Dual-Energy CT Virtual Non-Contrast as a Low-Radiation Alternative to True Non-Contrast in Crohn’s Disease Enterography
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摘要:
目的:探讨双能量CT虚拟平扫代替真实平扫用于降低克罗恩病小肠造影辐射剂量的应用价值。 方法:获取2024年6月至2024年12月在南京医科大学第一附属医院53例克罗恩病患者双能量小肠造影图像,利用双能量分析软件重建获得动脉期和静脉期的虚拟平扫图像,采用单因素方差分析对常规平扫和动静脉期虚拟平扫图像的CT值、SNR、CNR进行评价;采用5分法对图像质量进行主观评价,并采用秩和检验分析。结果:TNC、VNCa及VNCv的图像质量主观评分分别为4(4,5)、4(4,5)、4(4,5),且差异不具有统计学意义。TNC、VNCa及VNCv之间,病变肠壁、正常肠壁、下腔静脉、竖脊肌、肝脏的CT值差异不具有统计学意义。病变肠壁、正常肠壁、腹主动脉、下腔静脉、肝脏的SNR值差异具有统计学意义且VNCa及VNCv的SNR值均高于TNC。病变肠壁、正常肠壁、下腔静脉、肝脏的CNR值差异不具有统计学意义。VNCv较TNV CTE扫描的辐射剂量大约降低了30%。结论:双能量CT虚拟平扫代替真实平扫在保证图像质量的同时可以降低克罗恩病小肠造影辐射剂量,可以在临床应用中推广。
Abstract:Objective: To investigate the value of dual-energy computed tomography (CT) virtual plain scans in reducing the radiation dose of small intestine angiography for Background: Crohn’s disease enterography tends to involve multiple computed tomography (CT) scans, which can expose patients to more radiation and additional complications. This study evaluates the feasibility of using dual-energy CT virtual non-contrast (VNC) imaging as a low-radiation alternative to true non-contrast (TNC) imaging. Methods: Dual-energy small-bowel imaging was performed on 53 patients with Crohn’s condition at the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University from June 2024 to December 2024. Virtual normal scan images of the arterial (VNCa) and venous phases (VNCv) were reconstructed using dual-energy analysis software. CT values, signal-to-noise ratio (SNR), and contrast-to-noise ratio (CNR) of the conventional and virtual plain scans were analyzed using one-way ANOVA. Image quality was evaluated subjectively using a five-point grading system and analyzed with the rank sum test. Results: The subjective scores of the TNC, VNCa, and VNCv were 4 (4, 5), 4 (4, 5), and 4 (4, 5), with no statistically significant differences. The CT values of the pathological intestinal wall, normal intestinal wall, inferior vena cava, erector spinae muscle, and liver showed no significant differences among TNC, VNCa, and VNCv. SNR values of the pathological intestinal wall, normal intestinal wall, abdominal aorta, inferior vena cava, and liver were significantly higher in VNCa and VNCv than in TNC. There were no significant differences observed in the CNR values across the groups. The radiation dose of the VNCv was approximately 30% lower than that of the TNV CT enterography scan. Conclusion: A dual-energy CT virtual plain scan, rather than an actual plain scan, can reduce the radiation dose of Crohn’s disease enterography without compromising the image quality. This approach has the potential for extensive clinical applications.
