双层探测器光谱CT在头颈部疾病中的研究进展

赵宝连，涂文婷，范丽，萧毅

197 3 年，Godfrey Hounsfield首次提出双能量CT的概念，2006年双能量CT开始用于临床实践[1]。根据采集方法的不同，双能量CT主要分为双源CT、单源瞬时管电压切换CT和双层探测器光谱CT（简称光谱CT）[2]。其中，双源CT是具有2个X射线球管和2个探测器的CT系统，这2个X射线球管和探测器分别成角约90°，在不同的kV设置下同时发射X射线并采集双能量数据；单源瞬时管电压切换CT是通过一个球管在80 kV和140 kV之间快速切换来采集双能量数据。光谱CT是目前唯一由探测器驱动的双能量CT，采用双层探测器在固定单一管电压（通常为120 kV）下进行双能量数据的采集，双层探测器中由钇为基质的闪烁晶体组成的内薄层选择性吸收低能光子，由Gd2O2S2组成的外厚层吸收高能光子[3]。

光谱CT的特点是不需要预先选择扫描方案，只需一次扫描就可以获得常规CT影像信息和各种能谱信息。相比其他2种双能量CT，光谱CT更加适合在临床普及和回顾性分析，只是双能重建的时间较长。另外，光谱CT技术可以达到“同源、同时、同向”的要求，为准确地能量解析提供保障，可以达到去除线束硬化伪影的最佳效果[4]。由于紧凑的机架设计，双源CT中的一个探测器被限制在较小的中心视场，其收集的数据可能会产生数据截断；单源瞬时管电压切换CT的高低电压切换需要时间，空间分辨力和时间分辨力均有损失；而光谱CT扫描在全扫描视野（50 cm×50 cm）下进行，也无需电压切换就可以解决上述问题。然而，由于光谱CT探测器闪烁体的两层材料对光子的敏感曲线部分重叠，因此其能谱对比度低于双源CT[3]。光谱CT在临床中常用的光谱图包括常规CT影像（conventional CT images,CI）、虚拟单能量影像（virtual monoenergetic images,VMI）、有效原子序数图、虚拟平扫（virtual noncontrast,VNC）、钙抑制图、碘密度图、电子云密度图、尿酸图、能谱曲线。本文主要对近5年光谱CT在头颈部CT影像质量改善、脑卒中诊治、颈动脉粥样硬化、头颈部肿瘤中的研究进展做一综述。

1 光谱CT在提高头颅CT影像质量中的应用

头颅CT平扫是头颅疾病常用的检查方式之一，影像质量是疾病诊断的基础，多项研究[5-6]表明光谱CT对头颅扫描的影像质量优于常规CT。Neuhaus等[7]对40例行光谱CT头颅扫描的病人进行研究，对比光谱CT头颅平扫重建的VMI和CI发现，与CI相比，在65 keV和120 keV条件下，VMI可以分别明显提高脑灰白质对比度和减少颅骨的线束硬化伪影，但该研究仅评估了影像质量参数，未来可以进一步研究VMI对于头颅疾病诊断准确性的影响。

脑动脉瘤病人术后复查CTA评估血管管腔及术区并发症时,常受到金属夹及弹簧圈伪影的干扰，金属伪影使得病人血管管腔狭窄被高估，并降低术区脑组织的影像质量，给临床医师带来很大困扰[8]。而光谱CT可以在技术上去除金属伪影，Grosse Hokamp等[9]对20例深部脑刺激电极置入术后行光谱CT检查的病人研究发现，与常规CI相比，采用去金属伪影（metal artifact reduction,MAR）算法进行后处理的CI（CIMAR）显著减少了病人颅内电极的金属伪影，然而MAR与200 keV时的VMI（VMI200keV）结合并未能减少金属伪影，这与其他研究结果是相矛盾的，这可能与该研究中的电极线直径较小有关[10-11]。Zopfs等[10]对35例颅脑术后光谱CT复查的病人进行研究发现，与CI相比，VMI≥140 keV时，VMI和MAR可以明显减少主观阅片中的金属伪影，但在客观评估中VMI的金属伪影并没有减少，MAR只能减少表现为暗带的伪影，VMI与MAR的结合影像（VMIMAR200keV）效果最好，可以明显减少主客观评估中的金属伪影。但在高kV下（200 keV）不仅会减少金属伪影，还会降低血管的显示，因此Zheng等[11]对29例脑动脉瘤术后病人进行了进一步研究，将光谱CT中重建出的CI、VNC和VMI影像经MAR处理为CIMAR、VNCMAR和VMIMAR，然后再采用一种由VNCMAR和适宜的VMIMAR减影成像形成的新的减影方法（S-MAR），结果表明在40 keV下，S-MAR在减少金属伪影方面显著优于CI、VMI、CIMAR、VMIMAR，尤其是对于直径≥0．5 mm的弹簧圈；同时该方法还能够改善血管的显示。但该研究没有将S-MAR诊断的精确性与金标准数字血管造影（DSA）做对照，也没有进一步分析S-MAR性能与不同大小的金属植入物之间的关系。综上，不仅高keV下的VMI可以减少金属伪影，低keV下的VMI也是可能的，未来高kV或低kV下的VMI、MAR及VMI与MAR的结合在颅内金属伪影减少的准确性、不同大小金属植入物之间的去伪影效能等方面值得进一步研究。

