雙能量虛擬去鈣技術(VNCa)的臨床價值

自雙能量CT掃描(DECT)問世以來,與傳統CT相比,許多值得注意的優勢已被研究,如圖像優化、偽影減少以及提供有關組織成分的附加資訊的能力。

  自雙能量CT掃描(DECT)問世以來,與傳統CT相比,許多值得注意的優勢已被研究,如圖像優化、偽影減少以及提供有關組織成分的附加資訊的能力。 在不同的DECT應用中,虛擬去鈣(VNCa)技術已成為一種日益流行的技術,因為它能夠從解剖結構中減去鈣,從而更好地評估標準CT上可能掩蓋的許多病理狀況。VNCa于2009年首次推出,主要用於去除血管鈣化斑塊和描繪松質骨和骨髓變化方面。 骨髓水腫(BME)或“骨挫傷”被認為是骨骼系統損傷的生物標誌物,與骨小梁中脂肪成分的減少有關,並被水腫和出血所取代。磁共振成像(MRI)是評估骨髓疾病的參考標準技術。通過創建VNCa重建,DECT可能被認為是一種潛在的更便宜、更快和全面的成像替代方法,其目的是為許多臨床適應症提供與MRI一樣詳細的資訊。 大量證據表明,DECT有可能用於基於膠原的肌腱和韌帶成像,或將高密度病變與鈣區分開來,如痛風患者的尿酸鹽晶體。在這種情況下,DECT提供額外成像參數資訊的能力,例如從VNCa圖像中獲得的BME,對於炎症、浸潤性和變性疾病的多參數方法以及創傷患者的緊急情況可能特別有用。 

  今天我們分享一篇綜述文章,系統介紹一下VNCa技術的臨床價值。 關於雙能量的實現方法,雖然目前能看到的雙能量實現方法有六種之多,但是科學文獻中公佈的VNCa演算法的大多數當前研究都是在第二代和第三代雙源CT(DSCT)平臺上進行,這可以解釋為與其他平臺相比,這種特定DECT技術的可用性更廣。 75691638573530698 VNCa掃描在頭部掃描中區分出血和實質鈣化的能力 69641638573530962 VNCa掃描在脊柱骨骼中描繪創傷性骨髓水腫的潛力 70341638573531167 VNCa掃描在脊柱和骨盆骨骼中顯示非創傷性骨髓水腫的潛力 9311638573531403VNCa掃描在四肢骨骼中描繪創傷性骨髓水腫的能力 


VNCa成像技術背景

  由於使用三物質的分解,VNCa演算法估計DECT數據集上的鈣含量,並從圖像中減去,以突出顯示可能被骨礦物質或鈣化覆蓋的解剖結構。 在VNCa成像上,骨髓衰減代表黃骨髓和紅骨髓的CT值。特別是,利用鈣的特徵斜率,骨礦物體素被投影到水的CT值(100 kV/Sn140 kV的0 HU)。因此,體素之間的差異主要反映了骨髓中的水分和脂肪含量。這些差異可以使用彩色編碼圖進行直觀解釋,或通過感興趣區域進行定量評估,並以HU表示。 然而,大多數被建議用來區分BME和正常骨髓的臨界值仍然是非常不同的,範圍在-80和6 HU之間。這些差異可能取決於評估的解剖區域或使用的DECT平臺類型。 VNCa數據集上的圖像品質也受到DECT掃描參數的影響。使用更高的光譜分離可以精確評估骨礦物質含量。

  在組合為70/Sn150 kV時,獲得了最佳結果。然而,當由於圖像噪聲的增加(如掃描腹部和骨盆)而不建議使用大的DE比時,較高的輻射劑量有助於提供最佳的圖像品質。螺距和旋轉時間不會顯著影響圖像品質,儘管螺距過低時可能會出現螺旋偽影。 彩色編碼的VNCa數據集通常從大多數現代DECT平臺的原始數據自動處理,顯示出在常規臨床實踐中使用的潛力。建議切片厚度為1–2mm,更平滑的重建卷積核,數據集應沿二維解剖平面重新重建,以進行最佳定性評估。 還應考慮VNCa成像的技術限制。事實上,已經證明,由於皮質的不完全掩蔽和空間平均,無法準確地顯示與皮質骨直接相鄰的骨髓衰減的微小改變。皮質骨或松質骨的不完全減影也可能發生在關節病和存在氣體或嚴重骨硬化的情況下,這會導致線束硬化偽影,甚至在存在骨折的情況下也可能導致可見水腫的缺失。因此,VNCa成像的任何潛在用戶都應該意識到其潛在的缺陷。