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Keywords:
- radiation dose /
- virtual non-contrast /
- enterography /
- Crohn’s disease
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克罗恩病(Crohn’s disease,CD)是一种消化道的慢性非特异性炎症病变,可累及整个消化道,病情易反复发作,严重影响患者的生活质量[1]。我国近年来发病率明显上升,克罗恩病可见于任何年龄段,发病高峰为15~25岁,男女发病率没有明显差异。近年来,CT小肠造影(CT enterography,CTE)已逐渐成为CD患者首选的影像学检查方法,其具有成像速度快、精确度高、安全无创及检查范围和深度均更广的优点,有助于CD患者活动期和缓解期的鉴别诊断[2]。也有研究指出,CTE征象对评估 CD 内镜下炎症活动度有积极作用。CD患者反复发作的病情常需要多次检查,CTE带来的辐射剂量问题不容忽视[3]。虚拟平扫(virtual non-contrast,VNC)的原理是利用高低不同电压下各种组织对X线吸收的差异,区分出原子序数较大的物质,进行碘物质分离,并虚拟的移除碘元素获得近似真实平扫(true non-contrast,TNC)的虚拟平扫[4]。
本研究旨在探讨双能量CT虚拟平扫代替真实平扫在降低CTE辐射剂量的应用价值。
1. 资料与方法
1.1 临床资料
选取2024年6月至2024年12月在南京医科大学第一附属医院用联影uCT860行双能量小肠造影检查的患者53例,其中男25例,女28例,年龄20~65岁。均已签署患者知情同意书。
纳入标准:①年满18岁的成年人;②经各项临床检查证实为克罗恩病患者;③肠道准备充分,图像满足诊断;排除标准:①未成年患者;②肾功能不全患者;③肠道准备不充分,图像无法满足诊断。本研究经南京医科大学第一附属医院伦理会通过,伦理号为2023-SR-782。
1.2 检查方法
检查前准备:检查前一日患者需流质或半流质饮食,应用缓泻药,检查当日保持空腹,并于检查前50 min分5次间断口服约2000 mL 2.5%等渗甘露醇。
使用联影uCT860 CT对患者行小肠造影扫描,扫面范围上自隔顶下至耻骨联合下缘,检查序列包括平扫,动脉期及静脉期增强能谱扫描。平扫参数:管电压120 kV,螺距0.99,准直器宽度80 mm,扫描层厚5 mm,重建层厚1 mm。增强扫描须经肘静脉注射碘造影剂,流速4.0 mL/s用量1.5 mL/kg体重,并以相同流速注射生理盐水45 mL,动脉期以隔顶水平腹主动脉为阈值检测触发点,阈值为100 HU,触发后延迟10 s扫描,动脉期扫描结束后35 s扫描静脉期。双能量增强扫描参数:管电压140/80 kV,螺距0.24,准直器宽度80 mm,扫描层厚5 mm,重建层厚1 mm。扫描完成后将数据发送到联影(uWS-CT)工作站进行后处理。
1.3 图像重建与分析
将动静脉期图像调入(uWS-CT)后处理工作站,使用双能量后处理软件高级分析功能分别将小肠造影的动脉期、静脉期能谱图像重建为动脉期虚拟平扫VNCa和静脉期虚拟平扫VNCv并保存。使用联影后处理工作站阅片软件,调入层厚层间距为1 mm的TNC、VNCa、VNCv图像,分别于肠壁病变处及同层面正常肠壁处手动勾画并测量感兴趣区ROI(region of interest,ROI)的CT值(面积分别约为8 mm2和2 mm2,图1)及噪声SD(standard deviation,SD)。于第三腰椎平面腹主动脉、下腔静脉、竖脊肌以及肝脏处手动勾画并测量感兴趣区ROI(region of interest,ROI)的CT值及噪声。通过复制粘贴ROI的方式确保感兴趣区的大小,位置一致。分别测量TNC、VNCa、VNCv组图像的ROI,每组测量3遍,取平均值。测量病变肠壁ROI时应注意避开肠腔和脂肪组织。以竖脊肌SD为背景噪声计算各组图像的信噪比SNR(signal to noise ratio,SNR)和对比噪声比CNR(contrast to noise ratio,CNR),SNR的计算公式:
$$ \mathrm{SNR=CT}_{ \mathrm{组织}} \mathrm{/SD}_{ \mathrm{组织}} \mathrm{\text{,}} $$ (1) CNR的计算公式:
