能谱CT显示前列腺病灶的最佳单能量研究

张晓斐， 许建荣， 朱正飞， 胡超苏， 章真



·腹部影像学·

能谱CT显示前列腺病灶的最佳单能量研究

张晓斐， 许建荣， 朱正飞， 胡超苏， 章真

目的：运用能谱CT研究显示前列腺病灶的最佳单能量值及其图像质量分析。方法：回顾性分析28例前列腺外周带病变患者的临床和影像资料，共发现38个病灶，包括前列腺癌20个、前列腺增生18个。患者均行三期动态增强(动脉期、静脉期及实质期)CT能谱成像，在140 kVp混合能量图像和40～140 KeV各组单能量图像上测量和计算病灶的对比噪声比(CNR)，记录每个病灶CNR最高的图像所对应的KeV值，每个病灶测量3次(选取3个不同层面)，计算其均值。对不同期相的140 kVp图像和50 keV图像进行图像质量的主观评分(5级评分法)和客观评价(CNR)，两组间比较采用配对t检验。结果：统计分析结果显示前列腺病灶的最佳单能量值为(50.7±1.53) keV。不同期相50 keV图像的主观评分分别为3.88±0.64、3.88±0.64和3.63±0.74，140 kVp图像的相应评分分别为2.63±0.52、2.88±0.64和2.50±0.54。病灶在不同期相50 keV图像上的CNR(32.42±5.06、36.02±5.80和34.97±4.14)均高于140 kVp图像(13.45±3.53、20.86±4.34和21.14±3.41)，差异均有统计学意义(P<0.05)。结论：能谱CT检查显示前列腺病灶的最佳单能量值为50 keV，其图像质量明显优于普通混合能量图像，有利于前列腺外周带病灶的检出。

体层摄影术，X线计算机； 前列腺癌； 前列腺增生； 能谱成像； 信号噪声比； 图像质量

材料与方法

1.病例资料

2011年08月-2012年8月对28例(平均年龄68.5岁，59～82岁)门诊筛查拟诊前列腺癌的患者，行能谱CT动脉期、静脉期、实质期三期增强检查，然后在增强彩色多普勒超声(contrast-enhanced color doppler ultrasound，CECDU)引导下行前列腺穿刺活检。能谱CT增强检查与CECDU引导下前列腺穿刺检查的时间间隔为(13±8) d。病例纳入要求：由于图像质量的原因，入组的前列腺异常强化病灶只局限于外周带。另外，只有在CT增强扫描及穿刺前增强彩色多普勒超声检查中表现一致的病灶纳入本研究。病例排除标准：既往有前列腺穿刺史；一般情况差，不能耐受穿刺活检；既往有有急性前列腺炎、出血或前列腺癌病史；有CT增强扫描禁忌证(如肌酐水平异常、糖尿病、某些甲状腺疾病等)；有CECDU对比剂(即六氟化硫)禁忌证。共38处病灶纳入本研究，其中前列腺癌20处，前列腺增生18处。本研究中所有患者签署了知情同意书。

2.扫描参数设置

使用GE Discovery 750 HDCT机。行前列腺常规CT平扫和能谱CT三期增强扫描，扫描范自骶髂关节至耻骨联合水平。使用双筒高压注射器经肘静脉注射对比剂碘帕醇(300 mg I/mL)，注射流率4 mL/s，用量80～100 mL，然后以相同流率注射生理盐水20 mL。采用人工智能触发扫描系统确定延迟时间，触发点设在腹主动脉，触发阈值为100 HU。达阈值时自动启动动脉期扫描，动脉期后30 s扫描静脉期，其后25 s扫描实质期。CT平扫参数：600 mA，层厚和间隔均为3.75 mm，视野35 cm×35 cm，0.6 s/r，螺距1.375(43%的患者)或0.984(57%的患者)，床速39.37 mm/r。三期能谱增强扫描时，管电压为高低能量(80和140 kVp)瞬时(0.5 ms)切换，其它参数同平扫。