2 光谱CT在脑卒中诊治中的应用

颅内出血和缺血性病变的首选方法是头颅CT，光谱CT可以提高脑卒中的诊断准确性[12-13]。Lennartz等[12]对58例光谱CT头颅平扫研究发现，VMI对脑出血和脑缺血病变的显示优于CI；在120 keV下，对脑白质的缺血病变和脑灰质的出血显示最佳；在40 keV下，脑白质的出血和脑灰质的缺血病变显示效果最好。另外，Ståhl等[13]纳入24例由颈内动脉或大脑中动脉闭塞引起的急性脑缺血病人，均于入院后1～3 d进行了头颅光谱CT扫描，研究发现不同能级水平的VMI对脑卒中的诊断效能不同；在70 keV时，VMI的诊断准确度最高（0．9），敏感度0．82（95%CI，0．72～0．93），特异度0．92（95%CI，0．88～0．97），阴性预测值0．94（95%CI，0．90～0．96），而在40 keV时，VMI的诊断准确度最低（0．77），但该研究样本量较小，未来还需要更大的样本量去验证。

血管内治疗是前循环大血管闭塞引起的急性缺血性脑卒中的标准治疗方法[14-15]。然而，治疗后的对比剂渗漏与术后脑出血在常规CT上通常难以鉴别，光谱CT的应用有望解决这一问题。Bernsen等[16]对比评估了63例病人血管内治疗术后1周内的光谱CT的双能量参数和CI，结果表明双能量参数在脑出血和对比剂的鉴别及脑出血的分级上均优于CI，根据光谱CT重建出的VMI、VNC、碘密度图及碘去除图，8例（13%）病人在CI上的假性诊断结果（4例假阳性，4例假阴性）得到了纠正，但该研究没有与MRI或病理结果进行对照。Riederer等[17]用MRI做为金标准，在47例脑卒中取栓术后病人中证实了光谱CT的碘密度图和VNC对脑出血与对比剂渗漏鉴别诊断的敏感度和特异度均为100%。

3 光谱CT在颈动脉粥样硬化中的应用

颈部CTA是颈动脉闭塞、动脉粥样硬化斑块及动静脉畸形评估的标准方法。光谱CT的低keV（40～60 keV）VMI能够改善对血管的显示，并且对整体影像质量没有明显影响，这与其他双能量CT是不同的，因为光谱CT可以对低能级和高能级的数据进行时空完全匹配[18-20]。Neuhaus等[21]回顾分析了30例头颈部光谱CTA，对比评估了VMI与CI的质量发现，在40～45 keV下，VMI对颈动脉颅内段、岩部段及颈段的主客观显示均较CI明显提高，更有利于评估颅底附近血管和小动脉分支，在低keV下，光谱CTA的VMI可以提高血管显示，但与低kV常规CTA相比辐射剂量偏高，未来可以进一步研究降低颈部光谱CTA的辐射剂量。另外，由于光谱CTA的VMI对血管显示具有优势，光谱CTA可以使用更少的对比剂即可达到与常规CTA同样的血管影像质量，这对肾功能不全的病人有重要意义。Zopfs等[20]回顾性分析了25个光谱CTA和55个光谱增强CT静脉期影像，对比评估了颈部光谱增强CT静脉期VMI与光谱CTA的CI在颈动脉粥样硬化狭窄评估中的差异，结果表明在40 keV时，静脉期VMI与CTA的血管影像质量相当，可以用于颈动脉粥样硬化狭窄度的评估，这意味着在日常的光谱增强CT影像上就可以评估颈动脉粥样硬化管腔狭窄度，这对减少病人及社会的医疗负担有重要意义。

