能谱CT多参数成像评估胆结石成分的应用价值

刘芳，胡鹏志，郭睿，冯智超，罗慕晴，聂唯，梁琪，刘晟

（中南大学湘雅三医院放射科，湖南长沙410013）

胆结石作为全球最常见的消化系统疾病之一，其患病率高达10%～15%[1]。随着饮食西方化、生活节奏加快，胆结石的发病率处于持续上升的状态，并且术后胆管结石复发率较高[2]。胆结石成分在不同程度上影响治疗方案的选择，有研究表明，熊去氧胆酸等药物治疗对胆固醇结石的溶解率可达82%，而对非胆固醇结石如胆色素和含碳酸钙结石的效果较差[3]；保胆碎石取石对不同成分结石所需能量和次数不同，阳性结石所需冲击波次数更多[4]；不同成分的结石感染菌群和生活方式干预亦有差异[5-6]。因此，胆结石成分检测对疾病治疗和预防起着关键性作用。目前胆结石成分检测均为术后体外分析，无法为非手术治疗或术前诊疗提供帮助。能谱CT 已应用于鉴别物质成分，但其分析体内胆结石成分的研究较少，因此，本研究主要探索能谱CT 多参数成像评估胆固醇结石和非胆固醇结石的应用价值，为临床确定不同类型结石提供理论基础。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年1月—2018年6月中南大学湘雅三医院肝胆外科术后胆结石125 枚。其中，胆管结石45 枚，胆囊结石80 枚，结石直径均＞3 mm，将所有结石随机统一编号，每次随机选取1 枚结石，置入猪肝内部（尽量排除空气），并完全浸于盛有生理盐水的水箱中，模拟体内环境。选取2018年6月—2019年7月超声诊断为胆结石患者80 例。其中，男性36 例，女性44 例；年龄20～75 岁，中位年龄为51 岁，于术前2d内行CT 能谱模式检查，所有患者知情并同意。排除有胆道蛔虫等寄生虫病史患者、术后无结石或结石直径＜3 mm 及图形质量不佳患者。术后共收集结石86 枚，其中胆管结石22 枚，胆囊结石64 枚。

1.2 方法

1.2.1 扫描方式所有体外结石和胆结石患者均进行GE Revolution 256 排多层螺旋CT 扫描并重建普通螺旋CT（120 kvp like 混合能量）的图像，扫描参数如下：GSI （gemstone spectral imaging） 模式，管电压（80 kVp/140 kVp）切换，管电流195 mA，螺距0.516，球管转速0.6 s/周，探测器准直64×0.625 mm，矩阵512×512，显示野8 cm，重建层厚0.625 mm。

1.2.2 图像处理和分析所有能谱数据均传至GE AW4.6 工作站，由2 位有工作经验的放射科医师在不知结石成分的情况下手工选取胆结石的感兴趣区（region of interest,ROI），ROI 为选取胆结石最大层面横截面积的2/3。在GSI 后处理平台上，选择腹部软组织窗（窗宽260 HU/窗位60 HU），测量所有体内外结石的单能量40 keV、100 keV 时结石CT值（HU40keV、HU100keV）、有效原子序数（Eff-Z）、普通螺旋CT 值（HU120kVplike）并计算40～100 KeV能量区间能谱衰减曲线斜率（K），K=（HU40keVHU100keV）/60。每枚结石测量3 次并取平均值作为最后结果。

1.2.3 胆结石成分分析将胆结石置于烤箱中低温烘干，尽量保持胆结石的完整性，将整颗胆结石充分研磨并混和均匀，取少量结石粉末按比例1∶20加入溴化钾，用压片机压制成薄片，用于傅立叶红外光谱分析仪检测，每枚结石取样时取2 次，重复检测，经电脑绘制图谱后，自动解析图谱并生成胆结石成分报告，根据胆结石成分分为胆固醇结石组和非胆固醇结石组（包括胆色素结石和碳酸钙结石以及含多种成分的混合结石）。

1.3 统计学方法

数据分析采用SPSS 22.0 统计软件。计量资料以中位数和四分位数[M（P25，P75）]表示，两组各参数采用秩和检验；计数资料符合程度的判断用Kappa一致性检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。多因素Logistic 回归分析筛选影响因素，并绘制ROC 曲线。能谱CT 各参数预测胆结石成分结果与红外光谱结果比较采用Kappa 一致性检验，比较各参数评估胆结石成分的准确性。

