双能量CT 在肝实质弥漫性疾病中的应用进展
2021-11-30吕敏肖恩华
吕敏 肖恩华
肝实质弥漫性疾病为一组弥漫性肝细胞变性、坏死的疾病。常见的肝实质弥漫性疾病主要有肝炎、脂肪肝、肝铁沉积、肝胆汁淤积等。持续存在的炎症、脂肪变性、铁沉积和胆汁淤积会不断刺激肝星形细胞导致肝纤维化,在无任何干预的情况下,肝纤维化可以进展为肝硬化及肝癌,后者是中国第四大常见肿瘤,第二大致死肿瘤[1]。然而,上述疾病转变为纤维化的病理过程具有可逆性,早期评估病变程度有助于疾病的完全治愈。目前明确肝实质弥漫性疾病病变程度的金标准是肝活检,但其具有一定的创伤性,并且不适合长期随访观察及评估药物治疗反应,因此临床医生在诊疗中一般更倾向于无创的影像检查,如 B 超、MRI 及 CT。B 超及 MRI 弹性成像可以精确检测及评估肝纤维化及肝硬化,但均对肥胖病人穿透力差、成像时间长,且不适用于体内有金属植入物的病人[2-3]。CT 可以弥补这些不足,然而其只能对出现明显影像学变化的疾病进行诊断。近年来,随着双能量CT(dual-energy computed tomography,DECT)的发展,其物质分离技术可以对肝内碘、脂肪和铁等多种物质进行准确识别和定量,进而可以对肝纤维化、脂肪肝、肝铁沉积、肝硬化及其并发症进行评估,这就使CT 早期诊断及评估肝实质弥漫性疾病的严重程度成为可能。
1 DECT 成像原理
DECT 成像是在2 种不同能量下对物体进行CT 扫描的成像技术。根据同种物质在不同能量下的线性衰减系数(X 线衰减值)不同,DECT 可以通过获取不同能量下所得的附加衰减值进行物质鉴别。由于任何一种物质的线性衰减系数可以由2 种或3种基物质的线性衰减系数以不同比例构成,因此DECT 可以通过基物质分离算法实现物质分离,即物质分离技术。DECT 还具有强大的后处理能力,包括虚拟单能成像、虚拟平扫成像、虚拟去钙成像、能谱曲线及有效原子序数图等后处理技术[4]。这些技术在临床上的使用扩大了CT 的应用范围,也提高了CT 在诊断疾病方面的性能[5]。
2 DECT 成像方法
目前有许多技术可用于获取双能量数据[6],如双源双能量CT 技术、单源螺旋双能量CT 技术、同源双光束双能量CT 技术、单源序列采集双能量CT技术、单源快速管电压切换双能量CT 技术、双层探测器双能量CT 技术。每种技术采集数据的方式不同,并且各自都存在不足,本文主要介绍在肝脏方面研究及应用较多的单源快速管电压切换双能量CT 技术及双源双能量CT 技术。①单源快速管电压切换双能量CT 技术:在该技术中X 线管能迅速切换管电压,从而收集交错的能量投影数据。该技术对CT 设备的要求较高,因为收集的双能量数据几乎是同时获取的,管电压需要在短时间内快速调节,但调节时间过长都会导致2 种能量分离不佳;且与其他单源CT 相比,每台机架旋转采集的视图数需要增加1 倍以上才能够维持影像质量及减少混杂伪影。②双源双能量CT 技术:双源CT 内有2组相互垂直的X 线球管系统及探测器系统,在扫描过程中,2 组系统分别在高能量与低能量下同时、同平面互不干扰地采集数据。双源CT 的最大优势是管电压、管电流及过滤器均可调节,并且2 个球管相互独立,充分实现了能量最小重叠及光谱优化。第3 代双源CT 高能量X 线球管的前方还安装了一个锡过滤片,有助于衰减低能量光子,增加光谱能量的差异,促进能谱分离。双源CT 存在的不足主要是扫描视野较小及存在散射交叉辐射。
3 DECT 成像在肝实质弥漫性病变中的应用
3.1 脂肪定量 一般情况下,常规CT 可以通过CT衰减值检测及诊断脂肪肝,但这种方法只能粗略估计脂肪肝程度,而不能对肝内脂肪定量;DECT 可以利用多物质分离技术能区分脂肪并量化肝组织中的脂肪含量,从而对脂肪肝病人进行早期准确评估。Hyodo 等[7]对33 例疑似肝脏脂肪变性的病人依次进行了 DECT(80、140 keV)、单体素质子磁共振波谱(MRS)分析、肝活检,然后在 DECT 及 MRS 上根据肝活检范围选取了3 个兴趣区,并分别测得所选区域的脂肪含量,即肝脂肪体积分数(fat volume fraction,FVF)和脂肪分数(fat fraction,FF),研究发现FVF 与FF 的曲线下面积(AUC)分别为0.88、0.89,表明DECT 与MRS 在定量肝内脂肪含量上具有相似的准确性,研究还进一步分析了不同增强扫描期的FVF 值与平扫期的FVF 值的一致性,结果显示增强扫描期获取的FVF 值会高估肝内脂肪含量,但是高估值在可接受的范围内(≤2%)。