光谱CTA不仅可以提高血管显示，还可以用于颈动脉粥样硬化斑块负荷评估。Bai等[22]回顾性分析了30例颈动脉光谱CTA影像，评估比较了光谱CTA中VMI和CI在颈动脉粥样硬化斑块负荷评估和衰减测量中的价值，结果表明在40～120 keV时，VMI与CI的颈动脉斑块负荷评估价值相当；50～120 keV时，两者之间的斑块非钙化成分衰减测量也是相当的，且VMI可以比CI提供更多关于斑块成分的信息。但该研究发现VMI与CI上斑块中钙化成分的面积存在差异，与CI相比，VMI更容易检测到钙化，keV越低，钙化斑块面积和衰减越大。因此，混合斑块或钙化斑块利用VMI评估管腔狭窄度会受到钙化的影响，光谱CT的钙抑制图或许能克服这一问题，未来仍需进一步研究。另外，有研究[23]表明光谱CT对于颈动脉粥样硬化斑块成分分析、易损斑块的识别也可能有重要作用，该研究将7例颈动脉斑块光谱CTA影像与颈动脉内膜切除术后斑块的病理切片逐片做对照，发现多个参数（CI、VMI40-140keV、有效原子序数图）在富脂质坏死核心、斑块内出血、纤维组织、疏松基质之间差异均有统计学意义；在40 keV下，光谱CTA评估颈动脉斑块易损性的准确度最高，达到90．4%，而CI的准确度为82．4%。由此可见，光谱CTA的多个参数在颈动脉斑块组成特征评估上具有潜在的作用，可作为易损斑块和脑缺血风险的标志物。但该研究样本量较小，未来可以采用更大的样本量做相关研究，并且可以进一步对比评估有无症状、有无缺血事件发生的斑块之间的光谱CT各参数的特征差异。

4 光谱CT在头颈部肿瘤中的应用

与常规CT相比，光谱CT可以提高头颈部肿瘤的诊断价值。Tanoue等[24]回顾性分析了32例脑肿瘤病人的头颅光谱平扫CT，发现与CI相比，VMI能够显著提高肿瘤显示，尤其在40 keV时，VMI上脑肿瘤与脑白质之间的对比度、对比噪声比均明显高于CI；但该研究认为对于位于脑灰质的肿瘤，VMI并不能提高肿瘤显示，由于研究样本量少，源于脑膜的肿瘤并未纳入，未来的研究也应关注这些方面。不仅仅是平扫CT，还有研究[25]表明在头颅光谱增强CT中，40 keV下的VMI也比常规增强CT可以更好地显示头颈部癌对周围结构的浸润，更有利于肿瘤的分期。

光谱CT不仅能提高原发头颈部癌的检出，在头颈部肿瘤鉴别诊断中也有重要作用。Takumi等[26]通过对62例头颈部鳞状细胞癌治疗后的随访光谱CT检查的研究发现，光谱CT的双能量参数在诊断复发性头颈部鳞状细胞癌方面优于CI，在鉴别局部是否为复发性病变时，VMI40keV和碘密度图的AUC均 显 著 高 于CI的AUC（分 别 为0．984、0．992、0．912），这对于减少不必要的活检有重要意义。另外，也有研究[27]证实了光谱CT在甲状腺病变鉴别中的价值，研究纳入76例病理证实的甲状腺病变（46例甲状腺乳头状癌、17例良性结节、13例囊肿）发现，碘密度图在3种病变中具有显著差异，甲状腺囊肿碘浓度最低，其次是甲状腺乳头状癌，最后是良性结节，这种差异可能与残存的正常滤泡细胞量有关。另外，碘浓度也与增强延迟扫描时间及血管循环功能相关，未来研究应注意这一点。另外，Li等[28]也研究了光谱CT的碘密度图对术前脑胶质瘤分级诊断的价值，该研究纳入99例不同级别的脑胶质瘤病人，结果发现高级别与低级别胶质瘤之间的碘浓度有显著差异，碘浓度与肿瘤分级呈高度正相关，碘浓度诊断高级别胶质瘤的AUC为0．931，敏感度与特异度分别为86．4%和85．5%，且碘浓度与Ki-67标记指数呈显著正相关，进一步证明了肿瘤内碘浓度与细胞增殖及肿瘤恶性程度相关。光谱CT在脑胶质瘤分级诊断中的作用对病人预后评估有重要价值。未来需要更大样本的前瞻性研究来验证胶质瘤内碘浓度是否是一个有用的影像学标志物。

5 小结

双能量CT中，光谱CT问世最晚，但发展迅速且独具特色，其VMI、碘密度图、有效原子序数等参数在减少颅脑内金属伪影、提高头颅影像质量、脑卒中诊治、颈动脉粥样硬化评估及脑肿瘤诊断中具有很大的应用潜能。但目前的研究也存在着一些不足：①大多数相关研究样本量较小，且多为回顾性、单中心研究，这可能会影响研究结果的可靠性和通用性，未来的相关研究应向大样本量、前瞻性、多中心研究发展，更好地为临床推广应用提供理论与实践基础。②大多数研究属于观察性研究，缺乏金标准对照，未来的研究应注意解决这一问题，并进一步评估光谱CT各参数的诊断准确性。③目前的研究多局限于光谱CT中CI与双能量参数的比较，未来的研究应该更关注光谱CT与其他双能量CT相比在临床应用中有哪些优势。