DECT在陰性膽結石診斷中的研究進展

白景奇，田曉娟，喬 英*

（1.山西醫科大學醫學影像學院，太原030001；2.山西醫科大學附屬第一醫院影像科，太原030001）

0 引言

膽石癥是全球范圍內的一種常見疾病，發病率較高，我國膽結石的患病率為2.3%~6.5%[1]。膽石癥臨床多表現為無癥狀或突發右上腹痛，可伴惡心嘔吐。其常并發有膽道絞痛、膽囊炎、梗阻性黃疸、急性胰腺炎甚至膽囊癌等，嚴重威脅患者的生命健康[2]。膽結石依據成分可分為膽固醇結石、膽色素結石及膽固醇為主的混合性結石，中國人群中膽固醇結石占70%以上[3]。膽結石依據密度可分為高密度結石、等密度結石、低密度結石及混雜密度結石[4]。等密度或低密度結石稱為陰性膽結石，多為膽固醇結石，成因多與膽汁淤積和膽汁的理化代謝異常有關[5]。

目前，超聲、CT、MRI及內鏡下逆行胰膽管造影（endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP）是檢查膽結石最常用的方法。超聲及MRI在診斷陰性膽結石方面具有重要價值。超聲對膽結石診斷的準確率高達95%以上[6]，其主要表現為膽囊內強回聲光團隨體位改變而變化[7]，并且后方伴聲影，由于大多數聲波被結石吸收或反射，故多為邊緣銳利的“干凈”聲影。但是超聲圖像空間分辨力低、視野小，對操作者有較高的依賴性，并且容易受到鄰近腸道氣體的影響。MRI中T2WI為觀察膽結石的最佳序列，膽汁為高信號，膽結石為低信號，且MRI可區分膽結石成分，陰性膽結石在T1WI圖像中呈低信號，膽色素結石在T1WI圖像中呈高信號[7]。MRI對膽總管結石診斷具有較高的特異度與敏感度，彌補了超聲與CT的不足。但MRI檢查時間長、費用高，并且對患者的配合度要求較高，部分急重癥、幽閉恐懼癥患者及老年患者難以配合獲取清晰圖像[8]。ERCP是膽結石診斷的金標準，但由于其為侵入性檢查，容易導致胰腺炎、穿孔、出血、感染等并發癥[9]。CT對高密度及低密度膽結石診斷具有較高的特異度及敏感度，膽結石CT診斷的直接征象為膽囊內單發或多發、類圓形或泥沙樣高密度結石，間接征象為肝內外膽管、左右肝管及膽囊的擴張[4]。但傳統CT對于等密度或略低密度的陰性膽結石識別準確率較低，僅有20%。隨著雙能CT（dual-energy CT，DECT），即能譜CT技術的發展及廣泛應用，CT對陰性膽結石的診斷及成分分析取得很大進展，本文將對此進行綜述。

1 DECT在陰性膽結石診斷中的研究進展

CT成像的原理是X射線穿透人體時發生衰減，不同密度的物質結構對于X射線的衰減有差異，但一些原子序數相近的物質衰減有大量的重疊，例如鈣和碘。傳統CT對于識別膽色素成分為主的結石有較大的優勢，但由于膽固醇與膽汁在120 kVp附近對X射線的衰減類似，使傳統CT難以區分陰性膽結石與膽汁，通常只能依據膽道擴張及膽囊增大等間接征象推斷[5]，但這并不是一個可靠征象，約有一半的膽結石患者沒有膽道擴張，從而發生漏診。

目前已發展的可以獲取雙能數據的技術包括2次順序掃描、管電壓快速切換、雙X射線源和雙層探測器。DECT包括雙源雙能CT和雙層探測器光譜CT。雙源雙能CT同時使用了2個X射線源和2個探測器系統，輸出不同能量的X射線[10]。雙層探測器采用上、下2層空間上對等的探測器采集高、低能數據。DECT通過2個光譜之間的衰減變化來區分和量化組織成分，如血管成像中的自動骨去除技術[11]。DECT可生成單能量圖像、能譜曲線、有效原子序數圖、虛擬平掃圖像及基物質圖像，其可用于區別在常規CT圖像中具有相似密度的組織，為疾病的定位定性診斷提供更多有價值的信息。目前，DECT生成的多參數光譜圖像應用于陰性膽結石的診斷，可以大幅度提高對陰性膽結石的檢出率。

