瞬時管電壓切換單源雙能CT物質分離技術定量評估肝臟脂肪變的體模研究

謝婷婷，黎永濱，嚴帥，何冠勇，郭英，成官迅

非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)的定義是影像學和肝組織學證實肝脂肪變，并除外導致肝脂肪變的其他原因，如大量飲酒、長期應用促脂肪形成藥物或單基因遺傳紊亂等[1]。目前NAFLD已成為全球最常見慢性肝病，發病率28.01/1000人年～52.34/1000人年[2]，年均9%進展為肝纖維化，最終發展至肝硬化、肝病相關死亡[3]。

影像學能直接反映肝臟脂肪變狀態，是無創性肝臟脂肪定量評估的主要方法和發展方向，在NAFLD的診斷、嚴重程度分級、新療法療效評估方面起關鍵作用[4]。MRI被認為是無創性肝臟脂肪定量評估的重要方法，但MR檢查預約時間長、圖像采集時間長、運動偽影影響測量準確性等因素降低了其臨床應用范圍[5]。CT預約時間短、成像快速，雙能CT可通過不同X射線能量下物質的不同衰減特征來反映組織學特性、提供定量信息，基于雙能CT物質分離技術的碘、鈣、尿酸鹽晶體等物質的定量評估已被用于肺栓塞、腎結石、痛風的臨床試驗中[6-8]，其在肝臟脂肪變定量評估具有巨大應用潛力。故本研究采用單源雙能CT對肝臟脂肪變體模進行掃描，探討雙能CT物質分離技術定量評估肝臟脂肪變的準確性，旨在為臨床無創性評估肝臟脂肪變提供新思路。

材料與方法

1.體外模型的制作

本研究經本院實驗動物倫理委員會批準。取20只健康SD大鼠，由廣東省醫學實驗動物中心提供、并經病理組織學檢查證實肝臟無脂肪變，周齡為20周，體重200～225 g，均為雌性。解剖并分離大鼠肝臟，沖洗后剪碎、分裝，置于4 mL聚氯乙烯(polyvinychlorid，PVC)管中，在勻漿機中勻漿。重復勻漿操作，直至新鮮肝組織全部制成勻漿液，備用。將肝勻漿與脂肪(橄欖油，商品名Olivoil，脂肪含量100.0 g/100 g)、右旋糖酐鐵溶液(丹麥Pharmacosmos公司，鐵濃度100 mg Fe/2 mL)充分混合，建立肝臟脂肪變模型A(不含鐵)、B(含鐵)。模型A脂肪體積分數分別為0%、10%、20%、30%、40%和50%(模擬正常人肝臟和臨床范圍內的輕、中、重度脂肪肝)，共6個PVC管；模型B脂肪體積分數為0%、10%、20%、30%，根據鐵濃度的不同分3組，各組鐵濃度分別為5 mg/mL、20 mg/mL、25 mg/mL，共12個PVC管。保持每管總體積為4 mL，制成肝臟鐵沉積伴輕、中、重度脂肪變性的模型(共18個PVC管)[7]。用懸浮震蕩儀充分震蕩，使樣本呈均勻外觀，上述樣本靜置6 h以上不分層則認為模型制作成功。模型A中脂肪體積分數為50%的PVC管出現分層，其相應測量數據不納入統計學分析。

2.掃描方法

采用GE Revolution 256 CT掃描儀。按照脂肪體積分數從低到高的順序依次將混合液置于標準體模中，即4 mL的PVC管置入體模的圓柱體凹槽內，體模為直徑20 cm的圓柱體，內有9個圓柱體凹槽，每個PVC管置入后都位于凹槽的最上方，掃描時各PVC管保持同一水平。管電壓80、140 kVp瞬時切換，管電流分別為200 mA、320 mA、485 mA，轉速為2 s/周，DFOV(顯示野，display field-of-view)25 mm×25 mm，重建層厚、間距均為0.625 mm，螺距0.984，重建算法為STND(標準算法)，ASiR-V(全模型迭代重建算法，adaptive statistical iterative reconstruction-V)為50%。

