双能量CT 虚拟铁浓度成像技术在肝铁过载中的应用研究

肖 红 林慧敏 李若坤 徐欣欣 严福华

原发性或继发性血色素沉着症导致全身铁负荷增加时，过量的铁会加快氧化应激反应，生成的活性物质可破坏脂质，蛋白质和核酸的结构，表现为肝硬化、肝癌、心律失常、心衰、糖尿病或关节炎[1]。双源CT利用了双能量X射线扫描下铁的衰减系数不同，结合3种物质分解算法对肝铁定量计算，可以不受铁过载严重程度的限制，且成像时间短，后处理重建方法简单[2]。目前以第二代双源CT在80/140kVp能量组合下的实验研究为主，临床研究较少见。第三代双源CT配备了最先进的Stellar探测器和锡过滤器，图像后处理为基于模型的迭代重建算法，且常用的70/150kVp的电压组合对于能谱分离的效果较80/140kVp更佳，理论上对肝铁定量的准确性会更高。暂未见有虚拟铁浓度（VIC）成像与以电感耦合等离子体光谱仪（ICP）定量的肝铁浓度（LIC）的结果为金标准的一致性评价相关报道[3-4]。故本研究拟通过构建不同铁过载程度的大鼠模型，以ICP定量的LIC为参考，评估第三代双源CT 70/150kVp能量组合的VIC成像技术在肝铁定量及分级中的可行性和准确性，为临床铁过载治疗奠定基础。

方 法

1.实验试剂与设备

1.1实验试剂：右旋糖酐铁（Sigma），戊巴比妥钠（Sigma），95%浓硝酸（大连美仑生物技术有限公司），过氧化氢（武汉赛维尔生物科技有限公司）。

1.2实验设备：电感耦合等离子体发射光谱仪（iCAP7600，Thermo），微波消融仪（南京康友微波能应用研究所），烘干机（上海将凯机械有限公司），称量天平（奥豪斯国际贸易有限公司），第三代双源CT(SOMATOM Force， Siemens Healthineers)。

2.铁过载大鼠模型的构建

63只5周龄大小的SD大鼠在温度为(20±2)℃、湿度为50%～60%的饲养环境下自由进食进水，适应性喂养1周后，随机分为9组，每组7只。通过左右下腹交替腹腔内给药的方式注射不同剂量的右旋糖酐铁或等量的生理盐水，1～9组给药总剂量分别为0、25、50、 100、 200、400、 600、 800、1000mg/kg（铁/大鼠体重）的右旋糖酐铁，高于200mg/kg的单次注射剂量为200mg/kg，其余的一次给药，给药间隔为1周。实验通过了本院动物实验伦理委员会的批准。

3.CT扫描

最后一次给药后1周，用戊巴比妥钠（30mg/kg）深度麻醉大鼠后，将其四肢完全拉开，以仰卧位姿势固定在硬塑料板上，扫描范围从心脏至肝脏下缘2cm左右。管电压为70/150kVp，70和150kVp球管对应的管电流分别为380和95mAs，准直器宽度为64×0.6mm，层厚0.5mm，层间距0.5mm，曝光时间500ms，矩阵大小为512×512。

4.VIC图像重建及ROI勾画

将70和150kVp的单能量图像同时导入至工作站中，重建出VIC图像。由2名放射科医师双盲独立勾画ROI，在肝脏最大横断面上下三层范围内，每层远离边缘和管道结构的肝脏实质内各画3个20mm2大小的ROI，取3层平均CT值。

5.ICP定量肝铁浓度

CT扫描完成后解剖大鼠，从最大肝叶上取适量肝脏组织用于ICP定量LIC，另取小部分肝脏在-80℃冰箱中冷藏备用。用去离子水将肝脏组织冲洗两遍后，放置在60℃的烘箱中24小时，烘干至质量恒定时称量干重（dry weight，DW）。向样本中加入4ml 95%的浓硝酸，在100℃条件下硝解1小时后，加入2ml过氧化氢，将混合液放在180℃、1200W的微波消融仪中处理1小时后取出，100℃再加热1小时，等到溶液彻底冷却后，加去离子水将溶液定容至50ml，用ICP检测溶液中的铁元素浓度（iron concentration，Ciron）并计算肝铁浓度（LIC=Ciron×50/DW）。

6.统计学方法

所 有 统 计 学 分 析 在SPSS 26.0，GraphPad Prism 8和MedCalc 19.0.7软件完成，P＜0.05为差异有统计学意义。对计量资料做Kolmogorov-Smirnov正态性检验，数据描述用中位数±均差值表示。用ICC评估两名医师CT值测量结果的可靠性。给药剂量及CT-VIC与ICP的相关性用Spearman相关分析评估。采用Bland-Altman比较VIC成像与ICP这两种方法定量LIC结果的一致性。根据临床铁过载治疗的分级标准后，结合ROC曲线和约登指数确定最佳截断值、灵敏度和特异度，并用AUC评估分级的诊断效能。

结 果

1.ICP-LIC测量结果及铁过载分级(表1)

图1 散点图显示给药剂量与ICP-LIC的相关性高。

图2 不同铁过载程度的大鼠肝脏CT VIC图像。A～E.依次为正常，轻度，中度，重度和极重度铁过载肝脏的VIC重建图像，对应的肝铁浓度分别为0.33、2.14、5.04、13.41、22.95mg/g，CT值分别为23.09、31.85、42.38、72.12、85.30HU。

