双能量CT评价克罗恩病活动性的研究进展

2018-01-21周璇璇周长圣

中国医学影像技术 2018年10期

周璇璇，周长圣，黄伟*

(1.徐州医科大学医学影像学院，江苏徐州 221004；2.南京总医院医学影像科，江苏南京 210002)

克罗恩病(Crohn disease, CD)是以胃肠道疾病加重、缓解交替出现为临床表现，穿透性肠壁炎症、跳跃征为特点的慢性炎症性疾病。CD的临床发病年龄呈双峰特征(15～35岁和55～80岁高发)，我国南方较北方多见。近年CD在全球发病率不断增长，严重影响患者生活质量。目前诊断CD活动性的方法主要有内镜(结肠镜、小肠镜和小肠胶囊内镜)、CT小肠造影、MRI小肠造影以及生化标记物等，但尚缺乏金标准。内镜是评价CD活动性的重要指标，但具有一定局限性，如具有侵袭性，不易被患者接受；仅能检查肠内表现，而不包含肠壁其他层面，易遗漏疾病肠外的并发症等[1]。CT小肠造影及MRI小肠造影均可评估CD黏膜及黏膜下层情况以及肠外并发症，但CT小肠造影具有一定辐射性；MRI小肠造影检查时间和吸气、屏气时间较长，呼吸指令次数多，患者依从性较差。作为一种辅助检查手段，生化标记物检测对于证实炎症是否加重具有意义；其中钙卫蛋白与CD活动性有关，但需排除仅累及回肠末段者[2]。双能量CT成像是近年出现的一种新型检查技术，可在降低辐射剂量的同时优化图像质量，实现多参数定量成像。本文就双能量CT的成像原理以及多参数分析在评价CD活动性中的应用进行综述。

1 CD的病因及病理表现

CD的病因和发病机制尚不清楚，目前认为是遗传因素和免疫因素共同参与并相互关联、相互制约所致。肠道菌群失调和肠屏障受损也是CD病因之一。CD可发生于整个肠道，好发于回肠末段和升结肠，内镜下表现为节段性分布的裂隙状、纵行溃疡和鹅卵石样改变；其病理改变主要包括结节样肉芽肿、裂隙状溃疡以及肠壁各层的炎症病变。结节样肉芽肿约占CD的60%，主要由类上皮细胞和多核巨细胞构成；裂隙状溃疡可累及黏膜下层，甚至肌层，是CD发生穿孔和瘘管的病理基础；肠壁各层炎症病变是CD普遍的组织学改变。CD早期炎症仅累及淋巴滤泡表面的被覆上皮，导致局部组织坏死和溃疡形成；随着炎症进展，固有膜淋巴组织增生，黏膜下各种慢性炎细胞浸润；最终肠壁各层受累，以黏膜下层和浆膜层更为明显，多表现为水肿、淋巴管扩张、淋巴组织增生以及纤维组织增生。

2 双能量CT成像概述

不同物体对不同能量的X射线衰减差值各不相同。双源双能量CT成像使用2套独立的球管-探测器系统，同时获取物质在高、低能量X线下的衰减数据，并利用相应的后处理分析方法进行定性和定量双能量分析。基于不同的后处理和分析算法，双能量CT可以提供多种参数，但目前尚未广泛应用于临床，很多应用还处于研究阶段。

3 双能量CT多参数分析在评价CD活动性中的进展

3.1虚拟平扫(virtual non-contrast， VNC)与碘图评价CD活动性 VNC是通过2套对应探测器和2个相隔约90°球管的双源CT获得2组不同能量数据、1组融合数据图像，并通过1个二维线性方程的调整获得1组去除碘剂后的VNC图像。VNC可产生类似于真正平扫的图像，且可清晰显示各部位主要解剖结构，但其SNR及CNR均高于真实的常规平扫[3]。此外，VNC可有效降低辐射剂量。Mileto等[4]指出，应用VNC时可省略常规平扫，故可减少(26.7±9.7)%的辐射剂量。Chen等[5]发现，基于VNC图像的双能量CT对提高结直肠癌T分期的准确率和降低辐射剂量具有重要价值。

CT增强扫描时，碘是对比剂的主要成分，通过检测组织内碘的密度可反映组织的血供情况。利用三物质分离后处理算法(如肝脏VNC)对双能量高低kV的数据进行处理即可获得具有不同碘浓度(mgI/ml)分布信息的碘图和去除碘后的VNC图像。Mileto等[6]发现运用碘浓度值可鉴别透明细胞癌与乳头状细胞癌，原理是通过碘值的微小变化更准确地鉴别不同亚型肿瘤的血供[7-8]。杨雪君等[9]发现双源CT双能量扫描动脉期碘含量对鉴别诊断结直肠癌转移性淋巴结与反应性增生淋巴结具有一定价值。在CT及MRI小肠造影中，黏膜明显强化是处于活动期CD最敏感的特征之一[10]，可通过检测肠壁碘浓度值判断CD的活动性。

VNC可减少辐射剂量而有望代替CT平扫，而碘图则可提供组织或病变的强化信息，其应用尚在初级阶段，但可为评价CD活动性的研究提供新方向。

3.2脂肪含量基于三物质分离技术的双能量CT，除碘物质的提取外，对其他物质也能进行量化。临床常用的肝脏VNC三物质分离算法系以碘、脂肪和软组织为基础，可定量分析碘浓度和脂肪百分比。慢性CD患者常出现黏膜下脂肪沉积，而肠道周围沿扩张的肠系膜动脉分布的脂肪浸润是活动性CD的特异性表现[11]。Morgan等[12-13]指出，具有物质分离分析功能的双能量CT可区别高脂含量和低脂含量，进而区分肾上腺腺瘤与非肾上腺损害。Martin等[14]指出，碘浓度值和脂肪含量鉴别诊断肾上腺腺瘤与肾上腺转移瘤具有较高准确率。由此可假设，运用双能量CT对肠道肠壁以及周围脂肪含量进行量化分析，或可有效评价CD的活动性。

