双源能谱纯化双能CT结合平扫图像对早期痛风诊断性能研究

邵秋，张琦，张萌，窦亚娜，暴云锋，陈英敏

1.河北北方学院 研究生学院，河北 张家口 075000；2.河北省人民医院 医学影像科，河北 石家庄 050000；3.西门子医疗系统有限公司，北京 100102

引言

痛风是一种因嘌呤代谢异常，尿酸生成增多或排泄减少，以致人体血尿酸水平异常升高，即高尿酸血症，长期持续的高尿酸血症将会引发尿酸单钠（Monosodium Urate，MSU）结晶析出，沉积于关节内外，在炎性因子的介导下发生关节炎。一项关于我国痛风流行病学调查研究表明，我国痛风患病率达0.03%～10.47%[1]。而痛风作为一种慢性病，长期反复发作可能会导致周围骨质破坏、关节畸形、功能丧失。对痛风的早期诊断及干预治疗是十分重要的。

随着影像技术的不断革新，双能CT（Dual-Energy CT，DECT）物质分离技术可以利用同一物质在不同能量X线下的衰减差异，在已知能量水平下某种物质的衰减吸收系数，将该物质识别并与其他物质分离开来。对于痛风而言，在后处理软件预设参数下，可将尿酸盐结晶或痛风石用绿色伪彩显示。目前，西门子第二、三代DECT设备添加了锡滤过器，实现了DECT能谱纯化，该技术可使高低能量差别增大，物质在高低能量下的衰减差别也相应增加，使特定材料鉴别能力得以提高[2]。DECT作为一种非侵入性的临床检查技术，其准确检测出痛风患者外周关节周围尿酸盐结晶沉积的能力[3]得到广大临床医师的认可。该诊断方法已纳入2015美国风湿病学会/欧洲抗风湿联盟（ACR/EULAR）痛风分类标准。

在一项荟萃分析中发现[4]，DECT有助于对痛风的诊断，并且有较高的诊断准确性，但对于在短期痛风持续时间（≤6周）的患者诊断的敏感性较低，敏感性只有0.55，而特异度为0.89。目前，已有相关DECT对早期痛风的研究[5-7]，主要包括DECT与超声诊断性能的比较、DECT对MSU检出局限性可能原因、探索提高DECT诊断性能的方式等，有研究通过DECT扫描获取的伪彩图联合等同于传统CT常规图像的CT平扫图像提高了对早期痛风的诊断性能[5]，但该研究所用设备为西门子第一代DECT，且无法实现能谱纯化。所以，本研究采用DECT能谱纯化技术，同时假设平扫CT（Non-Contrast CT，NCCT）图中未被伪彩标识的高密度沉积物可与DECT伪彩图联合对早期痛风MSU沉积做出诊断，我们将进一步调整DECT后处理软件中的最小衰减值，观察这些高密度沉积物的伪彩情况，探索该方法对早期第一跖趾关节痛风的诊断性能。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本文为回顾性研究，由于患者身份是匿名的，因此豁免研究对象的知情同意，并获得河北省人民医院伦理委员会的审查和批准。

选取河北省人民医院2017年2月1日至2021年6月4日共计480名患者因第一跖趾关节疼痛、肿胀等症状的门诊及住院的患者，见图1。收集早期痛风组患者是否为首次发作、症状持续时间及血清尿酸水平，电子病历中信息不全的患者，在申请单中查找提供的患者联系方式，与患者取得联系，跟患者说明缘由，在患者同意的前提下获取相关信息。

图1 患者纳入与排除流程图

1.2 纳入及排除标准

为了纳入信息相对完善且第一跖趾关节临床表现疑似或符合痛风的患者并排除已治疗及晚期痛风患者，规定了如下的纳入与排除标准。纳入标准：① 有症状的第一跖趾关节且临床表现疑似或符合痛风的患者；② 患者双足采用了规定的DECT扫描协议进行扫描。排除标准：① 第一跖趾关节有明确外伤史及其他非痛风病变；② 在体格检查中发现可触及的痛风石；③CT中发现有骨侵蚀征象的患者；④ 患者已经服用别嘌呤醇、非布司他、苯溴马隆等降尿酸药物的患者；⑤ 信息不全且无法联系的患者；⑥ 因患者运动导致图像质量欠佳者。