图3 散点图显示CT-VIC与ICPLIC的 相 关 性 高。图4 Bland-Altman显 示VIC成 像 和ICP对 肝铁定量的一致性高。

表1 以临床铁过载治疗标准为参考对大鼠肝铁过载程度分组

表2 VIC成像对肝铁分级的诊断效能评估

ICP-LIC的 范 围 为0.32～39.21mg/g，均数为（12.73±1.36）mg/g，95%置 信 区 间（CI）为10.02～15.43mg/g。给药剂量与ICP-LIC呈显著正相关，相关系数ρ为0.91（P＜0.0001，图1)。以临床铁过载治疗的参考标准分级，正常（0～1.8mg/g）、轻度（1.8～3.2mg/g）、中度（3.2～7.0mg/g）、重度（7.0～15.0mg/g）和极重度（＞15.0mg/g）铁过载组对应的样本数分别为9、10、8、11和25个。

2.CT-VIC测量结果及可重复性评价

2名医师对3个ROI CT值测量结果的重复性好，ICC分别为0.989、0.988和0.985，Kappa值为-0.001（P=0.807）。各ROI CT值之间无统计学差异（P=0.053），平均值为64.61±4.09HU，95% CI为56.43～72.79 HU，范 围 为23.09～149.25 HU(图2)。

3.VIC成像定量肝铁浓度的准确性评估

VIC图像CT值与金标准ICP测量的LIC有很强的正相关性，相关系数ρ为0.98（P＜0.0001），根据拟合的回归方程，将CT值换算为LIC。Bland-Altman分析显示VIC-LIC与ICP-LIC差异的平均值 为0mg/g，95%CI为-3.77～3.77mg/g，两 种方法定量肝铁浓度结果的差异不具有统计学意义（H0平均值=0，P=0.9859；图3)。

4.VIC成像对肝铁过载分级的诊断效能(表2)

VIC图像CT值对肝铁过载分级的最佳截断值分别为37.65、41.45、47.05、73.40HU，各分级的AUC均大于0.95，分别为0.956、0.975、0.993、0.991，灵敏度及特异度分别为83.3%和100%、90.9%和100%、97.2%和93.5%、100%和97.4%(图4)。

讨 论

肝铁过载的准确定量和分级对指导治疗至关重要，本研究的动物模型覆盖了临床铁过载范围，第三代双源CT的双能 VIC成像与ICP定量肝铁浓度的结果一致，在保持高灵敏度和特异度的同时，也能对肝铁过载准确分级，可以作为铁过载评估的方法之一。

双源CT评估肝铁浓度有两种方法，一种是根据肝脏在不同能量下的CT值差值（△H），从铁的△H标准曲线中还原LIC[5]。仅用△H来评估肝铁浓度无法完全消除脂肪的影响，尤其是当肝铁含量低时[5]。另一种是由Fisher等提出的基于三物质分离技术的VIC成像，铁过载肝脏可以看成是由肝脏、脂肪组织和铁元素组成，根据获取的不同能量下物质的CT值信息，通过几何解析的方法，将三种物质的能量信息拟合成一幅由彩色编码可以反映VIC的图像，用VIC CT值定量LIC，相比于传统的单能量图像的CT值和双能量图像的△H，VIC成像可不受限于脂肪含量和高原子序数物质的限制[6]。不同于以往报道的以磁共振检查结果为参考标准，我们以ICP定量肝脏活检的铁浓度为金标准，证实了第三代双源CT 双能VIC成像技术在肝铁定量和分级中的高应用价值。

在肝铁定量方面， 本研究的结果显示出CTVIC与ICP-LIC有 很 强 的 相 关 性（ρ=0.98，P＜0.0001），与Luo等基于第二代双源CT VIC成像对兔子肝铁定量的相关系数一致，但回归方程的斜率不同，即铁在70/150kVp和80/140kVp能量组合下的斜率分别为2.976和1.94[5]。Fisher等的体模实验测得铁在80/140kVp的斜率也为1.9[6]。从两者的体模研究和动物实验结果来看，VIC成像用于肝铁定量可能不受体内/体外和个体大小的影响，因此我们推测，第三代双源CT 70/150kVp能量组合结合VIC成像对临床铁过载的评估有一定指导意义。

在肝铁分级方面，VIC成像表现出极高的诊断效能（AUC＞0.95），诊断的灵敏度随着肝铁过载程度的增加而增加，在极重度铁过载时达到了100%。特异度在轻中度铁过载时均为100%，重度和极重度稍有下降，这可能是因为当铁过载达到一定程度时，肝脏合并了其他病变，如肝纤维化和肝硬化，从而导致特异度稍减低。VIC成像对极重度铁过载患者的准确肝铁定量，指导治疗方案和预防并发症的发生有重要意义，可以作为磁共振技术的重要补充。

本研究还存在一些不足：本研究以正常大鼠的铁过载为模型进行VIC图像重建，未考虑合并钙化、铜及其他高原子序数物质沉积对结果的影响；另外，本研究为动物研究，样本量较少，此扫描方案及回归方程是否能直接用于临床仍需探讨。