3.數據測量

所有原始數據傳至ADW 4.6工作站，采用GSI General MD分析軟件進行后處理，重建脂肪(水)基物質對圖像。于CT圖像上各PVC管中心區勾畫與PVC管同心圓的ROI，各放置3個直徑為8 mm、面積為28.26 mm2的圓形ROI，記錄后取其平均值為虛擬脂肪濃度值(virtual fat concentration，VFC)，納入數據庫。

4.統計學方法

采用SPSS 21.0軟件進行數據分析。對3組管電流(200、320、485 mA)下相應VFC進行單因素方差分析，具有方差齊性后再對VFC與肝臟脂肪體積分數(liver fat volume fraction，FVF)進行Spearmen相關性分析，并擬合線性方程。P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

肝臟脂肪變模型A(不含鐵)：在3組管電流(200、320、485 mA)下，模型A的VFC值分別為：(36.77、-235.45、-140.45、-41.28、132.06 mg/cm3)、(94.52、-251.64、-144.17、18.35、101.31 mg/cm3)、(108.20、 -71.89、-30.12、106.60、198.65 mg/cm3)。采用三組管電流掃描體模，共獲得三組共15個數據。實際脂肪體積分數10%～40% 相應的VFC與FVF均呈線性正相關(r=0.885，P<0.001)，擬合線性方程為y=0.072x+27.138 (y為FVF、x為VFC，P<0.001，F值為41.37，調整R2為0.786)，而實際脂肪體積分數0%～40% 相應的VFC與FVF無相關性(r=0.371，P=0.173，圖1)，掃描結果見圖2。

肝臟脂肪變模型B(含鐵，模型B內三組樣本脂肪體積分數FVF均為0%、10%、20%、30%)：管電流為320 mA條件下，肝臟脂肪變模型B(含鐵)的VFC值分為(合并5 mg/mL肝臟鐵沉積組：-895.29、-660.87、 -618.09、-606.96 mg/cm3)、(合并20 mg/mL肝臟鐵沉積組：-1448.85、-1390.78、-1109.27、-997.91 mg/cm3)、(合并25 mg/mL肝臟鐵沉積組：-3098.14、-2958.63、-2972.25、-2585.88 mg/cm3)。以模型A(鐵濃度為0 mg/mL)為對照，在同一FVF值水平，隨著鐵濃度的升高、VFC值逐漸減低(圖3)，提示鐵的合并存在影響脂肪定量評估，表現為鐵導致VFC值降低，鐵濃度越高、VFC低估脂肪體積分數的程度越重。

圖1 在不同管電流下，肝臟脂肪變模型A(不含鐵)內實際脂肪體積分數10%～40%相應的虛擬脂肪濃度與脂肪體積分數呈線性正相關，而實際脂肪體積分數0%～40% 相應的虛擬脂肪濃度與脂肪體積分數無相關性。 圖2 肝臟脂肪變模型A的CT掃描冠狀面圖像，顯示類圓形體模內共9個管、其中6個PVC管內含不同含量的大鼠肝勻漿和脂肪，自12點方位開始沿順時針方向至8點方位，PVC管內所含脂肪體積分數依次為50%、40%、30%、20%、10%、0%。a)40%～10%相應PVC管內的密度呈逐漸升高趨勢；b)偽彩圖示40%～10%相應PVC管內的偽彩隨著脂肪體積分數的改變而改變。 圖3 肝臟脂肪變模型A鐵濃度為0 mg/mL，根據鐵濃度的不同將肝臟脂肪變模型B(含鐵)分為三組、鐵濃度分別為5 mg/mL、20 mg/mL、25 mg/mL。以模型A為對照，在同一FVF值水平，隨著鐵濃度的升高、虛擬脂肪濃度值逐漸下降，鐵濃度越高、虛擬脂肪濃度值越低。

