雙層探測(cè)器能譜CT 單能級(jí)成像對(duì)門靜脈成像質(zhì)量的影響

王世偉，李金鋒，鄒 穎，李 濤，羅春材，黃自立，李雪萍

（1.解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院放射科，海南 三亞 572013；2.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放射科，北京 100853）

門靜脈病變包括原發(fā)性和繼發(fā)性的，主要有門靜脈高壓側(cè)支血管形成、門靜脈海綿樣變、門靜脈血栓形成、門靜脈內(nèi)瘤栓形成等。多層螺旋CT 是觀察肝靜脈及門靜脈病變最常用的無創(chuàng)影像診斷工具[1]。由于能譜CT 的出現(xiàn)，使得門靜脈的成像質(zhì)量不斷提高。尤其是雙層探測(cè)器能譜CT 的問世，可以產(chǎn)生從40～200 keV 的一系列的單能級(jí)圖像，能夠選擇高對(duì)比噪聲比（Contrast-to-noise ratio，CNR）的門靜脈成像。本研究目的評(píng)價(jià)雙層探測(cè)器能譜CT 對(duì)于門靜脈成像質(zhì)量的影響，從而選擇提供最佳對(duì)比度的單能級(jí)圖像。

1 材料和方法

1.1 一般資料

2019 年2—3 月39 例在我院雙層探測(cè)器能譜CT 進(jìn)行腹部檢查門靜脈正常的患者被入選，排除標(biāo)準(zhǔn)包括：①肝臟占位性病變影響門靜脈顯影及門靜脈瘤栓形成的病例；②影響門靜脈血流動(dòng)力學(xué)改變的疾病如肝硬化門脈高壓、布加綜合征等；③心血管系統(tǒng)疾病病史。男18 例，女21 例，年齡40～79 歲，平均（48.5±10.6）歲。本研究是一個(gè)前瞻性的研究，所有的患者均簽署了知情同意書。

1.2 能譜CT 檢查

所有的患者經(jīng)歷了3 期（平掃、動(dòng)脈期、門脈期）腹部CT 檢查，檢查在單源、雙層探測(cè)器的能譜CT（IQon CT，Philips N.V.）進(jìn)行。對(duì)比劑使用iopamidol（320 mg/mL）以3 mL/s 的速度注入60 mL，然后注入30 mL 生理鹽水。動(dòng)脈期于注射對(duì)比劑28 s 后進(jìn)行掃描，門脈期于注射對(duì)比劑60 s 后進(jìn)行掃描。掃描模式使用能譜CT 采集模式，掃描參數(shù)包括：球管轉(zhuǎn)速0.75 s，探測(cè)器寬度40 mm,螺距0.92∶1，掃描野35 cm,管電壓120 kVp，自動(dòng)管電流，層厚0.625 mm。掃描后原始數(shù)據(jù)被重建成常規(guī)的120 kVp 的混合能量圖像（idose 3 迭代重建方式）和能譜為基礎(chǔ)的圖像（采用spectral 3 重建方式），重建層厚1 mm，所有重建圖像傳到后處理工作站（IntelliSpace Portal，Philips Healthcare）進(jìn)行后處理。