$$ \mathrm{CNR=(CT}_{ \mathrm{组织}} \mathrm{-CT}_{ \mathrm{竖脊肌}} \mathrm{)/SD}_{ \mathrm{竖脊肌}} \mathrm{。} $$ (2) 由两名高年资医师采用双盲法独立对各组图像的图像质量,病灶的显示进行比对和评分,图像质量采用5分评分法[5](5分:图像层次清晰,解剖结构好,无明显噪声和伪影,满足诊断要求;4分:图像层次较清晰,解剖结构较好,无运动呼吸伪影,达到诊断要求;3分:图像层次欠清晰解剖结构一般,噪声和伪影小,达到诊断要求;2分:图像层次较模糊,解剖结构较差,噪声和伪影小,未满足诊断要求;1分:图像层次模糊,解剖结构差,噪声和伪影大,未达到诊断要求)。辐射剂量评估指标:CT剂量容积指数(CTvolumedose index,CTDIvol)、放射剂量长度乘积(doselength product,DLP)和有效辐射剂量(effectivedose,ED),其中ED=DLP×0. 015。
1.4 统计学分析
应用SPSS 23.0软件进行统计学分析,对TNC、VNCa、VNCv组图像客观指标、主观评分等数据进行正态性及方差齐性检验,并采用单因素方差检验图像的客观评价指标,以P < 0. 05为差异有统计学意义。两名阅片者对图像质量的一致性评价采用Kappa检验,Kappa值<0.4为一致性差,0.4~0.6为一致性中等,0.6~0.8为一致性好,>0.8为一致性优。如果两名医师评估结果一致性好,采用医师甲的评估结果为后续统计学分析,否则以两名医师评估的平均值作为最终结果纳入后续统计学分析。采用秩和检验图像的主观评价指标,P < 0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 图像质量的主观评价
两名医师图像质量主观评价一致性较好(Kappa值分别为0.732、0.688和0.774),TNC、VNCa及VNCv的图像质量主观评分分别为4(4,5)、4(4,5)、4(4,5)。且差异不具有统计学意义(P > 0.05)(表1和图2)。
表 1 TNC、VNCa及VNCv的图像质量主观评分Table 1. Subjective image quality scores for TNC, VNCa and VNCv组别 TNC VNCa VNCv P 医师甲 4(4,5) 4(4,5) 4(4,5) > 0.05 医师乙 4(4,5) 4(4,5) 4(4,5) > 0 05 Kappa值 0. 732 0. 688 0. 774 2.2 图像质量的客观评价
TNC、VNCa及VNCv之间,病变肠壁、正常肠壁、下腔静脉、竖脊肌、肝脏的CT值差异不具有统计学意义,腹主动脉的CT值差异具有统计学意义(表2)。TNC、VNCa及VNCv之间,病变肠壁、正常肠壁、腹主动脉、下腔静脉、肝脏的SNR值差异具有统计学意义且VNCa及VNCv的SNR值均高于TNC,竖脊肌的SNR值差异不具有统计学意义(表3)。TNC、VNCa及VNCv之间,病变肠壁、正常肠壁、下腔静脉、肝脏的CNR值差异不具有统计学意义,腹主动脉的CNR值差异具有统计学意义(表4)。
表 2 TNC、VNCa及VNCv图像CT值(HU)的结果比较Table 2. Comparison of CT values (HU) of TNC, VNCa and VNCv组别 统计检验 TNC VNCa VNCv F P 病变肠壁 38. 55±1.94 39. 22±3.63 38. 88±3.01 0.103 0.902 正常肠壁 25. 89±1.69 26. 01±3.93 25. 98±3.39 0.004 0.996 腹主动脉 47. 02±7.21 78. 11±8.97 52. 77±8.29 36.73 < 0.001 下腔静脉 41. 44±6.29 43. 11±8.93 49. 44±9.41 2.314 0.121 竖脊肌 54. 67±5.89 53. 55±6.48 58. 67±9.16 1.217 0.315 肝脏 51. 89±7.68 62. 22±10.55 61. 