双层探测器能谱CT 单能级成像对门静脉成像质量的影响

王世伟，李金锋，邹 颖，李 涛，罗春材，黄自立，李雪萍

（1.解放军总医院海南医院放射科，海南 三亚 572013；2.解放军总医院第一医学中心放射科，北京 100853）

门静脉病变包括原发性和继发性的，主要有门静脉高压侧支血管形成、门静脉海绵样变、门静脉血栓形成、门静脉内瘤栓形成等。多层螺旋CT 是观察肝静脉及门静脉病变最常用的无创影像诊断工具[1]。由于能谱CT 的出现，使得门静脉的成像质量不断提高。尤其是双层探测器能谱CT 的问世，可以产生从40～200 keV 的一系列的单能级图像，能够选择高对比噪声比（Contrast-to-noise ratio，CNR）的门静脉成像。本研究目的评价双层探测器能谱CT 对于门静脉成像质量的影响，从而选择提供最佳对比度的单能级图像。

1 材料和方法

1.1 一般资料

2019 年2—3 月39 例在我院双层探测器能谱CT 进行腹部检查门静脉正常的患者被入选，排除标准包括：①肝脏占位性病变影响门静脉显影及门静脉瘤栓形成的病例；②影响门静脉血流动力学改变的疾病如肝硬化门脉高压、布加综合征等；③心血管系统疾病病史。男18 例，女21 例，年龄40～79 岁，平均（48.5±10.6）岁。本研究是一个前瞻性的研究，所有的患者均签署了知情同意书。

1.2 能谱CT 检查

所有的患者经历了3 期（平扫、动脉期、门脉期）腹部CT 检查，检查在单源、双层探测器的能谱CT（IQon CT，Philips N.V.）进行。对比剂使用iopamidol（320 mg/mL）以3 mL/s 的速度注入60 mL，然后注入30 mL 生理盐水。动脉期于注射对比剂28 s 后进行扫描，门脉期于注射对比剂60 s 后进行扫描。扫描模式使用能谱CT 采集模式，扫描参数包括：球管转速0.75 s，探测器宽度40 mm,螺距0.92∶1，扫描野35 cm,管电压120 kVp，自动管电流，层厚0.625 mm。扫描后原始数据被重建成常规的120 kVp 的混合能量图像（idose 3 迭代重建方式）和能谱为基础的图像（采用spectral 3 重建方式），重建层厚1 mm，所有重建图像传到后处理工作站（IntelliSpace Portal，Philips Healthcare）进行后处理。

1.3 后处理重建

能谱CT 重建产生了4 种类型的图像，161 组40～200 keV 的单能级图像，管电压相当于120 kVp的混合能量的图像，碘密度图以及有效原子序数图。数据的测量在门静脉期图像上进行，主要在120 kVp的混合能量图像及单能级图像上进行测量。选择的感兴趣区的大小和位置在120 kVp 的混合能量图像与能谱单能量图像完全一致。感兴趣区位于肠系膜上静脉与脾静脉汇合的门静脉的起始部水平，大小约30～35 mm2，避免碰到门静脉的边缘。另一圆形的感兴趣区放置在同层面的竖脊肌，大小约35 mm2，分别在常规120 kVp 的混合能量图像上及40，50，60，70 keV 的单能量图像上测量。测量门静脉CT 值，同层竖脊肌的CT 值（图1）。噪声定义为门静脉CT 值的标准差。信号-噪声比 （Signal-tonoise ratio，SNR） 定义为门静脉的CT 值除以噪声，CNR 定义为（CT门静脉-CT同层竖脊肌）/噪声。将120 kVp混合能量组、40、50，60，70 keV 单能量组设置为A1到A5 组，分别比较40～70 keV 各单能量组图像门静脉CT 值、噪声、SNR、竖脊肌的CT 值、CNR 与120 kVp 混合能量组的差别，并将A1 到A5 组各个客观评价指标进行两两比较，筛选出显示门静脉的最佳单能级图像。所有的影像数据由两位5 年以上腹部影像诊断经验的医师采用单盲法进行测量，测量3 次，取平均值。采用高年资医师图像质量的测量结果作为最终测量结果。

图像的主观评价：采用横轴位图像、容积再现（VR）和最大密度投影图（MIP）对常规混合能量图和最佳单能级图像进行门脉血管成像，然后进行主观评分（图2）。评分采用5 分制，根据图像上门静脉边界的锐利度、与周围组织的对比度、所显示的门静脉分支的级别进行综合评分[2]：5 分，门静脉边缘锐利，与周围组织对比优，门脉5 级分支显示良好；4 分，门静脉边缘较锐利，与周围组织对比良好，门静脉4级分支显示良好；3 分，门静脉边缘较清楚，与周围组织对比中等，门静脉3 级分支显示良好；2 分，门静脉边缘不清楚，与周围组织对比较差，门静脉2 级分支显示良好；1 分，门静脉边缘模糊，与周围组织对比极差，仅肝内门静脉1 级分支显示良好。