1.3 后處理重建

能譜CT 重建產(chǎn)生了4 種類型的圖像，161 組40～200 keV 的單能級(jí)圖像，管電壓相當(dāng)于120 kVp的混合能量的圖像，碘密度圖以及有效原子序數(shù)圖。數(shù)據(jù)的測(cè)量在門靜脈期圖像上進(jìn)行，主要在120 kVp的混合能量圖像及單能級(jí)圖像上進(jìn)行測(cè)量。選擇的感興趣區(qū)的大小和位置在120 kVp 的混合能量圖像與能譜單能量圖像完全一致。感興趣區(qū)位于腸系膜上靜脈與脾靜脈匯合的門靜脈的起始部水平，大小約30～35 mm2，避免碰到門靜脈的邊緣。另一圓形的感興趣區(qū)放置在同層面的豎脊肌，大小約35 mm2，分別在常規(guī)120 kVp 的混合能量圖像上及40，50，60，70 keV 的單能量圖像上測(cè)量。測(cè)量門靜脈CT 值，同層豎脊肌的CT 值（圖1）。噪聲定義為門靜脈CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差。信號(hào)-噪聲比 （Signal-tonoise ratio，SNR） 定義為門靜脈的CT 值除以噪聲，CNR 定義為（CT門靜脈-CT同層豎脊?。?噪聲。將120 kVp混合能量組、40、50，60，70 keV 單能量組設(shè)置為A1到A5 組，分別比較40～70 keV 各單能量組圖像門靜脈CT 值、噪聲、SNR、豎脊肌的CT 值、CNR 與120 kVp 混合能量組的差別，并將A1 到A5 組各個(gè)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，篩選出顯示門靜脈的最佳單能級(jí)圖像。所有的影像數(shù)據(jù)由兩位5 年以上腹部影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師采用單盲法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量3 次，取平均值。采用高年資醫(yī)師圖像質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果作為最終測(cè)量結(jié)果。

圖像的主觀評(píng)價(jià)：采用橫軸位圖像、容積再現(xiàn)（VR）和最大密度投影圖（MIP）對(duì)常規(guī)混合能量圖和最佳單能級(jí)圖像進(jìn)行門脈血管成像，然后進(jìn)行主觀評(píng)分（圖2）。評(píng)分采用5 分制，根據(jù)圖像上門靜脈邊界的銳利度、與周圍組織的對(duì)比度、所顯示的門靜脈分支的級(jí)別進(jìn)行綜合評(píng)分[2]：5 分，門靜脈邊緣銳利，與周圍組織對(duì)比優(yōu)，門脈5 級(jí)分支顯示良好；4 分，門靜脈邊緣較銳利，與周圍組織對(duì)比良好，門靜脈4級(jí)分支顯示良好；3 分，門靜脈邊緣較清楚，與周圍組織對(duì)比中等，門靜脈3 級(jí)分支顯示良好；2 分，門靜脈邊緣不清楚，與周圍組織對(duì)比較差，門靜脈2 級(jí)分支顯示良好；1 分，門靜脈邊緣模糊，與周圍組織對(duì)比極差，僅肝內(nèi)門靜脈1 級(jí)分支顯示良好。

圖1a 常規(guī)120 kVp 混合能量圖。圖1b～1e 40～70 keV 的單能量圖，分別在各個(gè)圖上測(cè)量門靜脈的CT 值及豎脊肌的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.

圖2 門靜脈重建的MIP 圖。圖2a：40 keV 重建的MIP 圖。圖2b：常規(guī)混合能量重建的MIP 圖（兩者的窗寬、窗位一樣）。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 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)計(jì)量資料是否符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布用±s 表示。Levene 檢驗(yàn)用于方差齊性分析。比較A1～A5 組組間門靜脈的CT 值、噪聲、SNR 和CNR 的差異采用方差分析檢驗(yàn)，兩兩比較采用LSD-t 檢驗(yàn)（方差齊）和Dunnett 檢驗(yàn)（方差不齊）。兩位醫(yī)師對(duì)于圖像質(zhì)量主客觀評(píng)分的一致性采用Kappa 檢驗(yàn)。P＜0.05 代表有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

A1～A5 組門靜脈的CT 值、影像噪聲、門靜脈的SNR、豎脊肌的CT 值、門靜脈與同層豎脊肌的CNR值見表1。各組之間各個(gè)參數(shù)具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，與A1 組相比較，A2 組CT 值增加了129%，SNR增加了153%，CNR 增加了300%，噪聲降低了9%。

與120 kVp 混合能量相比，使用70 keV 以下的單能級(jí)圖像，可以增加門靜脈血管的可視性。除A5組單能級(jí)圖像外，其余A2～A4 單能級(jí)圖像組門靜脈CT 值均高于A1 組（P=0.000＜0.05）（圖3）。

各組噪聲達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。A2 組噪聲低于A1 組，達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.024），A3～A5 組均低于A1 組（P=0.001，0.000＜0.05），A2 組和A3 組的噪聲沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.339）（圖4）。