VNCa臨床應用

  顱內鈣化是頭部CT掃描的常見表現。它們通常由脈絡叢和基底節內的營養不良過程引起,或可能作為不同疾病的一部分發生,如結節性硬化症、囊蟲病、Sturge-Weber綜合徵和緩慢生長的腦腫瘤(如腦膜瘤、皮樣瘤、顱咽管瘤和少突膠質瘤)。 在緊急情況下,任何顱內高注意力集中的來源都可能混淆診斷,尤其是在需要排除顱內出血的情況下。在頭部常規CT掃描中,任何衰減水準大於100 HU的病變都被歸類為鈣化。然而,新鮮血液的密度通常為50-65 HU,而鈣化的衰減可能在70-200 HU之間變化。因此,該標準可能不適用於衰減水準低於100 HU的病變,其值往往重疊。目前,用於區分出血和鈣化的成像技術包括基於MRI的技術,如定量敏感性標測和梯度回波成像。 VNCa已被證明能準確區分鈣化和出血,甚至在衰減在50到100 HU之間的病變中(圖1)。在臨床研究中,截止值為44 HU的VNCa在區分顱內出血小病灶和鈣化方面具有較高的診斷性能(表1)。 50231638573531693

圖1 頭部DECT掃描顯示標準灰度序列

(a)分類為不確定的腦橋中的局灶性高密度灶。這位有高血壓病史的80歲患者因精神狀態改變而被送往急診室。在鈣圖(b)上,高密度病灶仍然可見,而在虛擬去鈣圖像(c)上則不明顯,提示為實質鈣化。磁共振成像證實了這一發現。

75811638573531882 圖2 頭部DECT掃描顯示腦橋的局灶性高密度,在標準灰度序列(a)中分類為不確定。這位58歲的患者有高血壓和糖尿病病史,因右臂震顫、視力模糊和收縮壓升高而被送往急診室。在鈣圖上,橋腦的局灶性高密度不明顯(b)。在虛擬去鈣圖像(c)上,橋腦的局灶性高密度灶表現為高衰減的局灶區域,與出血相一致。 


脊柱骨折

  MRI和CT目前被認為是評估脊柱疾病的首選診斷成像方式。CT成像由於其出色的空間解析度,在急診創傷環境中用於檢測低密度骨折線。另一方面,MRI是評估神經、肌腱結構和骨髓疾病的參考標準技術。此外,MRI對於診斷繼發于創傷的BME特別有用。然而,由於成本高、採集時間長,常規創傷環境下的MRI檢查可能會受到限制。 雖然單能量CT不能去除骨小梁並揭示細微的骨髓衰減變化,但DECT允許BME評估。

  此外,其快速採集時間有利於急診場景。已經進行了幾項研究,以評估VNCa重建檢測急性椎體骨折的診斷性能。BME檢測已通過使用彩色編碼圖像進行定性評估,並使用基於感興趣區域的骨髓衰減測量進行定量評估。當松質骨內出現微骨折時,骨髓衰減增加,因為其脂肪含量被水腫和微出血所取代。彩色編碼的VNCa重建在BME定性評估方面顯示出良好的結果,無論是在敏感性(範圍72-96%)、特異性(範圍70-100%)還是準確性(範圍90-99%)(表1)。 類似地,在VNCa數據集上對骨髓衰減的受試者操作特徵曲線分析也證明了極好的敏感性、特異性和準確性,使用-80和-12 HU的截止值,其範圍分別為85–96%、82–90%和85–91%。 骶骨功能不全骨折的診斷也獲得了有趣的結果,顯示了定性評估的高度敏感性和特異性(分別為93%和95%),以及使用-43 HU的臨界值進行定量評估的85%和95%的值這可能使DECT成為一種有希望的技術,以避免對不全性骨折及其相關並發癥的誤診,尤其是在患有骨質疏鬆症或瀰漫性骨病的患者中。


