能谱CT低浓度对比剂最佳单能量成像显示胃肠道恶性肿瘤供血动脉的研究

田士峰 TIAN Shifeng

刘爱连 LIU Ailian

刘静红 LIU Jinghong

陈安良 CHEN Anliang

李 烨 LI Ye

刘义军 LIU Yijun

能谱CT低浓度对比剂最佳单能量成像显示胃肠道恶性肿瘤供血动脉的研究

田士峰 TIAN Shifeng

刘爱连 LIU Ailian

刘静红 LIU Jinghong

陈安良 CHEN Anliang

李 烨 LI Ye

刘义军 LIU Yijun

作者单位
大连医科大学附属第一医院放射科 辽宁大连 116011

目的 探讨能谱CT低浓度对比剂最佳单能量成像技术对胃肠道恶性肿瘤供血动脉血管成像质量的影响，以期合理降低对比剂浓度，减少对比剂不良反应的发生率。资料与方法 前瞻性将71例经能谱CT扫描、体重指数＞25 kg/m2的胃肠道恶性肿瘤患者分成两组，高浓度对比剂常规扫描组：33例，对比剂浓度350 mgI/ml；低浓度对比剂能谱成像组：38例，对比剂浓度270 mgI/ml。机器生成动脉期最佳单能量图像，比较两组肿瘤细小供血动脉图像的主观质量评分、肿瘤细小动脉CT值、图像噪声、对比噪声比（CNR）及容积CT剂量指数（CTDIvol）。结果 低浓度组最佳单能量keV值为51～60 keV。低浓度组肿瘤细小供血动脉图像质量主观评分高于高浓度组（Z=－4.280，P＜0.01），2名观察者对两组图像的评价结果一致性很好（Kappa=0.824、0.843，P＜0.05）。2名观察者获得两组的肿瘤细小供血动脉的CT值、右侧竖脊肌的CT值、图像噪声与CNR的结果一致性均良好（ICC高浓度组=0.998、0.968、0.959、0.990，ICC低浓度组=0.988、0.981、0.969、0.937）。低浓度组肿瘤细小供血动脉CT值、CNR均高于高浓度组，图像噪声低于高浓度组，差异均有统计学意义（t=－14.937、4.263、－17.264，P＜0.01）；两组CTDIvol差异无统计学意义（t=1.278，P＞0.05）。结论 对于高体重指数患者，能谱CT低浓度对比剂最佳单能量成像技术能够提高胃肠道恶性肿瘤供血动脉血管成像的图像质量，且不增加辐射剂量。