1.3 扫描及后处理

扫描设备采用西门子双源CT，扫描方式：患者足部扫描采取仰卧位，足先进，呈标准正位姿势，双足同时扫描。扫描参数：Flash CT相关参数如下：A球管管电压80 kV，有效电流230 mAs；B球管管电压Sn 140 kV，有效电流117 mAs，其中Sn表示使用锡滤波器。准直器40×0.6 mm，球管旋转时间1.0 s/r，螺距0.7，FOV 250 mm。Force CT相关参数如下：A球管管电压80 kV，有效电流114 mAs；B球管管电压Sn 150 kV，有效电流77 mAs，其中Sn表示使用锡滤波器。西门子双源CT通过添加锡滤过器实现能谱纯化。一方面，添加锡滤过器后可滤过对平扫图像贡献小的低能量光子，并且可以使高低能量之间重叠程度变小，即高低能量差别变大，物质在高低能量下的衰减差别也相应增加，进而提升材料鉴别能力；另一方面，在一项研究中表明，80/Sn150 kV组合较传统80/140 kV，优化图像质量，减少伪影，降低辐射剂量[3]。准直器128×0.6 mm，球管旋转时间0.5 s/r，螺距0.7，FOV 250 mm。重建层厚为0.75 mm和1.0 mm，卷积核为Q34s和Qr40。重建混合线性融合图，高低kV比例分别为0.4和0.5（Flash：40% 80 kV和60% Sn140 kV；Force：50% 80 kV 和50% Sn150 kV），即为NCCT图，相当于传统120 kV图像。然后高低kV图像导入后处理工作站痛风软件中（Gout, syngo.Via VB10,Siemens Healthineers，Erlangen，Germany），该软件根据物质鉴别原理，可以识别尿酸成分，伪彩图将尿酸显示为绿色，皮质骨为蓝色，即为DECT图像。软件中痛风相关参数设置：Flash CT如下：分别率4，最小值150 HU，碘比率1.36，空气距离5；Force CT如下：分别率4，最小值150 HU，碘比率1.40，空气距离5。

1.4 图像分析

由两名放射科医师在对患者临床资料不知情的情况下，分别进行单纯DECT及DECT+NCCT分析。在研究分析过程中，基于患者有症状的关节并非都是双足，所以我们设定单个关节即作为一个样本进行统计研究。每个符合要求的第一跖趾关节的观察范围设定为第一跖骨头及近节趾骨周围。在NCCT及DECT伪彩图中，首先，分别在轴位及失状位上将定位线移至第一跖趾关节面，并进行调整，使一条定位线尽可能与关节面平行，另一定位线与其垂直，然后，在冠状位上观察第一跖趾关节周围MSU沉积情况，可根据个人阅片习惯缩放图像大小，对DECT及NCCT图上的MSU分别进行半定量评分，并把阅片结果填写在四个半定量表中。针对无伪彩的高密度沉积物进一步调整DECT后处理软件中的最小衰减值，观察该沉积物的伪彩情况。其中绿色代表尿酸盐结晶，蓝色代表骨皮质、粉色代表骨小梁。评分标准[5]如下：

（1）DECT伪彩图评分标准：1分：不存在绿色编码的尿酸盐结晶；2分：存在绿色编码，但被视为伪影（如：皮肤伪影、金属伪影、光束硬化、运动伪影等）；3分：存在≤2个连续层面的绿色编码的尿酸盐结晶；4分：存在明确的绿色编码的尿酸盐结晶并且连续层面≥2个（注：DECT伪彩图上蓝色编码的视为阴性，需要记录标注。3分及4分视为阳性），见图2。

图2 DECT伪彩图评分示意图

（2） NCCT图评分标准：1分：不存在高密度影沉积物；2分：密度接近软组织密度；3分：可疑的且密度高于软组织密度，且具有模糊的形态；4分：明确存在的，类似于钙化的高密度影，形态明确（注：3分及4分视为阳性），见图3。

图3 NCCT图评分示意图

对于仅通过DECT分析只需要根据DECT规定的半定量评分进行评分，3及4分为阳性；而对于DECT及NCCT联合评分时，只要两者其中之一半定量评分为3或4分即为阳性。针对NCCT为阳性，但在伪彩图上未见显示的病灶，需进一步将最小衰减值由150降至120或100，显示蓝色视为阴性，绿色视为阳性，若仍无伪彩显示视为阳性（图4）。