2 结果

2.1 体外胆固醇结石和非胆固醇结石的各参数结果及分析

2.1.1 能谱CT各参数结果红外光谱分析结果显示胆固醇结石组56 枚，非胆固醇结石组69 枚，两组胆结石 HU40keV、HU100keV、Eff-Z、K值和HU120kVplike的比较，经秩和检验，差异均有统计学意义（P＜0.05）； 非胆固醇结石组的HU40keV、HU100keV、Eff-Z、K值和HU120kVplike高于胆固醇结石组。见表1 和图1。

表1 胆固醇结石组与非胆固醇结石组各参数的比较[M（P25，P75）]

2.1.2 多因素logistic 回归分析以是否为胆固醇结石为因变量，逐步回归法用于筛选自变量，最终进入回归模型中的变量仅为（95% CI：5.38，29.35）]，结果显示仅Eff-Z 是胆固醇和非胆固醇结石的影响因素。

2.1.3 ROC 曲线分析结果Eff-Z 鉴别胆固醇结石ROC 曲线下面积为0.962 （95% CI： 0.928，0.997），其特异性和敏感性分别为91.1%（95% CI：0.804，0.970）、94.2% （95% CI：0.858，0.984），相应的截断值为7.27。而普通螺旋CT 值鉴别胆固醇结石ROC 曲线下面积为0.873（95% CI：0.798，0.928），其特异性和敏感性分别为80.6%（95% CI：0.691，0.892）、89.4% （95% CI：0.769，0.965），截断值为39 HU。见图2。

图2 Eff-Z和HU120 kvp like鉴别胆固醇结石和非胆固醇结石的ROC曲线图

2.2 能谱CT和普通螺旋CT预测体内胆固醇结石和非胆固醇结石

红外光谱分析仪获取86 枚胆结石成分，结果显示胆固醇结石36 枚、非胆固醇结石50 枚。根据能谱参数Eff-Z ＜7.27 为胆固醇结石，Eff-Z ≥7.27为非胆固醇结石，获得能谱CT预测胆固醇结石35枚，非胆固醇结石51 枚（见图1）。能谱CT 预测胆固醇结石、非胆固醇结石的准确率分别为88.9%（95%CI：0.739，0.968）、94.0%（95% CI：0.835，0.988），总准确率为91.86%（79/86）（95% CI：0.831，0.967）（见表2）。依据普通螺旋CT 值＜39 HU 为胆固醇结石，CT值≥39 为非胆固醇结石，获得普通螺旋CT 预测胆固醇结石、非胆固醇结石的准确率分别为86.1%（95% CI：0.705，0.953）、72.0%（95% CI：0.575，0.838），总准确率为77.9%（67/86）（95% CI：0.690，0.872）（见表3）。经Kappa 一致性检验，能谱CT 预测胆结石成分结果与红外光谱分析结果具有较高的一致性（κ =0.832，P=0.000）。而普通螺旋CT 预测胆结石成分结果与红外光谱分析结果一致性一般（κ =0.561，P=0.000）。

图1 体内外胆固醇结石和非胆固醇结石的Eff-Z和能谱衰减曲线图

表2 红外光谱分析和能谱CT成像对胆固醇结石和非胆固醇结石的诊断结果比较 例

表3 红外光谱分析和普通螺旋CT成像对胆固醇结石和非胆固醇结石的诊断结果比较 例

3 讨论

目前符合手术指征的胆结石患者首选手术治疗如腹腔镜下胆囊切除术[7]，然而具有中转开腹手术、胆囊切除术后综合征的风险，术后降低患者生活质量，且胆管结石复发率可高达5%～20%[2]。研究表明胆囊缺失可导致肠道微生物改变从而增加结直肠癌的发病率[8]。随着各种有效溶石和阻止结石形成药物的出现，药物治疗成为治疗胆结石的重要组成部分，而胆固醇结石的有效溶石率最高，针对非手术治疗患者，特别是对于有高危风险和年龄较小的患者，结石成分分析结果能指导药物治疗方案制订，为有保胆意愿的患者带来希望，同时减少胆囊缺失引起的诸多并发症。临床最常用的螺旋CT 为混合能量成像，单一参数CT 值反映物质密度的高低，在判断结石成分时存在较大的主观性，且鉴别结石成分时CT 值会相互重叠[9]。能谱CT 具有单能量成像、K和Eff-Z 等多种参数成像，可定量、定性分析物质成分[10]，被广泛运用于肾结石的分型、肺癌、胃癌的亚型[11-13]等研究领域。因此，能谱CT 多参数成像为评估胆结石成分提供可能性。