55±15.51 2.196 0.133 表 3 TNC、VNCa及VNCv SNR的结果比较Table 3. Comparison of SNR results for TNC, VNCa and VNCv组别 统计检验 SNRTNC SNRVNCa SNRVNCv F P 病变肠壁 2.36±0.36 3.23±0.58 3.14±0.76 5.923 0.008 正常肠壁 1.58±0.24 2.13±0.35 2.01±0.49 5.895 0.009 腹主动脉 2.91±0.69 6.58±1.93 4.26±1.13 16.940 < 0.001 下腔静脉 2.56±0.59 3.55±0.89 3.92±0.84 7.241 0.003 竖脊肌 3.36±0.67 4.49±1.31 4.26±2.11 2.636 0.092 肝脏 3.21±0.75 5.31±1.82 5.08±2.06 4.396 0.024 表 4 TNC、VNCa及VNCv图像CNR的结果比较Table 4. Comparison of CNR results of TNC, VNCa and VNCv image组别 统计检验 CNRTNC CNRVNCa CNRVNCv F P 病变肠壁 1.01±0.43 1.26±0.94 1.78±1.45 1.348 0.279 正常肠壁 1.77±0.51 2.37±1.16 2.83±1.71 1.655 0.212 腹主动脉 0.46±0.54 2.09±1.15 0.66±1.45 16.905 0.001 下腔静脉 0.81±0.41 0.94±1.32 0.99±1.77 0.051 0.951 肝脏 0.15±0.49 0.81±0.99 0.16±1.11 2.637 0.092 2.3 TNC常规扫描以及VNCv CTE扫描的剂量比较
常规扫描CTE的DLP、CTDIvol及ED分别是(
2104.38 ±242.41)mGy·cm、(36.78±3.43)mGy、(31.72±2.02)mSv。VNCv代替TNC扫描的DLP、CTDIvol及ED分别是(1498.56 ±168.51)mGy·cm、(25.74±1.78)mGy、(22.04±1.63)mSv。相较于常规CTE扫描,VNCv取代TNC扫描的辐射剂量大约降低了30%。3. 讨论
克罗恩病可累及胃肠道的任何部位,但主要见于回肠末段和邻近结肠。其病变呈节段性分布,且为透壁性炎症,可形成纵行溃疡、鹅卵石样外观等典型表现[5]。这种特点使得肠道的正常结构和功能受到严重影响,导致腹痛、腹泻、腹部包块等症状的出现。除了常见的胃肠道症状外,患者还可能出现发热、营养不良、贫血等全身表现,进一步增加了疾病的复杂性和对患者生活质量的影响。由于其症状缺乏特异性,与其他肠道疾病如溃疡性结肠炎等有一定相似性,因此诊断较为困难[6]。内窥镜检查固有的侵入性使得其应用在部分患者中受到限制,影像学检查方法现已被越来越广泛用于评估克罗恩患者的病情。克罗恩病患者以年轻人居多,且由于病情的反复发作常需要多次检查。因而有效降低辐射剂量成到业界广泛的关注和研究的热点[7]。双能量小肠造影虚拟平扫可通过高低电压的切换识别组织中的碘,并基于多物质分解算法分离实现碘的去除,VNC图像将除碘化组织外的所有组织均以其原始HU值表示。碘化像素由于其无造影剂增强的HU值尽可能类似的虚拟HU值识别和替换,从而生成类似于真实平扫的图像, 以其减少一期平扫图像来降低辐射剂量[8]。
目前虚拟平扫技术已应用于多个人体部位包括肝脏、肾脏、胸部、心脏等[9-12]。我们的研究拟利用双能量CT技术对小肠造影的动静脉期图像进行虚拟平扫重建,并与常规平扫图像进行对比研究。CD主要的病变累及部位在回盲部,因此我们对病变肠壁、正常肠壁的常规平扫和动静脉期虚拟平扫的CT值进行了对比研究,结果显示三者之间的差异不具有统计学意义,且静脉期的VNC结果更接近真实平扫。另外,我们还对腹主动脉、下腔静脉、竖脊肌、肝脏的CT值进行了对比分析,结果显示除腹主动脉的差异在三者之间具有统计学意义外,其余各组织的对比分析均无统计学差异。其主要原因是动脉期碘主要分布于血管之中,而其他组织的摄取率较低。对比研究病变肠壁、正常肠壁、腹主动脉、下腔静脉、竖脊肌、肝脏的CT值除腹主动脉CT值差距较大外,其余各处CT值相差均小于11 HU,提示以VNC替代TNC具有可行性。魏博等[13]在结直肠癌的研究中报道,结直肠病灶、臀大肌的CT值、CNR值在TNC、VNCa 、VNCv之间均无明显差异,而VNC的SNR均高于TNC。SNR和CNR也是评估影像质量的重要指标,SNR值越高说明图像的质量越好。本研究也发现腹主动脉在VNCa中的CT值、SNR均高于TNC和VNCv,而下腔静脉在VNCv中的SNR均高于TNC和VNCa。这主要是由于血管内对比剂较高,致使高低能量切换无法很好的去除碘物质[14]。SNR的提高是由于虚拟平扫重建技术中采用了滤波降噪,使得图像的噪声得到降低。双能量融合图像采用的线性融合后处理方式使得重建后的图像有效利用了高低千伏数据,既得到了高千伏数据中的低噪声,又得到了低千伏的高对比[15]。病变肠壁、正常肠壁、下腔静脉、肝脏的CNR在TNC、VNCa 、VNCv之间均无明显差异,主要原因在于其各组织的CT值在TNC、VNCa 、VNCv之间差异无统计学意义。王境伟等[16]利用光谱CT在甲状腺乳头状癌的研究中显示TNC的CNR明显高于VNC,原因主要是光谱CT改进了重组算法。