图4 NCCT和DECT伪彩图评分示意图

1.5 统计分析

数据IBM SPSS Statistics 23.0软件进行统计。以2015年ACR/EULAR标准为金标准。使用配对资料McNemar检验比较早期痛风组两个阅片者的敏感性、特异度和准确性；基于半定量量表对DECT及NCCT结合DECT两组行ROC分析；观察者间的一致性采用Cohen’s Kappa (κ) 来评估。P<0.05视为有统计学差异。事后分析：在早期痛风组中，两种诊断方式出现的真阳性及假阴性病例进行重新审查，并对真阳性及假阴性病例的出现在临床和实验室表现（是否为首次发作、症状持续时间及检查DECT时血清尿酸水平）的相关差异进行分析，这是为了探索临床指标与DECT对MSU晶体检出能力的可能联系。

2 结果

2.1 一般资料

在PACS系统中，搜索设置为检查设备“CT”、检查部位“四肢”、检查项目“双足”，“足”指定区间2017年2月1日至2021年6月4日及诊断结果“尿酸”，模糊搜索。共筛选出612名患者，其中因第一跖趾关节行DECT检查者共480人，根据纳入与排除标准，最终纳入93名患者共118个关节，男112个关节（94.9%），女6个关节（5.1%），年龄中位数为42.5（31.0，54.3）岁。血尿酸平均浓度为（501.95±126.49）μmol/L。根据2015年ACR/EULAR标准，其中83个关节为早期痛风组，35个关节为非痛风组（图1）。早期痛风组与非痛风组在血尿酸浓度方面具有统计学差异（P=0.001），而在年龄、性别及症状持续时间方面均无统计学差异（P>0.05），见表1。

表1 研究对象的基本特征

2.2 敏感性、特异度及准确性

单纯通过DECT伪彩诊断早期痛风的敏感性及特异度，阅片者1分别为：62.7%、100%，阅片者2分别为：60.2%、100%；而NCCT结合DECT诊断早期痛风的敏感性及特异度，阅片者1分别为：77.1、97.1%，阅片者2分别为：73.5%、97.1%。其中敏感性及准确性两种诊断方法具有统计学意义（P<0.05）；因单纯DECT伪彩图中阳性病例在金标准中均为阳性，两种诊断方法特异度差异的P值无法明确计算，见表2。

表2 单纯DECT及NCCT结合DECT两种诊断方式的诊断性能及比较

我们发现了一例第一跖趾关节周围有一点状高密度沉积物，但是于最小衰减值设为150时，该高密度沉积物并没有彩色标识，将最小衰减值设为100时，该处标识为蓝色，结合当时的临床表现，最终归为非痛风组，见图5。

图5 NCCT 结合DECT 诊断早期痛风

2.3 ROC分析

单纯通过DECT伪彩诊断痛风ROC曲线下面积，两个阅片者分别为0.815、0.785，而NCCT结合DECT诊断痛风ROC曲线下面积，两个阅片者分别为0.863、0.847。

两名阅片人员单纯通过DECT伪彩诊断痛风的一致性很好（Kappa=0.965，P<0.001），两名阅片者通过NCCT结合DECT诊断痛风的一致性很好（Kappa=0.949，P<0.001）。

2.4 事后分析

在早期痛风组中，两种诊断方法假阴性病例均在尿酸浓度上有统计学意义，而与是否为首发及症状持续时间无统计学差异，见表3。

表3 早期痛风组内真阳性及假阴性病例与部分临床指标的差异

3 讨论

目前，痛风诊断金标准是通过关节抽吸证实尿酸盐结晶的存在。在痛风急性发作期，该方法的假阴性超过25%，且在小关节中并不实用[8]。DECT作为一种非侵入性诊断痛风的检查方法，其诊断早期痛风的敏感性并不高。本研究采用双源能谱纯化技术，发现单纯通过DECT诊断的敏感性与之前研究相比有所改善[5]，且DECT结合NCCT可提高了对第一跖趾关节受累的早期痛风患者的敏感性。