1.1 單能量圖像的應用

DECT可合成不同能量的單能量圖像，由于同一物質在不同能級下的衰減系數不同，單能量圖像使各組織間對比度最大化[12]。雙源雙能CT通過從不同能級收集的數據產生了40~140 keV共101個能級水平的單能量圖像。Chen等[13]研究比較了40及140 keV能級水平圖像之間陰性膽結石的可視度，發現40 keV圖像的可視度優于140 keV圖像。Uyeda等[14]研究發現在單能量圖像中，由于陰性膽結石與膽汁的能量依賴衰減曲線有明顯不同，陰性膽結石的CT值在較低能級水平下大部分為負值，并隨著能量的增加而增加，而膽汁的CT值在低能級水平下大部分為正值，隨著能量增加而緩慢降低。在能量譜的兩端，陰性膽結石與膽汁之間的CT值在統計學上均有顯著差異，從而更容易識別陰性膽結石與膽汁（如圖1所示）[14]。Yang等[15]研究表明在40 keV能級水平的虛擬單能量圖像中陰性膽結石與周圍膽汁的對比度最大，140 keV能級水平陰性膽結石對比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR）最佳，但由于低能級水平圖像的噪聲較大，導致2枚小結石漏診。低能級水平圖像可以提高物質的密度分辨力，優化對病灶的顯示，但是圖像噪聲較大。高能級水平圖像可增加X射線的穿透能力，有助于金屬偽影的去除，但圖像對比度相應降低。因此，最佳單能量圖像可以獲取較常規圖像更優的CNR及信噪比[12]。謝沛沛等[16]的研究選取了陰性膽結石的最佳單能量圖像與混合能量圖像進行分析比較，表明最佳單能量圖像中陰性膽結石與鄰近膽汁的對比度明顯優于混合能量圖像，單能量圖像對陰性膽結石的診斷準確率明顯高于混合能量圖像。但是單能量圖像僅采用了單一參數CT值對膽結石和膽汁的差異進行分析，并沒有充分利用DECT對物質分離的能力。

圖1 單能量圖像中陰性膽結石的表現[14]

1.2 有效原子序數圖的應用

有效原子序數圖是依據物質的有效原子序數進行顏色編碼的圖像[12]。有效原子序數描述了每個像素中物質的組成，較CT值辨別力更高，可用來進行物質檢測、鑒別及物質分離[17]。Saito等[18]報道了1例膽囊癌合并膽結石病例，常規120 kVp圖像中未明確顯示膽結石，而有效原子序數圖中明確顯示膽囊體與膽囊頸部結石，陰性膽結石有效原子序數明顯低于鄰近膽汁。Li等[19]的研究進一步表明膽囊陰性膽結石的有效原子序數明顯低于膽汁，兩者差異具有統計學意義。有效原子序數是一個穩定的參數，只與物質本身相關，不會隨著能級水平的改變而變化，因此可在未來陰性膽結石的診斷中發揮重要作用。

1.3 基物質圖像的應用

任何一種物質的X射線吸收系數都可以由2種基本物質的吸收系數確定，因此一種物質的衰減可以轉換為產生相同衰減的2種物質的密度，從而實現物質成分和物質的分離。常用的基物質對有脂肪、水以及鈣[20]，采用脂肪和水作為基物質對可對陰性膽結石進行定性及定量分析。

Yang等[15]研究發現在脂基物質圖中，由于陰性膽結石與膽汁中脂肪的含量有明顯差別，陰性膽結石脂肪含量較高而呈現出高密度，膽汁中脂肪成分較少而呈現出低密度，二者差異明顯且容易識別（如圖2所示），研究結果顯示脂基物質圖對診斷陰性膽結石敏感度為95.5%、特異度為100%。Chen等[13]研究表明陰性膽結石在脂基圖中的檢出率高達92%，并且陰性膽結石的脂質含量明顯高于鄰近膽汁，通過脂質含量區分陰性膽結石與膽汁的準確率為99.4%。國內學者楊創勃等[21]的研究也得出類似結論，認為脂/水基物質圖較碘/水基物質圖對陰性膽結石的顯示更為清晰。上述研究均表明脂基物質圖可提高對陰性膽結石的檢出率，但是脂肪不是膽固醇，水不是膽汁，以脂和水作為基物質對并沒有將膽固醇與膽汁之間的差異最大化。

圖2 脂基物質圖中陰性膽結石的表現[15]