3.3有效原子序数(effective atomic number， Zeff)和电子密度 Zeff被认作混合物质或组织的某种原子组成数量，其独立于各种化合物(如碘)，且在不同混合物中发生变化，但与某些确定的物质数量有关(如恶性细胞)。电子密度是单位体积内的电子数目与水的电子密度比值。物质CT值的大小依赖于光子能量、物质密度和原子数量3种因素，因此，两种光子能量CT值的变化取决于与水的原子数量(Zwater)比较的Zeff，如Zeff高于Zwater，则物质CT值随光子能量减低而升高；当Zeff低于Zwater，则CT值随光子能量减低而减低。由此可认为CT值大小与原子数量有关。Al-Najami等[15]认为Zeff代表化合物或混合物的某种原子组成的数量，如碘的Zeff为33.20，如某种物质扫描后Zeff的数值接近于碘，则可以认为此种物质中含有碘；并且以此为基础，发现Zeff可以区别良恶性淋巴结。

双能量后处理程序可以获得Zeff图和电子密度图，适用于自然的人体物质，如脂肪、软组织和骨。多种软组织和病变在密度和化学组成方面仅有微小差别，其CT值非常接近，CT增强扫描有助于鉴别一些物质，但尚无有效方法可鉴别各种液体的来源[16]。Mahnken等[17]据此提出利用电子密度评价物质密度和有效质子数，进而区别液体来源的可行性。

此外，如果测量范围中有对比剂或其他大原子序数物质，或图像中有明显金属伪影等，则Zeff或电子密度的计算不准确。Zeff和电子密度是CT诊断的全新参数，通过测量病变肠壁得到的Zeff和电子密度对诊断CD活动性的价值还需更多研究加以证实。

3.4双能量指数(dual energy index, DEI) DEI可用来反映不同物质的频谱特性。DEI被定义为：DEIi=(HUi80-HUi140)/(HUi80+HUi140+2000)，其中HUi80和HUi140分别为80 kVp和140 kVp时的CT值。水的双能指数为0，脂肪的双能指数为-0.0242，软组织的双能指数为-0.0039。双能量指数可以消除物质密度差异对X线衰减值的影响而区分和鉴别物质[18]。Cai等[19]指出结肠肠腔内空气的DEI高于周围软组织和脂肪，为标记肠腔和粪便物质提供了有效方法，证明了DEI的有效性。

DEI目前可用于分析平扫下的物质，用以区分在扫描时间内较为稳定的物质；注入对比剂时，组织的DEI会增大，且与对比剂浓度呈正比。但是，由于对比剂在不同器官不同时间的浓度会一直变化，故无法依靠一个确定数值或阈值进行鉴别。 DEI用于诊断和评价CD活动性时，需要进一步研究和确定期相。

3.5双能量单能谱成像或双能量单能谱加成像常规CT球管发出的并不是单纯、单一能量的X线，而是混合有许多不同能量、双能量的X线，利用高低能量X线进行双能扫描，可计算出等同于40～190 keV的单能X线图像，即单能谱图像。单能谱图像在临床中应用广泛，不同的能量等级会有不同的对比度和噪声，低keV下，碘相较周围组织的对比度提高，但图像噪声增大。单能谱加技术利用频域分离原理将keV下碘的对比和最优keV的噪声结合，从而实现低keV(如40 keV)下碘的对比噪声比最大。Grant等[19-20]将单能谱加与传统的单能谱图像对比显示肝脏损伤，发现单能谱加改善了SNR和CNR。Meier等[21]也证实单能谱加图像可以改善双能量肺动脉CT血管造影的图像质量，并提出通过该方法减少对比剂用量、从而减少肾病发生率的可能性。这也进一步说明双能量单能谱加成像可改善双源小肠CT图像质量。

物质CT值的衰减曲线即能谱曲线，指不同能量的X线穿过物质后的衰减值，可用组织在不同单能量下的平均CT值来表示。物质的CT衰减值由组成物质的化学分子结构决定，即不同物质的CT值衰减曲线不同，可用于区分不同物质的化学成分。鞠烨等[22]利用能谱曲线分析鉴别浆膜腔积液的良恶性，并证明确实有效，具有较好的应用前景。在增强状态下，能谱曲线的形态主要受病灶内碘浓度的影响，即可反映增强后组织强化的程度，而黏膜强化是活动期CD最敏感的特征之一[10]。能谱曲线分析为评价CD是否处于活动期提供了一种更加直观、简便的方法，具有较好的应用前景。

3.6双能量体积碘摄取(volume iodine uptake， VIU) 双能量可获得具有碘浓度信息的碘图，以区分不同类型肿瘤，但对于肿瘤疗效评估价值有限。在双能量应用于肿瘤之前，常用的AASLD和Choi标准可反映肿瘤体积或密度的改变。双能量CT的碘浓度仅能反映肿瘤某一个层面的碘分布，不能反映整个肿瘤的碘摄取量。随着后处理技术的发展，双能量VIU可提供肿瘤总的碘摄取量(单位：mg)，更加准确地反映肿瘤的血供情况。Dai等[23]证实双能量VIU在肝癌疗效评估中优于AASLD和Choi标准，可以更准确地反映残留肿瘤活性。双能量VIU的容积优势主要体现在实体肿瘤方面，如肝肿瘤，但是否适用于测量CD活动性肠道体积尚有待研究。