50 keV单能量组的CNR明显高于其他组(P均<0.001)，40和50 keV单能量组间差异无统计学意义(P=0.630)，常规混合能量组和70 keV单能量组差异无统计学意义(P=1.000)。能谱曲线显示40 keV时下腔静脉与腰大肌的对比最好(图2)。

图2能谱曲线，S1蓝色曲线-腰大肌，S2紫色曲线-下腔静脉
Fig2Energy spectrum curve，S1 blue curve represents psoas major muscle，and S2 purple curve represents inferior vena cava

讨 论

下腔静脉内的病变虽然不多，但也时常会遇到，如布-加综合征、下腔静脉内血栓形成、下腔静脉肿瘤等，但由于下腔静脉成像的成功率不高，因而是困扰影像科医师的一个难题。下腔静脉成像包括直接法和间接法。间接法是由上肢静脉注射高浓度对比剂，通过患者的血液循环进入下肢深静脉从而显影[1]。这种方法相对简单，只需要在患者一侧肘静脉注射对比剂即可，缺点是下腔静脉内对比剂浓度低、图像对比差，不利于病变的显示。直接法是双侧足背静脉注射对比剂。这需要在双侧足背静脉留置20G的套管针，使用双筒高压注射器向双侧足背静脉内同时注入对比剂和生理盐水的混合液[2]。直接法虽然使下腔静脉对比度有所提高，但操作过程复杂，对患者损害较大，需要穿刺双下肢静脉，影响成像因素较多[3]。比如下腔静脉内对比剂浓度过高造成的线束硬化伪影、对比剂层流的影响和扫描方向的影响等。此外，对于下腔静脉血栓的患者，直接法在实施对比剂注射的过程中存在血栓脱落的危险性[4]。双探测器能谱CT的出现可以克服直接法、间接法下腔静脉成像的缺点，提高下腔静脉成像的质量。

能谱CT 1次检查就可以提供常规的混合能量影像及单能级影像，使用不同的CT扫描仪，能谱CT的原理不尽相同。双源双能量CT采集技术是通过两套管球和探测器系统以不同的管电压(140、100 kV)进行双能量成像。宝石能谱CT是通过快速切换X线管球发出的kVp(140、 80 kVp)，能谱栅成像技术获得单能量成像及能谱分析。本研究所采用的单源双层探测器能谱CT提供了一种新的双能量成像方法，即在探测器水平上进行光谱分离，使用立体双层探测器，上层以钇为基础的探测器探测低能级的光子，下层以硫氧化钆为基础的高速稀土陶瓷探测器探测高能级的光子，从而区分一束X射线中的高、低能量数据，实现了“同时、同源、同向”的能谱成像。双层探测器能谱CT除了为每名患者创建常规混合能量图像以外，还利用投影-空间分解技术生成不同单能级图像，这些不同单能级图像在临床应用中具有不同的优势，例如提高血管内对比剂的对比度，提高病变的清晰度，减少辐射剂量等[5]。双层探测器能谱CT最大的优势在于能够有效地校正重建的单能级图像的线束硬化伪影和缩减噪声[5-6]。一般来说，能谱CT单能级图像的噪声也会随着能级的降低而升高，超过常规混合能量的噪声。但是双层探测器能谱CT依靠其特有的能谱重建算法克服了这一限制[6]。本研究结果也证实了这一点，即使用最低的40 keV能级，图像噪声仍低于常规混合能量图像。

能谱CT在肿瘤中的应用较多，有学者使用双源CT双能量成像技术及宝石快速切换kVp能谱CT技术探测小肝癌、胰腺肿瘤及甲状腺癌的淋巴结转移[7-9]。还有学者使用双源CT双能量成像对心肌图像质量进行评价[10]。能谱CT在血管研究中用于动脉的研究比较多。Albrecht等[11]使用双源CT双能量成像评价腹部血管的图像质量。Raju等[12]使用快速切换kVp的能谱CT技术进行冠状动脉CT成像，他们的研究发现能谱CT可以减低2.3倍的碘负荷。Lee等[13]使用快速切换kVp的能谱CT技术用于肺动脉的研究发现，与混合能量CT相比，70 keV单能影像能够降低图像噪声，获得相同的CNR，碘负荷可以缩减两倍。还有学者使用快速切换kVp的能谱CT技术用于胃动脉的研究[14]。有少量文献报道使用快速切换kVp的能谱CT技术研究布加综合征患者单能级对于下腔静脉、肝静脉影像质量的影响[15]。然而，尚没有见到使用单源双层探测器能谱CT技术对于下腔静脉影像质量研究的报道。本研究采用单源双层探测器能谱CT间接法成像下腔静脉，在注射对比剂后3 min成像，结果发现40 keV获得的图像SNR最高，远高于常规混合能量图像及50、60、70 keV能级的图像；CNR远高于常规混合能量的图像及60、70 keV能级的图像，与50 keV能级获得的图像CNR没有差异；噪声低于常规混合能量组，高于50 keV组，但都没有达到统计学差异。因此，使用单源双层探测器能谱CT间接法成像下腔静脉，40 keV是最佳单能级图像，既可以克服常规间接法下腔静脉内对比剂浓度低、对比度差的缺点，又可以克服直接法操作复杂、下腔静脉内对比剂浓度高造成的线束硬化伪影、层流等缺点，是下腔静脉成像、观察下腔静脉疾病的行之有效的方法。

本研究的局限性在于其仅仅是单源双层探测器能谱CT对下腔静脉成像质量的方法学探索，并没有对下腔静脉血栓、下腔静脉肿瘤、布加综合征、下腔静脉闭塞等疾病进行研究。随着病例的进一步搜集及完善，我们将在今后的工作中补充对下腔静脉疾病的研究。

综上，本研究评估了双层探测器能谱CT合成的单能级图像对下腔静脉成像质量的影响，结果发现40 keV单能级图像能够很好地平衡影像噪声、SNR和CNR，是下腔静脉成像的最佳单能级图像。今后我们还将改变对比剂的浓度、对比剂的流速结合能谱CT进一步改善下腔静脉的成像质量，并进行更低剂量的下腔静脉能谱CT图像采集的研究。