對(duì)于SNR，A5 組的SNR 與A1 組之間沒有差異（P=0.172），其余A2～A4 組的SNR 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A1 組（P=0.000＜0.05），A2 組與A3 組SNR 有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.003），A2 組遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它組（P=0.000）（圖5）。

A2～A4 組豎脊肌的CT 值都高于A1 組 （P=0.000，0.000，0.016），A5 組與A1 組沒有差異 （P=0.946）（圖6）。

A2、A3 組CNR 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它組（P=0.000），A2組遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A3 組（P=0.000）。A5 組和A1 組沒有差異（P=0.954）（圖7）。

因此40 keV 是顯示門靜脈的最佳單能量圖像，70 keV 的圖像近似于120 kVp 混合能量圖像。

兩位醫(yī)師對(duì)于圖像質(zhì)量的各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性分析，門靜脈CT 值（Kappa=0.92），噪聲（Kappa=0.90），豎脊肌CT 值（Kappa=0.91），顯示各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)一致性良好。

兩位醫(yī)師對(duì)于常規(guī)混合能量及最佳單能級(jí)圖像質(zhì)量的主觀評(píng)分：常規(guī)混合能量圖像為（3.7±0.5）分和（3.8±0.4）分，40 keV 最佳單能量圖像（4.9±0.3）分和（4.9±0.4）分，t 值為-11.2 和-16，P 值均為0.000。兩位醫(yī)師的主觀評(píng)分顯示40 keV 最佳單能級(jí)圖像質(zhì)量顯著高于常規(guī)混合能量的圖像質(zhì)量，兩位醫(yī)師的主觀評(píng)分一致性較好，Kappa 值分別為0.80 和0.82。

表1 門靜脈成像各組圖像客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

圖3 A1～A5 組門靜脈的CT 值。圖4 A1～A5 組噪聲。圖5 A1～A5 組的信噪比。圖6 A1～A5 組的豎脊肌的CT 值。圖7 A1～A5 組的對(duì)比噪聲比。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 討論

CT 門靜脈成像是觀察門靜脈疾病最常用的無創(chuàng)影像診斷工具，門靜脈成像在腹部掃描門靜脈期進(jìn)行。門靜脈內(nèi)對(duì)比劑的濃度主要依靠腸系膜上靜脈、脾靜脈的回流，而這又受到心功能、脾灌注等多種因素的影響。另外，在病理狀態(tài)下，尤其是肝硬化、肝癌的患者，其血液循環(huán)較慢，又由于門脈高壓、側(cè)支循環(huán)的形成，使得門靜脈成像質(zhì)量受影響的因素更加復(fù)雜。提高門靜脈成像質(zhì)量的關(guān)鍵是提高門靜脈內(nèi)對(duì)比劑的濃度，形成門靜脈與周圍組織的良好對(duì)比。增加對(duì)比劑的注射速率和注射量可以增加動(dòng)脈內(nèi)的CT 值，但對(duì)門靜脈的影響有限[3-4]。另外，隨著對(duì)比劑使用的增加，常規(guī)混合能量圖像中的線束硬化偽影也會(huì)隨之增加[5]。

CT 成像中，組織的密度主要由光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)形成的。光電效應(yīng)主要來自100 keV 以下的光子的能量，康普頓效應(yīng)主要來自100 keV 以上的光子的能量[6]。雙能CT 的原理是能夠重建出接近真實(shí)的單能級(jí)X 線束采集的虛擬單能級(jí)影像。

不同的CT 掃描儀雙能量產(chǎn)生的方式不同：①雙源雙能量CT 采集技術(shù)是通過兩套管球和探測(cè)器系統(tǒng)以不同的管電壓（140，100 kV） 進(jìn)行雙能量成像；②寶石能譜CT 是通過快速切換X 線管球發(fā)出的kVp（140，80 kVp），能譜柵成像技術(shù)獲得單能量成像及能譜分析；③近年來新出現(xiàn)的雙層探測(cè)器能譜CT，是使用立體的雙層探測(cè)器，區(qū)分一束X 射線中的高、低能量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了“同時(shí)、同源、同向”的能譜成像。雙層探測(cè)器探測(cè)到的信息可以結(jié)合起來獲得常規(guī)混合能量圖像，能譜重建算法能夠提供單能級(jí)圖像。常規(guī)的混合能量的射線獲得的是各個(gè)能量共同作用的平均CT 值，平均CT 值會(huì)降低物質(zhì)之間的對(duì)比。