图1a 常规120 kVp 混合能量图。图1b～1e 40～70 keV 的单能量图，分别在各个图上测量门静脉的CT 值及竖脊肌的CT 值。Figure 1a.Conventional polychromatic 120 kVp images.Figure 1b～1e.40～70 keV monochromatic images.CT value of portal vein and erector spine muscle was respectively measured on each image.

图2 门静脉重建的MIP 图。图2a：40 keV 重建的MIP 图。图2b：常规混合能量重建的MIP 图（两者的窗宽、窗位一样）。Figure 2.MIP reconstruction image of portal vein.Figure 2a:The reconstructed MIP image from 40 keV monochromatic image.Figure 2b:The reconstructed MIP image from conventional polychromatic image(both have the same window width and window level).

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0 统计包进行统计学分析。Kolmogorov-Smirnov 检验计量资料是否符合正态分布，符合正态分布用±s 表示。Levene 检验用于方差齐性分析。比较A1～A5 组组间门静脉的CT 值、噪声、SNR 和CNR 的差异采用方差分析检验，两两比较采用LSD-t 检验（方差齐）和Dunnett 检验（方差不齐）。两位医师对于图像质量主客观评分的一致性采用Kappa 检验。P＜0.05 代表有统计学差异。

2 结果

A1～A5 组门静脉的CT 值、影像噪声、门静脉的SNR、竖脊肌的CT 值、门静脉与同层竖脊肌的CNR值见表1。各组之间各个参数具有显著的统计学差异，与A1 组相比较，A2 组CT 值增加了129%，SNR增加了153%，CNR 增加了300%，噪声降低了9%。

与120 kVp 混合能量相比，使用70 keV 以下的单能级图像，可以增加门静脉血管的可视性。除A5组单能级图像外，其余A2～A4 单能级图像组门静脉CT 值均高于A1 组（P=0.000＜0.05）（图3）。

各组噪声达到了统计学差异。A2 组噪声低于A1 组，达到统计学意义（P=0.024），A3～A5 组均低于A1 组（P=0.001，0.000＜0.05），A2 组和A3 组的噪声没有统计学差异（P=0.339）（图4）。

对于SNR，A5 组的SNR 与A1 组之间没有差异（P=0.172），其余A2～A4 组的SNR 远远高于A1 组（P=0.000＜0.05），A2 组与A3 组SNR 有显著的统计学差异（P=0.003），A2 组远远高于其它组（P=0.000）（图5）。

A2～A4 组竖脊肌的CT 值都高于A1 组 （P=0.000，0.000，0.016），A5 组与A1 组没有差异 （P=0.946）（图6）。

A2、A3 组CNR 远远高于其它组（P=0.000），A2组远远高于A3 组（P=0.000）。A5 组和A1 组没有差异（P=0.954）（图7）。

因此40 keV 是显示门静脉的最佳单能量图像，70 keV 的图像近似于120 kVp 混合能量图像。

两位医师对于图像质量的各项测量数据的一致性分析，门静脉CT 值（Kappa=0.92），噪声（Kappa=0.90），竖脊肌CT 值（Kappa=0.91），显示各项测量数据一致性良好。

两位医师对于常规混合能量及最佳单能级图像质量的主观评分：常规混合能量图像为（3.7±0.5）分和（3.8±0.4）分，40 keV 最佳单能量图像（4.9±0.3）分和（4.9±0.4）分，t 值为-11.2 和-16，P 值均为0.000。两位医师的主观评分显示40 keV 最佳单能级图像质量显著高于常规混合能量的图像质量，两位医师的主观评分一致性较好，Kappa 值分别为0.80 和0.82。

表1 门静脉成像各组图像客观评价指标比较

图3 A1～A5 组门静脉的CT 值。图4 A1～A5 组噪声。图5 A1～A5 组的信噪比。图6 A1～A5 组的竖脊肌的CT 值。图7 A1～A5 组的对比噪声比。Figure 3.CT value of portal vein of group A1～A5.Figure 4.Noise of group A1～A5.Figure 5.SNR of group A1～A5.Figure 6.CT value of erector spine muscle of group A1～A5.Figure 7.CNR of group A1～A5.