因此,总的来说增强扫描期虚拟影像与平扫期影像具有一致性,这为减少病人的扫描次数与辐射暴露提供了可能。孙等[8]还使用DECT 能谱曲线对不同程度的脂肪肝恒河猴模型进行了评估,结果表明DECT 与病理活检非酒精性脂肪肝活动性评分具有良好相关性。DECT 在定量评估肝脏脂肪沉积的异质性方面也有一定价值,Cao 等[9]采用70 keV 虚拟单色图像测得的不同脂肪肝模型大鼠左肝叶及右肝叶的脂肪含量、肝脾密度比、肝脾密度差的差异均有统计学意义,提示DECT 单色图像CT 值能敏感地反映大鼠肝脏脂肪沉积的异质性。
然而,有些研究者得到了不同的结果。Guo 等[10]应用常规CT 对400 名健康志愿者进行了肝内脂肪含量定量分析,结果显示常规CT 原始及校正的定量CT 值与MRI 测得的FF 值均有良好的相关性(r2均为0.79)。Kramer 等[11]比较不同影像方法检测肝内脂肪含量差异,结果发现单能CT 与MRS 具有较高的相关性(r2=0.856),而 DECT 与 MRS 仅具有中等相关性(r2=0.423)。可能是由于DECT 在评估不同程度脂肪肝上的敏感性不同所致,即DECT 对重度脂肪肝的敏感性高于轻度脂肪肝。
3.2 铁定量 在肝铁沉积症的诊断中,MRI 常作为检测肝内铁沉积含量的辅助方法[12]。近年来,随着DECT 物质分离技术的发展,许多研究都证明了DECT具有评估肝内铁沉积含量的准确性。Luo 等[13-14]先后在动物实验及临床试验中验证了DECT 定量肝内铁含量的可行性,动物实验主要将DECT 从兔载铁模型获取的虚拟铁浓度(virtual iron concentration,VIC)与兔活检获取的肝铁含量(liver iron content,LIC)进行相关性分析;临床试验主要对疑似肝铁沉积病人进行分析,将DECT 获取的VIC 与MRI 获取的LIC 进行相关性分析,结果显示动物实验和临床试验中VIC 与LIC 的相关系数分别为0.977、0.885,表明DECT 测得的VIC 与病理活检及MRI 测得的LIC 明显相关,且发现DECT 获取的VIC 对肝铁沉积程度的分级具有很高的敏感度和特异度,在疑似肝铁沉积病人中,当LIC 阈值为含铁7.0 mg/g 或更高时,VIC 的敏感度和特异度均为100%。Werner等[15]研究还发现DECT 获取的肝VIC 与血清铁蛋白水平和输血铁估计量密切相关,可用于输血性铁沉积症的常规诊断和补充评估。因此,DECT 在评估肝脏铁沉积及其程度分级方面非常有价值,这为不能选择MRI 检查的病人提供了一种有效并准确的替代方法。
3.3 胆汁淤积 最近的一项研究[16]报道,18 岁以下肝硬化病人的最常见病因是先天性胆汁淤积病和发育障碍。目前尚无研究采用DECT 评估胆汁淤积,但有研究者分析了DECT 对胆汁淤积性肝硬化儿童肝脏血流动力学的评估价值,如Shang 等[17]对60 例胆汁淤积性肝硬化儿童和15 例肝功能正常的遗传性代谢疾病儿童进行了DECT 扫描,在DECT碘图上获取了2 组的肝动脉碘分数(arterial iodine fraction,AIF;AIF=动脉期碘浓度/门静脉期碘浓度),结果显示2 组的AIF 差异具有统计学意义;并且在肝硬化组中,随着Child-Pugh 分级的增加,胆汁淤积性肝硬化患儿的肝实质动脉期碘浓度和AIF 逐渐增加,试验所显示的AIF 变化趋势与既往通过超声多普勒检查和动态增强MR 成像获得的胆道先天性闭锁儿童肝脏血流动力学结果相似。Dong 等[18]在成人肝硬化的研究中也发现AIF 及肝实质动脉期碘浓度与Child-Pugh 分级呈正相关(r=0.71,r=0.46)。基于DECT 碘图可评估肝硬化病人肝、脾实质血流动力学的变化以及AIF 可作为Child-Pugh分级的一个定量指标,因此DECT 可用于评估肝硬化严重程度以及监测肝硬化病人疾病进展和治疗反应。