討 論

NAFLD包括全部的脂肪性肝病疾病譜，非酒精性單純性脂肪肝(NAFL)、脂肪性肝炎(NASH)、脂肪性肝炎肝硬化(NASH肝硬化)，為全球最常見的慢性、進展性肝臟疾病[9]。已證實NAFLD的主要病因有肥胖、2型糖尿病、胰島素抵抗、血脂異常和遺傳性疾病[9]，新近研究發現的危險因素包括睡眠呼吸暫停、結直腸癌、骨質疏松等[10]。NAFLD具有家族聚集性和遺傳傾向，18%的NASH一級親屬有患病風險[11]。目前，尚沒有FDA批準用于治療NASH的藥物，減重和改變生活方式仍是改善NAFLD的唯一方式[12]。

NAFLD為進展性疾病，肝臟的改變始于簡單的肝細胞脂肪變性，很容易發展到更嚴重的NASH、肝纖維化和肝硬化，最終導致終末期肝病、肝細胞癌；而從NAFL進展到NASH、肝纖維化通常無癥狀[12]，故大部分患者往往到終末期肝病、出現臨床癥狀時才引起重視，而此時唯一的治療方法只有肝移植。故無創性篩查、早期診斷并監測NAFLD進展至關重要。

肝組織活檢是診斷NAFLD的金標準，但其有創、成本高、存在取樣誤差及相關并發癥，不適用于作為NAFLD的篩查和監測手段[13]。MRI質子密度脂肪分數(MRI-proton-density fat fraction，MRI-PDFF)被認為是最可能取代肝臟活檢的無創性定量手段[5]。CT因存在電離輻射、并不推薦將CT作為NAFLD的主要篩查手段，但CT在腹部疾病影像診斷中起核心作用、仍是腹部疾病最常用的影像學檢查方式[14]，鑒于脂肪肝疾病的高發病率和CT在腹部檢查的廣泛應用，雙能CT有潛力為因其它原因而接受掃描的NAFLD患者提供檢查目的之外的肝臟脂肪變定量信息。因此，探究DECT定量評估肝臟脂肪變的準確性具有臨床意義。

常規CT平掃，肝細胞內脂肪的沉積導致肝臟CT值下降，當肝臟CT值≤40 HU、或肝臟CT低于脾臟10 HU以上即可診斷脂肪肝，敏感性度、特異度分別為46%～72%、88%～95%[15]。但肝臟CT值的降低并不是肝臟脂肪變的特異性表現、血紅蛋白的下降同樣導致肝臟CT值降低，且通過CT值降低來反映肝臟脂肪變并不準確，因為其結果易受肝內鐵、銅、糖原沉積和貧血等因素的影響[16]。雙能CT同時或幾乎同時采集不同組織在高低兩種不同能量(80 kVp和140 kVp)下的光子能量的衰減特性。當入射光子能量的增加，大多數組織的衰減率降低。在常規CT成像的光子范圍內，脂肪優先衰減高能光子而非低能光子，在較低的光子能量下，光電效應占主導地位，由于脂肪比其他軟組織含有更多的氫原子(較低的有效原子數)，而且光電效應的大小與有效原子數相關，所以脂肪在較低的光子能量下引起的衰減比其他組織??；在較高的光子能量下，散射入射光束的康普頓效應起主導作用，由于康普頓效應與電子密度相關，脂肪的電子密度相對于其他組織大，因此與其他組織不同，脂肪會優先減弱高能光子[14,17-18]。這樣，雙能CT在無需對比劑、不增加掃描流程的前提下，通過識別脂肪獨特的衰減曲線、來提供比常規CT更多的組織能量學范疇信息，提供諸多反映組織本質特征的量化指標，進而實現對脂肪的分離和量化。