退行性椎間盤疾病

  椎間盤退行性疾病是一種常見的與年齡相關的疾病,可引起下腰痛,並帶來巨大的社會和經濟負擔。 常見的並發癥是脊髓或脊神經根受壓。快速準確的診斷對於快速開始最佳治療和避免可能導致不可逆壓迫是必要的。MRI是首選診斷成像方式,因其能在椎間盤和腦脊液之間提供良好分界。然而,MRI在臨床常規檢查中有一些局限性,例如患者有鐵磁性金屬植入物、幽閉恐懼症或難以保持仰臥和長時間靜止。 DECT成像作為一種有吸引力的替代方法被引入,特別是由於VNCa成像,它在識別椎間盤退變的早期階段取得了有希望的結果。使用最大CT值800 HU和閾值-200 HU,具有混合CT覆蓋的VNCa彩色編碼圖已證明能夠檢測改良Pfirrmann分類的不同分級(該分類廣泛用於椎間盤退變分級)。特別是,VNCa成像能夠檢測到椎間盤衰減的增加,這與髓核脫水以及蛋白多糖和水分含量的損失正相關。 更晚期的椎間盤退變以椎間盤高度降低、纖維環破裂和髓核突出為特徵。標準CT對腰椎間盤突出症的檢測顯示出中等的敏感性和特異性。最近,DECT通過應用彩色編碼的VNCa重建克服了椎間盤對比度解析度受損的問題(圖3)。 36751638573532189

圖3 脊柱DECT掃描。標準灰度序列(a)顯示L3/L4和L4/L5椎間盤真空現象的典型脊柱關節病表現。經磁共振成像T2加權序列(c)(箭頭)證實,虛擬去鈣重建結合優化椎間盤分析(b)可精細顯示腰椎間盤突出症(箭頭)。

彩色編碼圖有助於區分小椎間盤突出症和腦脊液,與標準CT相比具有更好的敏感性和特異性,分別為91%和92%(使用MRI作為參考標準(表3))。 


浸潤性疾病

  脊柱是骨轉移最常見的部位。乳腺癌、前列腺癌和肺癌共同導致80%以上的轉移性骨病。 腫瘤患者通常進行增強CT掃描,用於分期和隨訪。然而,儘管碘造影劑有助於增強軟組織對比度,但在標準CT上評估骨病變仍然具有挑戰性。在薈萃分析中,傳統CT圖像報告脊柱轉移檢測的敏感性和特異性分別為77%和83%。此外,當高度懷疑存在骨轉移時,患者可能需要接受額外的成像技術,如MRI、閃爍掃描或正電子發射斷層掃描。 最近用不同的鈣抑制指數評估了VNCa重建檢測轉移性脊柱病變的效果。特別是,與常規CT的78%相比,使用低抑制指數和中等抑制指數使靈敏度提高到85%,並且與主觀圖像分析的良好讀者一致性相關。 在Abdullayev等人的一項研究中,使用低抑制指數和中抑制指數進行定量分析,分別使用-143 HU和-31 HU的截止值,顯示了區分正常骨和轉移骨的有希望的結果(表3)。 DECT在浸潤性脊柱疾病中的作用也集中在多發性骨髓瘤患者身上。在這種惡性血液腫瘤中,漿細胞的不受限制的克隆性增殖導致骨髓正常成分的改變。通常進行低劑量全身CT掃描以檢測溶骨性病變在這種情況下,DECT顯示了有希望的結果,與標準CT相比具有更好的靈敏度(圖4)。 35181638573532653

圖4 磁共振成像(未顯示)證實的無移位舟狀骨骨折患者的手部DECT掃描。標準灰度系列(a)顯示輕微的皮質中斷,無明顯骨折(箭頭)。彩色編碼虛擬去鈣圖像(b)描述了骨髓水腫的存在,證實了創傷性病變的假設。值得注意的是,遠端橈骨和尺骨上的骨骺線也用綠色編碼(箭頭)。

不同的研究提出了介於-45 HU和-36 HU之間的截止值,以通過定量評估實現最佳靈敏度,並允許對疾病的病灶和擴散模式進行精細描述,準確率在93%到99%之間。

 