3.图像后处理

利用随机能谱成像浏览器(Gemstone Spectral Imaging Viewer，GSI)软件包进行数据处理及分析，可同时获得混合能量图像、40～140 KeV各能级单能量图像及碘基物质图像，每种图像均可以横轴面、冠状面和矢状面显示。选择“optimal CNR”程序，可获得每例患者的显示病灶最佳的期相，记录具有最高CNR的单能量keV值(图1、2)，在相应图像上于前列腺外周带内可疑病灶及其周正常前列腺组织内勾画ROI 。对于均匀强化的病灶，ROI要尽量包括整个病灶；对于增强不均一的病灶，ROI的放置要尽量避免明显的囊变坏死区。图像分析与测量均在GE AW4.4工作站上进行，包括主观评价和客观评价。主观评价：3位高年资腹部影像诊断医师分别对不同期相的140 kVp图像和50 keV图像质量进行评分，意见不一致时，共同复阅决定。图像质量评分采用5级评分法[3-4]。5分(优异)：解剖结构和细节清晰，无明显噪声和硬化伪影；4分(良好)：解剖结构和细节较清楚，噪声和硬化伪影增多；3分(中等)：大部分解剖结构较清楚，细节显示欠清楚，噪声和硬化伪影较明显但可接受；2分(较差)：解剖结构不清楚，细节辨识困难，噪声和硬化伪影很明显；1分(极差)：解剖结构模糊，细节无法辨识，噪声和硬化伪影极明湿。3分及以上者可满足诊断要求。客观评价：由另1位高年资腹部影像诊断医师独立进行数据测量，利用复制和粘贴功能，使140 kVp图像和50 kVe三个时相图像上前列腺外周带病灶、病灶周围正常前列腺组织的ROI位置、形状和大小保持一致，ROI选择密度均匀、伪影少的区域并避开较大血管、坏死和钙化部分。评价指标为肿瘤与正常组织的对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)，计算公式如下：

(1)

4.统计学分析

通过示范区建设，将对我省马铃薯品种更新换代，以及脱毒种薯的普及应用，帮助农民脱贫致富，推动地方优势特色农业的产业化发展，促进我省马铃薯产业化再上新台阶具有重要意义。

对每一病灶的扫描图像选取3个不同扫描层面进行测量，取算数平均值。采用IBM SPSS 19.0统计分析软件，对2组图像的图像质量评分及肿瘤-背景CNR的比较采用配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

结　果

1.最佳KeV的选择

显示前列腺外周带病灶的最佳单能量数据分析结果显示，最佳单能量值为50.7±1.53，方差2.33。即单能量值为50 KeV时，图像能获得最高的对比噪声比(图1、2)。

2.图像质量评分

所有图像的评分均在3分以上，符合临床诊断要求。25例患者50 keV图像上均无明显硬化伪影，3例患者140 kVp图像上出现硬化伪影。不同前列腺外周带病灶三期增强50 keV图像的评分分别为3.88±0.64、3.88±0.64和3.63±0.74；140 kVp图像的评分分别为2.63±0.52、2.88±0.64和2.50±0.54(表1；图3)。不同期相50 keV图像评分均高于140 kVp图像，差异有统计学意义(P<0.05)。

3.病灶的CNR

病灶的CNR(表2)在三期增强50 keV图像上分别为32.42±5.06、36.02±5.80和34.97±4.14，在140 kVp图像上分别为13.45±3.53、20.86±4.34和21.14±3.41，50 keV图像均高于140 kVp图像，两组间差异有统计学意义(P<0.05)。

表1　140kVp和50keV图像在不同前列腺病灶中质量评价和CNR值比较

讨　论

1.目前前列腺病灶的诊断现状

前列腺癌的早期诊断主要依靠直肠指诊、血清前列腺特异性抗原(prostate specific antigen,PSA)检测和前列腺穿刺活检。直肠指诊主观性强，受经验水平影响。血清PSA的检测在临床上使用最为广泛，但其受多种因素的影响而缺乏足够的特异性，如良性前列腺增生及前列腺炎时血清PSA也可升高，文献报道，以血清PSA>4 ng/mL作为诊断前列腺癌的阈值，阳性预测值仅30.5%～41.4%[5]。目前，对于血清PSA水平升高的男性患者，诊断前列腺癌的金标准是经直肠超声(transrectal ultrasonography,TRUS)引导下穿刺活检[6]。但超声引导下穿刺活检的缺点有以下几点：超声分辨率较低；相当一部分患者需要重复穿刺确诊；即使预防性使用抗生素，术后仍然有1%～4%的患者出现较为严重的感染并发症，如脓肿、败血症和菌血症。

因此，准确性高的非侵袭性诊断方法非常必要。常规MRI对前列腺癌的诊断假阳性率较高, 在常规T2WI上无法准确区分前列腺癌与其它外周带低信号病灶，如前列腺炎、前列腺钙化，梗死及平滑肌型前列腺增生，因此对前列腺癌的诊断特异性较低[7]。单b值及多b值DWI、波谱成像、动态增强(dynamic contrast enhanced,DCE)等MRI新技术的应用使得对前列腺癌的诊断准确性有一定提高，然而由于后处理图像分辨率较低，对病灶的显示仍处于研究初期，亟待磁共振技术及后处理软件的完善[8]。