本研究首先建立2個肝臟脂肪變體外模型(模型A不含鐵、模型B含鐵)，模型A模擬人體正常肝組織、輕、中、重度肝臟脂肪變，模型B模擬肝臟脂肪變合并肝臟鐵沉積，采用雙能CT能譜掃描模式掃描，獲取VFC；結果發現模型A肝脂肪體積分數10%～40%相應VFC與FVF呈線性正相關、但肝脂肪體積分數0～40%相應VFC與FVF無相關性，提示雙能CT物質分離技術可用于脂肪體積分數10%～40%范圍內的肝脂肪定量評估，其在脂肪體積分數0～40%范圍內的準確性并未得到驗證。Hyoodo等采用雙源雙能CT多物質分離(multimaterial decomposition，MMD)技術體外模型探討VFC與FVF(0～30%)的相關性，發現VFC與FVF呈明顯正相關(ρ=0.97，P<0.001)[19]，與本研究結果不同，可能與二者所用設備(單源與雙源的差別)、物質分離算法(基物質對分離算法與多物質分離算法的差別)相關，且目前國內MMD軟件尚未商業化、一定程度上限制了其臨床應用范圍。Artz等[14]采用單源雙能CT掃描體外模型(原料為水、花生油、凝膠、瓊脂、十二烷基硫酸鈉、疊氮化鈉和氯化鈉)，發現VFC值與滴定的甘油三脂含量(0%～50%)呈明顯正相關(r=0.98，P≤0.001)，但在臨床試驗上VFC與MRS脂肪分數只呈中度相關(r=0.423，P≤0.001)[17]。故基于單源雙能CT物質分離技術定量肝臟脂肪變的準確性、尤其是在評估脂肪體積分數0～10%范圍內(因為脂肪體積分數5%作為診斷肝臟脂肪變的閾值)的準確性需要更詳細的體膜實驗、動物實驗或臨床試驗驗證。

探討單源雙能CT物質分離技術定量肝臟脂肪變的準確性，需包括探討肝臟鐵沉積對肝臟脂肪變定量評估的影響。肝內鐵沉積和脂肪沉積同時存在為臨床常見現象，在常規CT上，鐵的同時存在導致肝臟CT值升高、從而低估肝臟脂肪變嚴重程度[20]。本研究模型B結果顯示，在同一FVF值水平，隨著鐵濃度的升高、虛擬脂肪濃度值呈下降趨勢，鐵濃度越高、虛擬脂肪濃度值越低。即鐵的存在可能影響單源雙能CT物質分離技術定量評估肝臟脂肪變的準確性，這與以往研究所得的結果相似[19,21]。

本研究存在以下不足。首先，本研究為體模研究，盡管試驗結論基于虛擬脂肪濃度與金標準(組織甘油三脂濃度)的相關性，但其在臨床應用中的推廣仍需要進一步的臨床試驗數據進行驗證；其次，本研究采用大鼠肝勻漿與脂肪充分混合的方法建立肝臟脂肪變模型，雖然大部分無創性肝臟脂肪定量評估文獻均采用相似的建模方法[8,14,16,18-19]、但建立的模型屬于肝細胞外脂質沉積，無法完全模擬人體肝細胞脂質沉積，未來將通過動物實驗、臨床試驗對瞬時管電壓切換單源雙能CT物質分離技術定量評估肝臟脂肪變的準確性進一步探討。最后，本研究模型B樣本數較少，雖然既往關于肝臟脂肪定量的體外研究通過較少的樣本量得出類似結論[18]，但增加樣本量以加大檢驗效能仍然是必要的，未來將細化滴定脂肪濃度、增加樣本量，以進一步推斷、驗證鐵對單源雙能CT物質分離技術定量評估肝臟脂肪變準確性的影響。

綜上所述，瞬時管電壓切換單源雙能CT物質分離技術可用于脂肪體積分數10%～40%范圍內的肝臟脂肪變定量評估，鐵的存在導致VFC測量值降低。