1.4 虛擬平掃圖像的應用

雙能量虛擬平掃利用高、低能2種數據識別量化CT圖像中碘物質后，去除增強掃描圖像中的碘成分，實現物質分離，以創建虛擬平掃圖像，即沒有對比劑的增強圖像。虛擬平掃圖像避免了重復掃描，減少了輻射劑量[22]。Kim等[23]對虛擬平掃圖像在膽結石診斷中的價值做了初步評估，認為虛擬平掃圖像對于陰性膽結石的診斷有中等準確率，與增強掃描的期相無關，但是對于小結石（＜9 mm2）或CT值低于78 HU的膽結石有一定的局限性。Lee等[24]的研究首先明確了膽結石的成分，通過比較膽固醇結石（陰性膽結石）與非膽固醇結石在虛擬平掃圖像與常規平掃圖像中的膽結石大小、CNR、可視度分級及有效輻射劑量等，認為虛擬平掃圖像對陰性膽結石有較好的檢出率，對于鈣化結石及小結石的敏感度較低。Bae等[25]的研究指出虛擬平掃圖像是由150 kVp（圖像整體構成比為40%）圖像與80 kVp（圖像整體構成比為60%）圖像加權重建而成，陰性膽結石在虛擬平掃圖像中的衰減高于常規平掃圖像（90 kVp），因此虛擬平掃圖像可以提高對陰性膽結石的檢出率，同時虛擬平掃圖像較常規平掃圖像的輻射劑量減少了22.4%。以上研究均表明虛擬平掃圖像不僅提高了對陰性膽結石的檢出率，同時通過省去常規平掃而減少了輻射劑量。

1.5 基于康普頓散射及光電效應二維直方圖分割圖像的應用

X射線經過物質產生的衰減由康普頓散射和光電效應共同決定[17]，并可用二維直方圖表示，常規CT圖像中的每個像素根據其康普頓散射和光電效應對可映射到二維直方圖中的對應位置[26-27]。Soesbe等[28]采用雙層探測器光譜CT進行體外模型研究，使用特定的感興趣區域軟件表征陰性膽結石與膽汁在二維直方圖中的位置，進行顏色編碼創建分割圖像以區分等密度膽結石，最大化發揮了DECT對物質分離的優勢，并克服了對小結石檢出的局限性（如圖3所示）。研究表明，對于＜9 mm的等密度膽結石，分割圖像整體診斷性能明顯高于單能量圖像，檢出率高達90%以上，較雙源雙能CT提高了對小結石的敏感度，并且不需要依賴周圍膽汁識別等密度結石，為缺乏周圍膽汁對比的充滿型膽結石檢出提供了契機[28]。該方法克服了DECT對膽囊陰性膽結石診斷的局限性，但是是否適用于體內膽結石的檢出、是否適用于其他類型的DECT（雙源雙能CT及管電壓快速切換DECT）以及是否可對膽結石成分進行分析仍需要進一步研究。除此之外，由康普頓散射和光電效應二維直方圖進行圖像分割的工作對放射科醫師而言較為煩瑣，需花費大量時間[29]。

圖3 基于康普頓散射及光電效應二維直方圖的分割圖像[28]

2 DECT在陰性膽結石成分分析中的研究進展

目前對于膽結石的治療主要依賴手術治療，但術后膽結石復發率高達10%~30%[30]，且術后并發癥較多，甚至可增加結直腸癌的患病率[31]。隨著藥物治療及體外沖擊波碎石技術的主流化，口服依澤替米貝、他汀類藥物和熊去氧膽酸藥物已經被證實可以溶解陰性膽結石。不同的膽結石成分所采用的溶石劑不同，并且不同膽結石行體外沖擊波碎石技術所需的能量與次數也不相同，術前對膽結石成分做出準確分析可以有效預防不必要的手術治療，并指導臨床選擇適當的治療方法[32-33]。對于膽結石成分的分析，目前常用的方法為體外分析，如電子自旋共振譜分析法、X射線衍射法、火焰離子法、傅里葉變換紅外光譜、病理大體分析等[34-36]，但均無法為治療方案的選擇提供依據。

普通螺旋CT多依據CT值推測膽結石的主要成分，但大多數學者得出的結論中膽固醇結石（陰性結石）與膽紅素結石的CT值存在較大重疊，不能為臨床提供準確依據[37]。隨著DECT的廣泛應用，其多參數成像被廣泛應用于腎結石的成分分析[38]，為膽結石的成分分析提供了新思路。Bauer等[39]的研究以紅外光譜為“金標準”，對膽固醇含量＞70%且不含鈣成分的陰性膽結石進行體外分析，認為DECT可準確表征陰性膽結石的特征CT值，并且敏感度及特異度分別為95%和100%。謝沛沛等[16]研究顯示不同患者、不同位置的陰性膽結石所對應的最佳能級水平不完全相同，推測由于陰性膽結石自身成分不同而導致。張子田等[33]的研究則進一步對不同成分的膽結石進行定量分析，表明膽固醇結石（陰性膽結石）與非膽固醇結石在單能量圖像的CT值中差異具有統計學意義。