2.前列腺疾病的CT诊断现状

传统CT是盆腔检查的良好手段，但是不能够清晰的显示前列腺，此方面的研究鲜有报道。对于前列腺癌的CT诊断，国内外有大量的研究[9-12]。前列腺癌的CT表现主要包括平扫时前列腺边缘毛糙、模糊，波浪状隆起，边缘呈结节状；局限性密度不均匀减低；周围结构浸润表现为双侧精囊增大，膀胱壁增厚，淋巴结增大。其中后者为晚期肿瘤的表现，诊断难度不大，但早期前列腺癌与前列腺增生病灶的影像表现有部分重叠，鉴别困难。前列腺癌的CT增强扫描表现为外周带局灶或弥散的早期增强，不均匀强化。有研究表明CT多期增强扫描可显示58%的外周带前列腺癌，特异度不理想[12]。这是由于前列腺实质、前列腺尿道和前列腺包膜三者之间密度近似，CT上不能区分；前列腺底部与膀胱底部在CT上的扫描平面平行一致，存在部分容积效应，因此两者的分界在CT上不易区分。

3.能谱CT单能量图像的优势

能谱CT于2009年被临床所应用。CT能谱成像技术基于创新材料的探测器、瞬时变能高压发生器及有效的数据采集和后处理技术。宝石探测器具有极好的光学特性，可见光转换速度高达0.03 us，将近传统材料的100倍，并且在机架旋转一次的时间内能够采集2496次，提高了空间分辨率和图像质量。瞬时变能高压发生器使系统在0.5 ms周期内实现了对X线进行80 kVp和140 kVp电压切换，从而达到瞬时变能的目的，这便保证了能谱采集每圈实现40～140 keV范围内的101个任一单能量序列图像，降低了图像硬化伪影，增加对比噪声比[2]。

CT图像上硬化效应的产生原理为在X线束(如120 kVp)穿过人体的过程中，低能量X光子首先被吸收掉，剩余X线束包含更多高能量的射线，X线平均能量不断增加。而且射线能量越低，物质对射线的吸收越多。即使X线在均匀物质中穿行，先接触到射线的物质由于这时射线能量低，对X线的吸收多要多于后接触射线的物质对X线的吸收。同为一种物质却表现为不同的CT值就产生了硬化伪影。而对于同一能量水平的单能量图像，物质的衰减系数仅取决于其本身密度，因此测量的CT值更准确，图像对比信噪比增加，硬化伪影降低[13]。

单能量图像在不同能量水平具有不同特征，低能量水平图像组织对比增强，但噪声增高；高能量水平图像硬化伪影少，但组织对比减弱。在某一能量水平，对比与噪声二者之间达到某种最佳平衡，病灶与实质脏器之间的衰减差异可以达到最大，同时噪声值最低，即图像的CNR最佳，这一能量水平就是该病灶的最佳keV值[1]，为病变的清晰显示、准确诊断提供最为有利的证据。静脉、脊髓、韧带与肌腱等低对比结构是传统CT成像的弱点，采用最佳CNR单能图像可以提升这些结构的对比度。有研究显示，51 keV单能量成像可以显著提高肝脏CT成像的图像质量[14]。本研究结果显示50 keV单能量图像质量较普通混合能量图像有所改善。

4.本研究的创新性与局限性

本研究创新性在于运用目前世界上最新的能谱CT观察前列腺外周带异常强化灶，应用能谱软件，寻找显示前列腺病灶的最佳条件。通过能谱CT最佳单能量测量功能得到显示前列腺外周带病灶的最佳单能量数据。另外在图像质量的评估方面，结果显示50 keV图像优于140 kVp图像。不同期相的图像上病灶的CNR均为50 keV图像优于140 kVp图像。

然而本研究存在诸多不足。最佳CNR图像并非噪声最小，对于能谱CT单能量成像，是单纯追求最佳CNR，还是兼顾CNR和图像质量，有待于进一步研究；其次，未与其它影像学检查如MRI、超声、双能CT 进行详细的对照研究；第三，研究对象样本量较小，病种较单一。

综述所述，本组研究结果显示50 keV是显示前列腺外周带病灶的最佳单能量值，其图像质量较常规混合能量图像有所改善，可提高前列腺外周带病灶的检出率。

[1]Stearns GL,Sandhu JS.The impact of medical and surgical treatment for benign prostatic hypertrophy on erectile function[J].Curr Urol Rep,2015,16(11):80-85.

[2]陈克敏，严福华，林晓珠，等.能谱CT的基本原理与临床应用[M].北京:科学出版社,2007:26-27.

[3]Behrendt FF,Schmidt B,Plumhans C,et al.Image fusion in dual energy computed tomography:effect on contrast enhancement,signal-to-noise ratio and image quality in computed tomography angiography[J].Invest Radiol,2009,44(1):1-6.