胃肠肿瘤；体层摄影术，X线计算机；血管造影术；造影剂；血药浓度；图像处理，计算机辅助

目前CT血管成像（CTA）已逐步成为胃肠道恶性肿瘤术前常规检查，可以明确肿瘤供血动脉的相关信息并有效指导手术。影响CTA图像质量的重要因素是血管内的碘含量，而对比剂浓度、用量及注射速度与血管内碘含量密切相关。随着CT技术的发展以及人们防护观念的提高，对比剂引起的不良反应如对比剂肾病（contrast media induced nephropathy，CIN）日益受到重视。如何在尽可能降低对比剂不良反应的前提下，以最小对比剂用量达到最佳强化效果[1]，是目前影像及临床医师密切关注的热点，也是CTA检查技术普及所面临的问题。关于对比剂用量与注射速度对腹部CTA图像质量的影响已有相关报道[2]，有研究[3]证实能谱CT最佳单能量成像可以提高腹部恶性肿瘤供血动脉CTA的图像质量，并可以优化肿瘤细小供血动脉的显示。然而，在降低对比剂浓度的前提下，应用能谱CT最佳单能量成像对肿瘤供血血管CTA图像质量影响的研究鲜有报道。本研究拟探讨能谱CT低浓度对比剂最佳单能量成像技术对胃肠道恶性肿瘤供血动脉CTA图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1 研究对象 前瞻性收集2013年3—12月大连医科大学附属第一医院胃肠外科临床怀疑胃肠道恶性肿瘤并行能谱CT检查的患者。纳入标准：①体重指数（BMI）＞25 kg/m2；②无胃肠道手术史；③呼吸状态平稳，不影响正常屏气；④无影响正常血液循环状态的心脏疾病；⑤无碘对比剂使用禁忌证。纳入84例患者，13例因出现转移未能手术被剔除，将71例经手术及病理证实的胃肠道恶性肿瘤患者根据扫描时间分为两组，2013年3—8月33例纳入高浓度组，2013年9—12月38例纳入低浓度组。本研究经我院伦理委员会审批同意，所有患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 所有患者检查前3 d内禁服重金属药物，进低渣饮食；检查前15～30 min嘱患者饮清水800～1000 ml，检查时再服200～300 ml清水，使胃充盈；扫描前15 min经皮下注射山莨菪碱20 mg，扩张肠管，减少肠蠕动。采用GE Discovery HD750能谱CT机，扫描范围自膈顶至耻骨联合下缘。两组均采用对比剂智能跟踪技术（Smart Prep），感兴趣区（ROI）置于右肾门水平的腹主动脉，注射对比剂10 s后开始监测，CT值达150 HU后自动触发动脉期扫描。扫描参数：螺距1.375，螺旋扫描速度0.8 s/周，探测器宽度4 cm；自动毫安调制，噪声指数为10，扫描层厚及层间隔5 mm。图像重建均采用标准算法，重建层厚及层间隔1.25 mm。高浓度组为高浓度对比剂常规扫描组，管电压120 kV，先行常规全腹平扫，然后采用双筒高压注射器经肘静脉注射浓度为350 mgI/ml的欧乃派克对比剂（通用电气药业，中国上海）；低浓度组为低浓度对比剂能谱成像（GSI）组，管电压140 kV和80 kV瞬时（0.5 ms）切换，首先获得全腹平扫图像，后采用双筒高压注射器经肘静脉注射浓度为270 mgI/ml的威视派克对比剂（通用电气药业，中国上海）。两组对比剂注射量均为100 ml，注射速度5.0 ml/s，对比剂注射完毕后，以同样速度注射生理盐水20 ml。

1.3 图像后处理 将原始数据传送至AW 4.5工作站，对两组图像的动脉期薄层数据进行处理及分析。采用工作站浏览器直接处理和分析高浓度组图像；应用GSI Viewer 2.0软件包分析低浓度组图像。首先在横断面图像的胃肠道恶性肿瘤供血动脉一级分支开口处取ROI，并取同层面正常的胃壁或肠壁（避开明显强化的黏膜层）作为对比，应用能谱CT最佳对比噪声比（CNR）技术获得显示该肿瘤供血动脉的最佳单能量水平（图1），同时保存并记录该单能量水平数据，获得最佳单能量图像。

图1　男，54岁，胃底贲门腺癌。在腹腔干开口处放置ROI，以同层正常胃壁为背景（A），得到最佳keV曲线，其最佳keV值为55 keV（B）

1.4 图像分析

1.4.1 主观评价 由2名分别有5年和10年CT诊断经验的放射科医师和主治医师（观察者1、2）对肿瘤细小供血动脉（管径1.5～3.0 mm的肿瘤供血动脉二级分支以上的血管）的图像质量进行评分。应用薄层最大密度投影（thin slice maximum intensity projection，TSMIP）、容积再现（VR）以及曲面重组（CPR）技术对两组图像的肿瘤细小供血动脉进行重建及全方位观察。由2名观察者采用盲法对两组显示肿瘤细小供血动脉的CTA图像质量进行主观评分，评分标准：①4分：细小供血动脉主干（即终末分支以上1～2级分支）显示清晰，血管边缘锐利、光滑，显示终末分支（即供血动脉最末端贴近肿瘤的小分支）完整；②3分：细小供血动脉主干显示清晰，终末分支显示较淡；③2分：细小供血动脉主干显示较淡，终末分支模糊不清；④1分：细小供血动脉主干显示浅淡，仅能分辨其走行，终末分支不能显示；⑤0分：细小供血动脉主干未显示，血管结构不能分辨。