能譜曲線斜率及有效原子序數是表征膽結石成分的重要參數。DECT成像可以顯示不同病變和人體組織隨X射線能量水平變化而變化的X射線衰減系數，從而產生反映不同病變和人體組織特征的能譜曲線[17]。Li等[32]研究發現陰性膽結石與膽汁的能譜曲線顯著不同，膽汁的斜率均為負值，而陰性膽結石的斜率均為正值。在人體正常組織中，只有脂肪的光譜曲線上每個點的斜率都為正值，據此推測該研究所納入的陰性膽結石為膽固醇結石。張子田等[33]的研究也得出了類似的結論，均質膽固醇結石（陰性膽結石）的能譜曲線呈稍平緩的升高、下降型，而膽紅素鈣及碳酸鈣結石的能譜曲線呈弓背向下型，并且二者的有效原子序數明顯不同。金玉蓮等[40]的研究則以同層腎周脂肪的能譜曲線為參照，發現陰性膽結石的能譜曲線與腎周脂肪的能譜曲線均為弓背向上的上升型曲線，據此推斷研究中的陰性膽結石為膽固醇結石。在有效原子序數圖中，膽囊陰性膽結石與周圍膽汁的顏色差異明顯，并且膽囊陰性膽結石的有效原子序數范圍與脂肪的有效原子序數范圍相近，可以據此推斷其為膽固醇結石。

當前國內最新研究表明[41]，DECT單能量圖像（40、100 keV）中膽結石的CT值、有效原子序數及能譜曲線斜率均可準確評估陰性膽結石成分，其中有效原子序數是判斷膽結石成分的獨立影像參數。總體來說，DECT與紅外光譜分析結果具有較高的一致性，并且準確率明顯高于普通螺旋CT。

3 結語

與常規螺旋CT相比，DECT具有顯著優勢，在陰性膽結石的檢出方面，其敏感度近乎85%[18]，同時在膽結石成分分析中，DECT為臨床提供了更多信息，可指導臨床選擇最佳治療方案，實現精準診療和“一站式”檢查，避免患者進行多次檢查，減輕患者經濟負擔。但仍存在一些問題亟須解決：（1）DECT多參數圖像的獲取需在專用工作站上進行。（2）目前DECT對陰性膽結石檢出率的研究均排除＜5 mm的結石，并且所選取的樣本量均較小。（3）對于膽結石成分的分析，目前的研究并未依據膽結石成分中的具體含量進行細化分類。（4）基于康普頓散射及光電效應二維直方圖的分割圖像雖然最大化了陰性膽結石與鄰近膽汁之間的差異，但是否可應用于其他類型的DECT以及是否適用于體內膽結石的檢出仍需進一步的研究。

目前對于陰性膽結石的研究多采用第二、三代雙源雙能CT，新興發展的雙層探測器光譜CT具有同源、同時、同向、同步的優點，不需要依據臨床需要在掃描前選擇是否進行雙能量模式掃描，通過雙層探測器的組合數據同時獲取常規CT圖像和光譜圖像，這些圖像可直接用于臨床診斷，相較于雙源雙能CT優化了工作流程，且所獲取的全系光譜圖像可直接調用供回顧性分析使用[12]，故可對偶然發現的病變進行評估，并且沒有器官和掃描視野的限制[42]。此外，雙層探測器光譜CT進一步提高了時間分辨力，保留了數據的完整性，提高了能譜數據的準確性。Soesbe等[28]研究表明，雙層探測器光譜CT較雙源雙能CT提高了對小陰性膽結石（＜9 mm）的敏感度。目前應用DECT對陰性膽結石的定性及定量分析，多采用單一參數進行分析，并未最大化發揮其對物質分離的能力。

綜上所述，DECT對陰性膽結石的診斷及成分分析方面都有一些初步的研究，但對于＜5 mm的小結石、結石成分的進一步細化以及DECT分割圖像能否對體內陰性膽結石進行準確、全面的診斷仍需進一步的大樣本量研究，并且能否簡化多參數圖像及分割圖像獲取的工作流程也需要技術人員進一步的研究探討。