[4]Funama Y,Awai K,Nakayama Y,et al.Radiation dose reduction without degradation of low-contrast detectability at abdominal multisection CT with a low-tube voltage technique：phantom study[J].Radiology,2005,237(3):905-910.

[5]Carroll PR,Parsons JK,Andriole G,et al.NCCN Guidelines insights:prostate cancer early detection (Version 2.2016)[J].J Natl Compr Canc Netw,2016,14(5):509-519.

[6]Machtens S,Roosen A,Stief CG.Prostate biopsy. update for indication,procedure,and future developments[J].Urologe A,2014,53(7):1046-1051.

[7]Macura KJ.Multiparametric magnetic resonance imaging of the prostate:current status in prostate cancer detection,location and staging[J].Semin Roentgenol,2008,43(4):303-311.

[8]Fusco R,Sansone M,Petrillo M,et al.Multiparametric MRI for prostate cancer detection:preliminary results on quantitative ana-lysis of dynamic contrast enhanced imaging,diffusion weigthed imaging and spectroscopy imaging[J].Magn Reson Imaging,2016,34(7):839-845.

[9]蓝博文，王颖，谭理连.前列腺癌的CT诊断与鉴别诊断[J].中华放射学杂志，2000，34(12):852-854.

[10]吴爱兰，韩萍，史河水,等.前列腺癌的CT诊断及评价[J].临床放射学杂志，2001，20(2):109-111.

[11]张兴伟，凤伟，周康荣.前列腺癌螺旋CT早期增强的初步研究[J].临床放射学杂志，2001，20(2):107-108.

[12]Prando A,Wallace S.Helical CT of prostate cancer:early clinical experience[J].AJR,2000,175(2):343-346.

[13]Giersch J,Niederlohner D,Anton G.The influence of energy weighting on X-ray imaging quality[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2004,531(1-2):68-74.

[14]Zhao LQ,He W,Li JY，et al.Improving image quality in portal venography with spectral CT imaging[J].Eur J Radiol,2012,81(8):1677-1681.

Study on optimal KeV spectral CT monochromatic imaging for detecton of peripheral prostatic lesions

ZHANG Xiao-fei，XU Jian-rong,ZHU Zheng-fei,et al.Department of Radiotherapy,Fudan University Shanghai Cancer Center;Department of Oncology,Shanghai Medical College,Fudan University,Shanghai 200032,China

Objective:To investigate the optimal keV for demonstrating peripheral prostatic lesions on CT spectral imaging and to analyze its image quality.Methods:Clinical and CT data of 28 patients with 38 prostatic lesions in peripheral zone were analyzed retrospectively.20 prostate cancer (Pca) and 18 benign prostate hyperplasia (BPH) were detected.All patients underwent three phase contrast-enhanced CT spectral imaging.On 140kVp polychromatic images and 40～140KeV monochromatic images of arterial phase,venous phase and parenchymal phase,contrast-to-noise ratio (CNR) of peripheral prostatic lesions were measured and calculated.The keV value of the images on which the CNR of each lesion was the highest was recorded,the keV values of three slices for each lesion were measured and averaged.Image quality of 140kVp polychromatic images and 50keV monochromatic images in three phases were analyzed and compared using paired-samplettests.5-scaled score was used in subjective analysis,and CNR was used for objective analysis.Results:Statistical analysis showed that the monochromatic value for best CNR was (50.7±1.53)keV.In 50keV group,the image quality scores in three phases were 3.88±0.64,3.88±0.64,and 3.63±0.74;and in 140kVp group,those were 2.63±0.52,2.88±0.64,and 2.50±0.54,correspondingly.The CNRs of 50keV images in three phases (32.42±5.06,36.02±5.80,34.97±4.14) were higher than those of 140kVp images (13.45±3.53,20.86±4.34,21.14±3.41),there were significant differences between the two groups (P<0.05).Conclusion: 50keV is the optimal monochromatic level to demonstrate peripheral prostatic lesions.The image quality of spectral CT monochromatic imaging is better than that of 140kVp imaging,thus can improve the detective ability for small peripheral prostatic lesions.

Tomography,X-ray computed； Prostate cancer； Prostate hyperplasia； Spectral imaging； Contrast-to-noise ratio； Image quality

200032上海，复旦大学附属肿瘤医院放疗科 复旦大学上海医学院肿瘤学系(张晓斐、朱正飞、胡超苏、章真)；200127上海，上海交通大学医学院附属仁济医院放射科(许建荣)

张晓斐(1985—)，女，山东泰安人，硕士，住院医师，主要从事肿瘤的功能影像学研究工作。

章真，E-mail：zz_zlyy@163.com

R814.42； R737.25

A

1000-0313(2016)08-0747-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.08.017

2016-04-11

2016-07-01)