能譜CT 可以提高門靜脈的成像質(zhì)量[7]，雙層探測(cè)器能譜CT，可以獲得從40～200 keV 的161 組單能級(jí)圖像[8]。一般來說，物質(zhì)的密度會(huì)隨著能級(jí)的降低而增加，尤其是高原子序數(shù)的物質(zhì)，比如碘會(huì)增加的更加明顯，這就增加了對(duì)比劑和軟組織之間的對(duì)比，使選擇門靜脈成像最佳對(duì)比度的單能級(jí)圖像成為可能。

既往能譜CT 主要是雙源雙能CT 以及快速切換kVp 的寶石能譜CT 對(duì)于動(dòng)脈及門靜脈的研究[9-13]。然而，使用雙層探測(cè)器能譜CT 對(duì)于門靜脈的研究極少[14]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，40 keV 單能級(jí)圖像成像門靜脈，SNR 和CNR 最高，是常規(guī)混合能量的2.53 倍和4 倍。而影像噪聲與常規(guī)混合能量相比下降了9%，且達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的降低。由于能級(jí)的降低碘密度會(huì)明顯增加，而噪聲仍處于較低水平，因此40 keV 時(shí)門靜脈成像獲得的SNR 和CNR 最高。這也是雙層探測(cè)器能譜CT 的2 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)特征，即在低能級(jí)水平碘密度會(huì)明顯增加以及在整個(gè)單能級(jí)范圍噪聲都處于較低水平[15-16]。我們的研究結(jié)果比以前的研究還令人滿意。Zhao 等[2]使用寶石能譜CT成像門靜脈，得出51 keV 是成像門靜脈的最佳單能級(jí)圖像，與常規(guī)混合能量相比，CNR 增加了2 倍，然而噪聲也增加了30%。我們的研究也證實(shí)了雙層探測(cè)器能譜CT 不同于其它能譜CT 的特征，即在低能級(jí)水平碘密度雖然明顯增加，但噪聲仍處于較低水平，低于常規(guī)混合能量組。因此，雙層探測(cè)器能譜CT較其它能譜CT 能夠更好的提高圖像質(zhì)量。兩位醫(yī)師對(duì)于最佳單能級(jí)圖像質(zhì)量的客觀和主觀評(píng)價(jià)一致性較好，說明最佳單能級(jí)圖像具有一定的客觀性和可靠性，觀察者之間的偏倚較小。我們的研究還顯示70 keV 單能級(jí)圖像成像門靜脈，SNR 和CNR 分別為5.96±1.77 和2.27±0.98，與常規(guī)混合能量的SNR和CNR 沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，因此70 keV 的圖像與常規(guī)混合能量的圖像最接近。

我們目前的研究是一個(gè)方法學(xué)的探索，是單源雙層探測(cè)器能譜CT 對(duì)門靜脈疾病成像的前瞻性研究的基礎(chǔ)。本研究并沒有納入肝臟巨大占位性病變影響門靜脈顯影及門靜脈瘤栓形成的病例，也沒有納入影響門靜脈血流動(dòng)力學(xué)改變的疾病如肝硬化門脈高壓、布加綜合征等，這些將是我們下一步研究的重點(diǎn)。

本研究的目的是探討雙層探測(cè)器能譜CT 對(duì)于門靜脈圖像質(zhì)量的影響。我們的研究發(fā)現(xiàn)40 keV單能級(jí)圖像與常規(guī)混合能量圖像相比，噪聲達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的降低，SNR 和CNR 明顯提高了，因此40 keV 是雙層探測(cè)器能譜CT 門靜脈成像的最佳單能級(jí)，70 keV 與常規(guī)混合能量的圖像最接近。