3 讨论

CT 门静脉成像是观察门静脉疾病最常用的无创影像诊断工具，门静脉成像在腹部扫描门静脉期进行。门静脉内对比剂的浓度主要依靠肠系膜上静脉、脾静脉的回流，而这又受到心功能、脾灌注等多种因素的影响。另外，在病理状态下，尤其是肝硬化、肝癌的患者，其血液循环较慢，又由于门脉高压、侧支循环的形成，使得门静脉成像质量受影响的因素更加复杂。提高门静脉成像质量的关键是提高门静脉内对比剂的浓度，形成门静脉与周围组织的良好对比。增加对比剂的注射速率和注射量可以增加动脉内的CT 值，但对门静脉的影响有限[3-4]。另外，随着对比剂使用的增加，常规混合能量图像中的线束硬化伪影也会随之增加[5]。

CT 成像中，组织的密度主要由光电效应和康普顿效应形成的。光电效应主要来自100 keV 以下的光子的能量，康普顿效应主要来自100 keV 以上的光子的能量[6]。双能CT 的原理是能够重建出接近真实的单能级X 线束采集的虚拟单能级影像。

不同的CT 扫描仪双能量产生的方式不同：①双源双能量CT 采集技术是通过两套管球和探测器系统以不同的管电压（140，100 kV） 进行双能量成像；②宝石能谱CT 是通过快速切换X 线管球发出的kVp（140，80 kVp），能谱栅成像技术获得单能量成像及能谱分析；③近年来新出现的双层探测器能谱CT，是使用立体的双层探测器，区分一束X 射线中的高、低能量数据，实现了“同时、同源、同向”的能谱成像。双层探测器探测到的信息可以结合起来获得常规混合能量图像，能谱重建算法能够提供单能级图像。常规的混合能量的射线获得的是各个能量共同作用的平均CT 值，平均CT 值会降低物质之间的对比。

能谱CT 可以提高门静脉的成像质量[7]，双层探测器能谱CT，可以获得从40～200 keV 的161 组单能级图像[8]。一般来说，物质的密度会随着能级的降低而增加，尤其是高原子序数的物质，比如碘会增加的更加明显，这就增加了对比剂和软组织之间的对比，使选择门静脉成像最佳对比度的单能级图像成为可能。

既往能谱CT 主要是双源双能CT 以及快速切换kVp 的宝石能谱CT 对于动脉及门静脉的研究[9-13]。然而，使用双层探测器能谱CT 对于门静脉的研究极少[14]。我们的研究发现，40 keV 单能级图像成像门静脉，SNR 和CNR 最高，是常规混合能量的2.53 倍和4 倍。而影像噪声与常规混合能量相比下降了9%，且达到了统计学意义的降低。由于能级的降低碘密度会明显增加，而噪声仍处于较低水平，因此40 keV 时门静脉成像获得的SNR 和CNR 最高。这也是双层探测器能谱CT 的2 个关键技术特征，即在低能级水平碘密度会明显增加以及在整个单能级范围噪声都处于较低水平[15-16]。我们的研究结果比以前的研究还令人满意。Zhao 等[2]使用宝石能谱CT成像门静脉，得出51 keV 是成像门静脉的最佳单能级图像，与常规混合能量相比，CNR 增加了2 倍，然而噪声也增加了30%。我们的研究也证实了双层探测器能谱CT 不同于其它能谱CT 的特征，即在低能级水平碘密度虽然明显增加，但噪声仍处于较低水平，低于常规混合能量组。因此，双层探测器能谱CT较其它能谱CT 能够更好的提高图像质量。两位医师对于最佳单能级图像质量的客观和主观评价一致性较好，说明最佳单能级图像具有一定的客观性和可靠性，观察者之间的偏倚较小。我们的研究还显示70 keV 单能级图像成像门静脉，SNR 和CNR 分别为5.96±1.77 和2.27±0.98，与常规混合能量的SNR和CNR 没有统计学差异，因此70 keV 的图像与常规混合能量的图像最接近。

我们目前的研究是一个方法学的探索，是单源双层探测器能谱CT 对门静脉疾病成像的前瞻性研究的基础。本研究并没有纳入肝脏巨大占位性病变影响门静脉显影及门静脉瘤栓形成的病例，也没有纳入影响门静脉血流动力学改变的疾病如肝硬化门脉高压、布加综合征等，这些将是我们下一步研究的重点。

本研究的目的是探讨双层探测器能谱CT 对于门静脉图像质量的影响。我们的研究发现40 keV单能级图像与常规混合能量图像相比，噪声达到了统计学意义的降低，SNR 和CNR 明显提高了，因此40 keV 是双层探测器能谱CT 门静脉成像的最佳单能级，70 keV 与常规混合能量的图像最接近。