1.4.2 客观评价 2名观察者在横断面图像上分别测量两组图像肿瘤细小供血动脉的CT值、右侧竖脊肌CT值以及图像噪声，并根据公式（1）计算CNR[4]，同时记录两组患者的容积CT剂量指数（CT dose index，CTDIvol）。

CNR作为评价两组图像肿瘤细小供血动脉成像质量的客观指标，其中ROIO为肿瘤细小供血动脉的CT值，测量时ROI放置于肿瘤细小供血动脉主干起始端，ROI面积约占血管截面的2/3，若肿瘤存在1支以上的供血动脉，则选择优势供血动脉进行测量（即有较多分支分布于肿瘤的供血动脉）；ROIm为同层面右侧竖脊肌的CT值，ROI面积约为2.0 cm2；SDn为同层面前腹壁皮下脂肪CT值的标准差（SD），以此作为图像的平均噪声，测量时ROI面积约为1.0 cm2。所有ROI放置时均应避开图像伪影区，并延细小供血动脉走行向远端连续3个层面测量3次取平均值。

1.5 统计学方法 采用SPSS 17.0软件，两组患者性别、病变分布情况、病变病理类型比较采用χ2检验。对2名观察者图像质量评分的一致性采用Kappa检验，无差异时，以年资较高的观察者的评分进行分析；两组图像的主观评分比较采用Mann-Whitney U检验；两组图像肿瘤细小供血动脉CT值、右侧竖脊肌的CT值、图像噪声值以及CNR的一致性采用组内相关系数（intraclass correlation coefficients，ICC）检验，0＜ICC＜0.4为重复性差，0.75＜ICC＜1为信度好、一致性高，一致性良好时取2名观察者测量结果的平均值进行分析；两组患者年龄、图像肿瘤细小供血动脉的CT值、图像噪声、CNR以及CTDIvol比较采用独立样本t检验；P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组一般资料比较 两组患者的性别、年龄、病变分布情况、病变病理类型等一般资料比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。

2.2 两组肿瘤细小供血动脉图像质量评分比较 高浓度组、低浓度组肿瘤细小供血动脉图像主观质量评分分别为（2.64±0.86）分、（3.53±0.69）分，两组比较差异有统计学意义（Z=－4.280，P＜0.01）。2名观察者对两组图像的评价一致性很好（Kappa=0.824、0.843，P＜0.05）。见表2、图2～5。

表1 两组一般资料比较

2.3 两组图像肿瘤细小供血动脉CT值、右侧竖脊肌CT值、图像噪声、CNR及CTDIvol比较 低浓度组个体化的最佳单能量keV值为51～60 keV，其中位keV值为54 keV。2名观察者获得高浓度组和低浓度组的肿瘤细小供血动脉CT值、右侧竖脊肌CT值、图像噪声与CNR的结果一致性均良好（ICC高浓度组=0.998、0.968、0.959、0.990，ICC低浓度组=0.988、0.981、0.969、0.937）。低浓度组肿瘤细小供血动脉CT值、CNR均高于高浓度组，而图像噪声低于高浓度组，差异均有统计学意义（P＜0.01）；两组CTDIvol比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表3。