附肢骨骼  

髖關節

  VNCa重建特別有助於檢測常規X線照片或標準CT上可能遺漏的細微髖部骨折,尤其是受瀰漫性骨骼疾病(如骨質疏鬆症或佩吉特病)影響的患者。 及時識別骨盆骨折對於治療計劃至關重要,誤診與殘疾和較高死亡率有關,並伴有缺血性壞死和血栓栓塞等並發癥。不同的作者將臨床隨訪作為參考標準,重點關注VNCa重建檢測骨盆骨折的診斷性能(表3)。在這些研究中,DECT的表現明顯優於標準CT,當評估彩色編碼的VNCa圖像時,顯示出敏感性的提高(>5%)。此外,定量分析的臨界值為-55.3 HU,其敏感性和特異性分別為100%和94%。 不同的情況,如涉及脊柱或骨盆的軸性脊椎關節炎和骶髂關節炎,通常需要患者進行MRI檢查。還研究了VNCa演算法對骨髓炎症變化的影響(表3),結果顯示對突出由活動性炎症引起的BME有良好的診斷性能。對浸潤性病變也有很好的結果,VNCa已被用作標準CT上因骨髓等密度而幾乎看不到的惡性盆腔腫瘤的活檢指南。

四肢

  最近的一項薈萃分析比較了CT和MRI的診斷性能,以確定疑似小骨骨折的最終診斷。使用骨閃爍掃描作為參考標準,與CT相比,MRI具有更高的敏感性和特異性(分別為88%和100%對72%和99%)。在疑似或輕微骨折的情況下,MRI被認為是繼常規平片後最好的高級成像選擇,因為它能很好地描繪骨髓和鄰近軟組織。另一方面,在BME強烈的情況下,僅MRI可能無法顯示骨折線,診斷可能需要常規X線片或CT。此外,高成本、低訪問率和禁忌症使MRI無法作為急診環境中可疑和隱匿性骨折的高級成像選擇。然而,在MRI上,骨挫傷被認為是骨損傷的關鍵發現,因為它可以發現細微骨折,而這些骨折在傳統的X光平片和標準CT中可能是隱匿的。 越來越多的研究表明,DECT利用VNCa成像檢測四肢骨骼小骨的創傷性BME是可行的(表4),與標準CT相比,定性和定量評估的診斷性能有所提高。 DECT可以補充標準CT成像提供的資訊,提高VNCa對急性膝關節骨折的診斷能力(圖5)。在Booz等人的一項研究中,通過彩色編碼的VNCa圖像對膝關節骨折進行定性評估的敏感性和特異性為95%,而在定量分析中,使用-51 HU截止值,這些值分別為96%和97%。Wang等人也顯示了類似的結果,他們提出了-67 HU的截止值,敏感性為81%,特異性為99%。與標準CT相比,DECT檢測骨折的靈敏度提高了15–20%,尤其是對於經驗較少的放射科醫生。VNCa演算法即使在低輻射劑量協議下也表現良好,與標準劑量DECT非常一致。二分髕骨和骨關節炎可能是VNCa演算法的一個缺陷,因為它們可能確定假陽性和假陰性。另外一個限制是存在假體或骨合成植入物。 52401638573532902

圖5 右側急性踝關節創傷患者的DECT掃描。標準灰度系列(a)未描繪任何斷裂線。彩色編碼的虛擬去鈣圖像(b)顯示右跟骨明顯的創傷性骨髓水腫,顯示為綠色區域(箭頭)。這一發現通過使用質子密度加權序列(箭頭)的磁共振成像(c)得到證實

  幾位作者研究了VNCa重建的性能,以檢測遠端關節(如舟狀骨)的創傷性BME。在這些研究中,無論是定性評估還是定量分析,DECT都能夠以比標準CT更高的敏感性和特異性突出創傷性BME(表4)。一些病例報告還強調了DECT描繪跟腱撕裂的能力,與傳統CT相比,其可信度有所提高。使用MRI作為參考標準,在急性膝關節創傷中評估交叉韌帶斷裂也有類似的結果,具有相當好的敏感性(79%)和極好的特異性(100%)。 VNCa成像也可描繪與類風濕性關節炎相關的炎症性BME,無論是大關節還是小關節(圖6),顯示了良好的定性評估和與MRI的極好一致性。 71581638573533243 圖6 類風濕性關節炎患者雙手的DECT掃描。第二掌指關節放大顯示標準灰度序列(a)和正常虛擬去鈣衰減(b)上軟骨和骨板的正常平滑輪廓(短箭頭)。相反,第三掌指關節的骨髓水腫明顯,表現為廣泛且界限不清的綠色區域(長箭頭)。通過T2加權脂肪飽和序列的磁共振成像證實存在炎性骨髓水腫(c)。