DECT对早期痛风敏感性不高的原因可能与其成像原理相关。DECT物质分离技术，即高低管电压下两种有效原子序数不同的物质会产生衰减差异，基于后处理软件中所设置的DECT比率截止值及密度截止值，使两种物质（尿酸盐及钙）显像。由于沉积物中尿酸盐结晶和钙是逐渐发生的，故两个截断值并不是固定的，即在NCCT图中的高密度沉积物是一个混合物，其内成分的不同会影响DECT软件分析结果[9]。所以，当尿酸盐结晶过小（直径<2 mm）或痛风石组分中尿酸盐结晶含量过低（<15%～20%）都会降低DECT对早期痛风的诊断敏感性[10-11]。

超声是诊断痛风的另一重要的影像学工具，在2015年痛风标准中，超声与DECT具有同样的权重。在一项荟萃分析中[6]，对于短期痛风（≤2年），超声诊断痛风的敏感性高于DECT。这是由于痛风所致沉积物主要包括三部分，即以尿酸盐结晶为主的核心区；中间由巨噬细胞等构成的致密晕环以及由纤维血管组织构成的外周[12]。超声可对这三部分显像，而单纯DECT伪彩只能使核心区尿酸盐结晶显像，DECT结合NCCT可扩大成像范围提高早期痛风的敏感性。

本次研究与之前相比，本研究发现单纯DECT伪彩图对早期痛风诊断敏感性仍不高但有一定程度改善。这可能与第二、三代DECT添加的锡滤过器具有较高的分离度有关。另外，本研究中NCCT结合DECT诊断早期第一跖趾关节痛风的特异度也有一定程度的改善。这可能与以下两个因素有关，一方面，第二、三代DECT锡滤过器可有效减少假阳性的发生，以往研究发现[13]，在80/Sn140 kV下，将最小衰减值为150时，块状伪影完全消失；并且第三代DECT具有更高的光谱分离度及精度[14-15]，一项队列研究中发现[9]，第三代DECT检查条件下，第一跖趾关节和髌骨肌腱的彩色编码DECT病变完全是MSU沉积。另一方面，本研究对NCCT图中未被伪彩标识的高密度沉积物调整了最小衰减值，分别在120、100下观察，观察其伪彩颜色。这样设置的优势在于它可显示结晶小（直径<2 mm）或含量低（<15%～20%）的尿酸盐结晶，而且仍可区分尿酸盐结晶与其他晶体，这是由于即便调整了最小衰减值，但尿酸盐结晶与其他晶体DECT的斜率依然存在差异[16]。这可在一定程度上减少NCCT结合DECT出现的假阳性率。

Strobl等[16]在研究中指出，当DECT后处理最小衰减值调至120时，DECT对痛风尿酸结晶检出率与超声检出率无差异。当然，当最小衰减值为120时，会出现较多的伪影，主要以块状伪影为主，这是因为肌腱、韧带和血管高密度软组织可编码为绿色所致。但是，在研究中，我们规定在最小衰减值调制120时，只针对我们之前在NCCT图中发现的高密度沉积物进行观察，不关注其他绿色伪彩部分，进而避免因为无法辨别伪彩而导致的假阳性的出现。

在早期痛风组真阳性及假阴性事后分析中，两种诊断方法假阴性病例均在尿酸浓度上有统计学意义，本次实验数据提示早期痛风患者尿酸浓度偏高时，可能会降低DECT对MSU结晶的检出，这与以往研究结果有所不同[4,17]。处于痛风急性发作期时，由于尿酸从血液中析出沉积于关节、关节疼痛使肾上腺皮质激素及炎性因子增多促进尿酸排泄等因素，可降低此期的血尿酸浓度[18]。我们推测本实验结果可能前者有关，即患者急性发作时，DECT检测到尿酸盐结晶，表示尿酸析出并沉积于关节，此时血尿酸水平可能在一定程度上减低，而未检出到者血尿酸浓度偏高。

本研究具有以下局限性：① 本研究样本量较少及回顾性研究，可能存在数据收集的偏倚；② 本研究的研究对象都需要进行CT扫描检查，并未统一使用同一设备，但两台设备都含有锡滤过器；③ 我们使用的NCCT图并非真正传统CT图像；④ 本研究收集的数据只涉及一个机构。

4 结论

综上所述，DECT能谱纯化技术条件下，DECT伪彩图结合NCCT对第一跖趾关节受累的早期痛风患者具有较高的诊断性能。对NCCT图中无伪彩高密度沉积物进一步调整最小衰减值进行伪彩情况观察为临床医师对部分疑似痛风患者做出诊断提供参考依据。