体外实验结果表明能谱CT 成像可以鉴别胆固醇结石和非胆固醇结石。胆固醇结石HU40keV均为负值，随单能量keV 升高胆固醇结石的CT 值缓慢增加，能谱衰减曲线呈平缓上升型，其Eff-Z 小于非胆固醇结石，并与脂肪的Eff-Z （Eff-Z脂肪=6.22）近似，可能与结石中大量胆固醇成分有关，YANG等[14]在体内实验表明胆固醇结石在脂基物质上显示最为清晰，此外CHEN 等[15]报道了选择单能量40 keV 可明显提高胆固醇结石的检出率，本研究采用多因素Logistic 回归分析结果显示HU40keV并非预测胆固醇结石独立影响因素，可能与CT 值容易受到扫描参数、结石周围胆汁中色素、胆固醇结晶以及钙等多种因素干扰有关，而Eff-Z 水平作为鉴别胆结石成分的唯一独立影响因素，提示Eff-Z更有利于胆固醇结石的识别，分析其原因可能是由于Eff-Z 是能谱参数中鉴别无机物成分的精确分析方法[10]，其可以直接反映感兴趣区无机物的性质，达到精准分析的目的；而非胆固醇结石HU40keV、HU100keV均为正值，能谱衰减曲线呈平缓下降型，其Eff-Z 高于胆固醇结石，可能与非胆固醇结石中含有金属成分如Ca、Cu 和Fe 元素有关[16]，这与既往研究含钙量高的肾结石Eff-Z 较大相符合[17]，此外张子田等[18]采用宝石能谱CT 分析54 枚离体胆结石成分，结果表明非胆固醇结石的Eff-Z较胆固醇结石大，与本研究体外实验结果相一致，本研究优势在于胆结石样本量大，且采用回归分析筛选出独立预测因素Eff-Z 并根据ROC 曲线下面积获得鉴别是否为胆固醇结石的截断值7.27，随后将其应用于后面的体内验证研究，具有更高的真实性和可靠性。

体内验证结果表明能谱CT 成像较为准确地预测体内结石成分。能谱CT 多参数成像预测胆固醇、非胆固醇结石的准确率分别为88.9%、94.0%，其总准确率为91.86%（79/86），与红外光谱分析结果具有较高一致性。与普通螺旋CT（120 kVp like 混合能量）比较，能谱CT 总准确率明显得到提高，且以非胆固醇结石的准确率提高为著，分析其原因可能是以胆固醇含量为主的混合结石被普通螺旋CT预测为胆固醇结石所致，而能谱CT 在鉴别物质成分时更细微、精准。本研究能谱CT 诊断胆固醇结石32 枚，误诊为非胆固醇结石3 枚，误诊的原因可能是非胆固醇结石中胆色素成分或碳酸钙的含量太少，而红外光谱分析时取充分研磨后结石的小部分，可能未取到胆色素或碳酸钙成分导致结果误差，漏诊非胆固醇结石4 枚，可能与部分非胆固醇结石的非均匀性、ROI 选取层面有关，需进一步研究证实。

本研究的局限性：①体外实验为收集125 例胆结石，具有一定代表性，但总样本量仍偏少；②红外光谱分析结果作为胆结石成分的参考标准，无法获得胆结石中成分的具体含量；③本研究未对非胆固醇结石进行细化分类，有待扩大样本量进一步细化研究。

综上所述，能谱CT 成像可较为准确地评估胆结石成分，尤其是Eff-Z最佳，且优于普通螺旋CT扫描，能谱CT 成像为评估胆结石类型提供新的方法，为临床治疗提供理论依据。