3.4 肝硬化及其晚期并发症 常规CT 可以利用精确减法运算和平衡期影像计算出肝细胞外体积分数 [extracellular volume fraction,fECV,fECV=(肝 CT值/主动脉 CT 值)×(1-血细胞比容)],通过 fECV 值可以对早期和晚期肝纤维化进行评估[19]。DECT 在此基础上量化了肝脏及主动脉的碘浓度,进一步提高了fECV 评估肝纤维化严重程度及分级的准确性,有研究[20]表明DECT 获取的fECV 值用于区分肝纤维化程度(F1-F4)的 AUC 值范围为 0.795~0.855。Bak 等[21]研究了 DECT 碘图获取的fECV 值能否预测肝硬化病人的肝脏相关事件,结果显示fECV值和血清白蛋白水平为肝脏相关事件的独立预测因子,并且还发现fECV 和血清白蛋白水平组成的风险模型[赤池信息量准则值(Akaike information criterion,AIC)=173.36,一致性指数=0.941]相比于单独的fECV(AIC=183.09,一致性指数=0.890)及血清白蛋白(AIC=209.45,一致性指数=0.849)对肝脏相关事件具有更高的预测性能。另外,对于通过肝与腹主动脉的碘浓度比计算fECV,Ito 等[22]提出脊柱的条纹伪影可能会影响腹主动脉碘浓度的测量,建议测量肝上方上腔静脉碘浓度替代腹主动脉碘浓度进行fECV 计算。最近,有研究者发现双能多相CT 获取的碘洗脱率也可以对肝纤维化程度进行预测及评估,并且可能相比fECV 具有更高的准确性。
DECT 碘图为评估肝硬化晚期并发症也提供了潜在的可能性。食管胃底静脉破裂出血是肝硬化最常见的并发症,早期评估静脉曲张程度有助于预测及防止发生胃肠道大出血。Han 等[23]在DECT 碘图上获取了72 例食管静脉曲张病人及20 名健康志愿者的脾碘量(iodine weight of spleen,IW-S=脾实质碘浓度×脾体积),研究显示食管静脉曲张病人和健康志愿者的IW-S 差异具有统计学意义,并且食管静脉曲张程度越重,IW-S 越高,研究还进一步分析了IW-S 对高危食管静脉曲张的诊断效果,结果测得IW-S 检测高危食管静脉曲张的AUC 为0.87,敏感度为84.9%,特异度为84.2%。肝癌是肝硬化晚期的严重并发症。DECT 碘图和DECT 重建虚拟单色成像(virtual monoenergetic imaging,VMI)对早期肝癌的诊断准确率相对于常规CT 更高。碘图提高了肝癌动脉晚期强化的可见性,VMI 提高了肝癌静脉期或延迟期洗脱的可见性。Matsuda 等[24]研究表明50 keV VMI 最适合早期小肝癌(≤2 cm)的延迟期洗脱检测。此外,碘图还有助于评估肝癌射频消融术后疗效[25],可以发现残留或复发的肿瘤。DECT碘图对术前预测肝癌有无微血管浸润也有一定的价值[26-27]。
3.5 其他 肝糖原贮积症、肝豆状核变性、Budd-Chiari 综合征也是常见的肝实质弥漫性疾病,但目前尚未见研究者使用DECT 对以上疾病进行研究的报道。肝糖原贮积症主要由于糖原代谢酶的缺陷而导致糖原分解或合成障碍,从而产生不同组织器官中糖原过多蓄积,累及肝脏时主要表现为肝脏显著肿大及肝实质密度改变,但肝糖原贮积症常并发弥漫性肝脂肪浸润,可部分或完全抵消糖原对肝密度的影响。肝豆状核变性主要是肝铜浓度的增加,但与肝铁沉积症不同的是,肝脏衰减值并无明显增加。Budd-Chiari 综合征是由于下腔静脉肝段和/或肝静脉狭窄或阻塞所致肝静脉回流障碍的一种临床综合征,其首选检查方法为超声。
4 DECT 成像的局限性
目前DECT 在肝实质弥漫性疾病及其他疾病诊疗过程中并没有得到充分利用,这可能受繁琐的工作流程[28]和当前的技术限制。工作流程问题主要为处理时间和网络传输时间过长,重组高、低能量的薄层影像以及额外重组虚拟单能成像、虚拟平扫成像、虚拟去钙成像等影像需要大量的时间,并且由于影像数据过多,在系统中传输的时间也会相对延长,这两者都大大增加了病人的相对检查时间及放射科医生的工作时间。在技术方面,为获取更高的影像质量需要进一步优化影像噪声及开发更通用的双能应用算法,以进一步扩大DECT 的临床应用范围。
5 小结
DECT 碘图、虚拟单能图像、多物质分离技术等为肝实质弥漫性病变的诊断提供了更高影像质量、更低的辐射暴露剂量以及更多有助于评估病变程度及分级的信息,对于监测疾病的进展及治疗反应也有很大的帮助。DECT 可替代MRI 评估肝实质弥漫性疾病且具有高准确性,对不能进行MRI 检查的病人具有较大的应用前景。但是,DECT 对于肝实质弥漫性疾病的诊断优势仍然还需要更多、更大样本量去研究。相信随着DECT 后处理技术的不断发展,DECT 将为肝实质弥漫性疾病诊疗提供更大的价值。