高丽嫦等[17]报道,以VNC代替TNC评价上腹部器官,发现可使辐射剂量下降约30%,但该研究认为在评价实质性器官时需要结合TNC图像。魏博等[13]报道,以VNC代替TNC评价结直肠癌,各组图像主观评分有较好的一致性,可使辐射剂量下降22%。本研究中同时对比研究了动、静脉期的虚拟平扫图像,从主观图像质量评分显示,两位医师认为VCN图像与TNC图像基本相当,且VNCv的一致性更高,3组图像主观评分差异不大,均满足诊断需求,以VNC代替TNC可使辐射剂量下降约30%。
本研究的局限性。①本研究的样本量太小,需要进一步扩大样本进行研究;②由于肠壁太薄,可能未能准确勾画感兴趣区;随着病例的进一步收集和测量方式的完善,我们将在以后的工作中进行补充研究。
4. 结论
综上所述,VNC图像质量总体与TNC图像质量接近,保证了图像质量的情况下减少了扫描次数,可取代TNC应用于克罗恩病小肠造影降低患者辐射剂量。
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表 1 TNC、VNCa及VNCv的图像质量主观评分
Table 1 Subjective image quality scores for TNC, VNCa and VNCv
组别 TNC VNCa VNCv P 医师甲 4(4,5) 4(4,5) 4(4,5) > 0.05 医师乙 4(4,5) 4(4,5) 4(4,5) > 0 05 Kappa值 0. 732 0. 688 0. 774 表 2 TNC、VNCa及VNCv图像CT值(HU)的结果比较
Table 2 Comparison of CT values (HU) of TNC, VNCa and VNCv
组别 统计检验 TNC VNCa VNCv F P 病变肠壁 38. 55±1.94 39. 22±3.63 38. 88±3.01 0.103 0.902 正常肠壁 25. 89±1.69 26. 01±3.93 25. 98±3.39 0.004 0.996 腹主动脉 47. 02±7.21 78. 11±8.97 52. 77±8.29 36.73 < 0.001 下腔静脉 41. 44±6.29 43. 11±8.93 49. 44±9.41 2.314 0.121 竖脊肌 54. 67±5.89 53. 55±6.48 58. 67±9.16 1.217 0.315 肝脏 51. 89±7.68 62. 22±10.55 61. 55±15.51 2.196 0.133 表 3 TNC、VNCa及VNCv SNR的结果比较
Table 3 Comparison of SNR results for TNC, VNCa and VNCv
组别 统计检验 SNRTNC SNRVNCa SNRVNCv F P 病变肠壁 2.36±0.36 3.23±0.58 3.14±0.76 5.923 0.008 正常肠壁 1.58±0.24 2.13±0.35 2.01±0.49 5.895 0.009 腹主动脉 2.91±0.69 6.58±1.93 4.26±1.13 16.940 < 0.001 下腔静脉 2.56±0.59 3.55±0.89 3.92±0.84 7.241 0.003 竖脊肌 3.36±0.67 4.49±1.31 4.26±2.11 2.636 0.092 肝脏 3.21±0.75 5.31±1.82 5.08±2.06 4.396 0.024 表 4 TNC、VNCa及VNCv图像CNR的结果比较
Table 4 Comparison of CNR results of TNC, VNCa and VNCv image
组别 统计检验 CNRTNC CNRVNCa CNRVNCv F P 病变肠壁 1.01±0.43 1.26±0.94 1.78±1.45 1.348 0.279 正常肠壁 1.77±0.51 2.37±1.16 2.83±1.71 1.655 0.212 腹主动脉 0.46±0.54 2.09±1.15 0.66±1.45 16.905 0.001 下腔静脉 0.81±0.41 0.94±1.32 0.99±1.77 0.051 0.951 肝脏 0.15±0.49 0.81±0.99 0.16±1.11 2.637 0.092 -
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