表2 2名观察者对两组图像肿瘤细小供血动脉质量评分比较及一致性检验

图2 男，71岁，胃窦腺癌。高浓度对比剂常规扫描胃右动脉肿瘤细小供血动脉MIP重建图示细小供血动脉主干显示较淡，末端分支显示模糊不清

图3 女，68岁，胃窦腺癌。低浓度对比剂最佳单能量成像MIP重建图示胃右动脉肿瘤细小供血动脉主干及末端分支均较清晰

图4 男，62岁，直肠腺癌。高浓度对比剂常规扫描肠系膜下动脉肿瘤细小供血动脉的VR重建图像示细小动脉主干清晰，但不锐利，末端分支显示模糊稀少

图5 男，59岁，直肠腺癌。低浓度对比剂最佳单能量成像VR重建图像示肠系膜下动脉肿瘤细小供血动脉主干清晰、锐利，末端分支显示较多

表3 两组图像肿瘤细小供血动脉CT值、图像噪声、CNR及CTDIvol比较

3 讨论

3.1 提高胃肠道恶性肿瘤供血动脉CTA图像质量的主要方法及其引发的问题 胃肠道恶性肿瘤在我国较为常见，其发病率有逐年上升的趋势。近年来随着胃肠道腹腔镜技术的飞速发展，要求临床医师术前必须明确胃肠道恶性肿瘤供血动脉的走行、分支以及血管变异等信息，避免引起术中出血等并发症，因此腹部CTA对于胃肠道恶性肿瘤的术前评估极具价值。提高胃肠道恶性肿瘤供血动脉成像质量的方法是提高血管内CT值，为此需要特殊的对比剂注射方案，如使用高浓度对比剂或高注射速度[2]。由此引发的对比剂不良反应，尤其是CIN已成为医师及患者广泛关注的问题。CIN发病机制[5]为对比剂以原型经肾脏排出体外所致，大剂量、高浓度的对比剂对肾组织具有毒性，可导致肾功能突然减退，使代谢产物蓄积于血液中，进而诱发急性肾损害。对比剂的剂量、浓度与CIN的发生和程度直接相关。因此，合理降低对比剂浓度可以减少CIN的发生率。但是，对比剂浓度降低的同时会导致血管对比度的下降。

3.2 能谱CT单能量成像原理及特点 对BMI＞25 kg/m2的患者行常规CT扫描时，由于X线的穿透力较弱，为提高图像质量则需要加大管电压，但同时也使辐射剂量大幅增加[6]。能谱CT通过140 kV与80 kV的高低能量瞬时切换，可以在相同时间及相同角度得到2种能量X线的采样数据，通过这2种能量数据可以确定体素在40～140 keV能量范围内的衰减系数，从而得到101个单能量图像[7]。单能量图像避免了平均衰减效应，并有效去除了混合能量扫描中线束硬化效应导致的CT值“漂移”所带来的影响[8]。不同能量水平的单能量图像具有不同的特征[9]，高能量水平由于X线穿透力强，其图像硬化伪影减少，但组织的对比度同时减弱；而低能量水平因X线穿透力弱，图像上组织对比度增加，但同时图像的噪声也增加。某种物质的CT值取决于这种物质对射线的衰减，而碘等高原子量物质衰减X线光子能量的主要方式是光电吸收效应，因此碘的CT值随着X线能量的改变产生较大范围的波动，在适当降低keV时，含碘对比剂的动脉CT值会明显增高[10]。

3.3 低浓度对比剂最佳单能量成像对胃肠道恶性肿瘤供血动脉CTA的价值 常规CT的CTA采用混合能量X线，由于线束硬化效应以及其固有信噪比较低，导致对管径在1.5～3.0 mm的细小动脉显示不佳[3]。本研究中低浓度组由机器自动生成最佳单能量keV值在51～60 keV，属于较低keV水平，肿瘤细小供血动脉CT值明显增加，与周围组织对比度明显提高。于红等[11]认为，如果目标血管的CT值达到400 HU以上水平，CTA图像则可以获得更好的成像效果，本研究低浓度组最佳单能量图像肿瘤细小供血动脉的平均CT值＞400 HU，明显高于高浓度组。同时，能谱CT最佳单能量成像技术可以将图像噪声控制在适当范围，获得最佳CNR的最佳单能量图像[7,12]，本研究中低浓度组最佳单能量图像的噪声明显低于高浓度组，进一步优化了肿瘤细小供血动脉的显示。

近年来，对于能谱CT最佳单能量成像提高CTA图像质量的研究已陆续见到相关文献报道[3,13-14]，其研究的血管包括动脉、静脉以及肿瘤供血动脉，研究设计多为病例自身的经GSI扫描后的混合能量图像与最佳单能量图像的对比，应用的对比剂均为350 mgI/ml、320 mgI/ml等高浓度对比剂。而关于对比剂对CTA图像质量的影响，相关研究也多集中在对比剂用量或注射速度等方面[2,15-16]。本研究采用低浓度对比剂GSI扫描最佳单能量成像与高浓度对比剂常规扫描的图像进行比较，证明低浓度最佳单能量对于胃肠道恶性肿瘤细小供血动脉显示的清晰度、锐利度以及末端分支数量均有所增加。能谱CT最佳单能量成像可以获得使肿瘤供血动脉达到最佳显示的keV值，在此单能量水平上，肿瘤细小供血动脉CT值增高，且CT值的增加量可以有效弥补因对比剂浓度降低而导致的CT值的减小量。在最佳keV时，即使血管内对比剂浓度较低，由于血管的CT值较高，仍可以使血管和周围组织形成良好对比，达到使用高浓度对比剂使血管内CT值增高的效果[7]。同时，一些细小供血动脉末端分支的CT值也会较常规扫描图像增高，使得更多末端分支显影，更加完整地显示供血动脉全貌。