血管應用

  充分清除血管中的鈣化斑塊是CT血管造影(CTA)研究的一個挑戰。鈣化斑塊通常會導致血管狹窄評估過高,尤其是在小血管中,並可能導致不必要的侵入性操作。 通常,在常規CTA中,固定的HU值被用作去除鈣化的閾值,儘管這種方法常常由於鈣化的暈狀偽影而失敗。或者,平掃CT採集可以作為鈣化斑塊減影的蒙片。然而,由於患者的運動或兩次掃描之間的動脈搏動,可能會出現錯位偽影。眾所週知,DECT演算法可以改善圖像品質,減少接受CTA檢查的患者的對比劑體積和輻射劑量。基於DECT的三物質分解還可以減少含碘血管的鈣信號,從而從CTA掃描中去除硬斑塊。 在這種情況下,與傳統CTA相比,使用數字減影血管造影作為參考,VNCa成像已被證明可以改善硬斑塊引起的頸動脈狹窄的定量。此外,管腔評估沒有顯示出受到暈狀偽影的影響,可能是因為該演算法識別並消除了鈣暈狀成分的光譜行為。 


未來展望

  現代DECT平台中使用的能量積分探測器基於X射線轉換為電信號的間接過程,該電信號通過光電二極體並轉換為光子。另一方面,新的光子計數探測器直接將X射線光子轉換為電信號,提高了劑量效率和空間解析度,改善了光譜分離和空間配準。在不久的將來,光子計數探測器CT平臺不僅可以更詳細地顯示BME,尤其是在小骨中,還可以區分尿酸鹽晶體、羥基磷灰石和焦磷酸鈣沉積物。此外,初步數據顯示,在從血管中減少鈣化斑塊、分離血液和鈣化、克服當前VNCa對次優材料分解的限制以及DECT平臺的解析度限制方面,取得了有希望的結果。 


結論

  在過去的十年中,基於DECT的VNCa成像已被證明在一些神經放射學、血管和肌肉骨骼應用中提供了比標準CT更多的臨床相關資訊。迄今為止,使用VNCa重建的最大經驗存在於骨髓成像中,尤其是骨創傷,但也適用於炎症和腫瘤骨髓病理學。一些研究表明,它還具有鑒別高密度病變和評估椎間盤的潛力。此外,與標準CT相比,常規通過MRI或骨閃爍掃描評估的炎性或浸潤性骨髓疾病可以通過DECT進行更詳細的評估。對VNCa圖像的主觀和客觀分析顯示了較高的診斷準確性,並證明了在禁忌症或可用性有限的情況下,VNCa作為MRI、骨閃爍掃描或PET/CT的成像替代方式的潛力。特別是在急診/創傷環境中,由於節省時間、早期準確診斷和迅速開始治療,患者可以從該技術中獲益。然而,儘管多項研究顯示了基於DECT的VNCa成像的潛力,但這項技術仍然沒有在臨床常規中取得進展,可能是因為其可用性有限,因為大多數可用研究都是在第二代和第三代DSCT平臺上進行的。這可能限制了供應商間的相關性研究,並阻礙了VNCa成像與臨床常規的整合。 必須了解VNCa技術限制和與採集協議和重建軟體相關的差異,這可能因供應商而異,併為定量評估生成不同的截止值。需要進一步研究VNCa成像演算法,以更全面地了解其潛力。 更多幹貨,關注XI區!  

文獻原文:D'Angelo T, Albrecht MH, Caudo D, et al. Virtual non-calcium dual-energy CT: clinical applications. Eur Radiol Exp. 2021 Sep 3;5(1):38. doi: 10.1186/s41747-021-00228-y. 

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