本研究中低浓度组的CTDIvol与高浓度组相当，两组辐射剂量方面并无显著差异。同时，利用三期增强扫描中的动脉期薄层图像重建获得CTA图像，不同于传统CTA需要进行单独扫描及单独重建。因此，通过1次动态增强检查，可以获得增强CT以及CTA的双重信息，可以帮助临床医师在术前正确掌握患者胃肠道恶性肿瘤的浸润深度、肿瘤周围脏器情况、是否存在淋巴结或远隔器官转移以及患者腹部血管和肿瘤血供等重要信息，对判断肿瘤分期、评价预后及制订治疗方案具有重要意义。而且减少1次CTA扫描，可以大幅降低患者所受的辐射剂量。

本研究的局限性在于两组患者的个体不同，可能会出现一定的误差。

总之，对于高体重指数患者，能谱CT低浓度对比剂最佳单能量成像技术能更加清晰地显示胃肠道恶性肿瘤供血动脉，同时有效降低对比剂浓度，且不增加辐射剂量，有很好的临床应用前景。

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（本文编辑冯婕）

A Preliminary Study of Energy Spectrum CT on Showing Feeding Arteries of Gastrointestinal Tract Malignant Tumors with Low Concentration Contrast Medium

Purpose To investigate the effects of the low concentration contrast medium combined with optimal single source spectral imaging on displaying feeding arteries of gastrointestinal tract malignant tumors. Materials and Methods Seventy-one patients of body mass index (BMI) ＞25 kg/m2with gastrointestinal tract malignant tumors were prospectively studied. All the cases were randomly divided into two groups: high concentration group (33 cases with high concentration contrast medium of 350 mgI/ml in routine scan) and low concentration group (38 cases with low concentration contrast medium of 270 mgI/ml in optimal single source spectral imaging). The optimal single source images were generated automatically. The subjective image scores, CT value of the tumor feeding arteries, image noise, contrast-to-noise ratio (CNR) and CT dose index of volume (CTDIvol) of optimal single source spectral images in two groups were compared. Results The optimal single source of low concentration group were 51-60 keV. The subjective image score of low concentration group was higher than high concentration group (Z=－4.280, P＜0.01). The consistency between the two investigators was good (Kappa=0.824 and 0.843, P＜0.05). The consistency between the two investigators in evaluating CT value of the tumor feeding arteries, CT value at the right erector spinal muscle, image noise and CNR data was good (ICChigh concentration group=0.998, 0.968, 0.959 and 0.990; ICClow concentration group=0.988, 0.981, 0.969 and 0.937). The CT values of the tumor feeding arteries and CNR of the low concentration group were higher than that of the high concentration group, but the image noise was lower than that of high concentration group (t=－14.937, 4.263 and －17.264, P＜0.01). There was no statistical difference of CTDIvol between the two groups (t=1.278, P＞0.05). Conclusion The low concentration contrast medium with optimal single source spectral imaging in patients with large BMI may improve CTA image quality of feeding arteries of gastrointestinal tract malignant tumors without increasing radiation dose.

Gastrointestinal neoplasms; Tomography, X-ray computed; Angiography; Contrast media; Plasma concentration; Image processing, computer-assisted

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.07.011

刘爱连

Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116011, China

Address Correspondence to: LIU Ailian

E-mail: cjr.liuailian@vip.163.com

R445.3；R735

2015-02-25

2015-06-27

中国医学影像学杂志

2015年 第23卷 7期：517-522

Chinese Journal of Medical Imaging

2015 Volume 23(7): 517-522