双能CT材料分解在小儿胸部肿瘤中的应用

2021
03/23

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CT技术的进步使双能CT应用于常规临床实践。通过获取两种不同能量的图像,双能CT可以实现材料分解,从而生成材料和能量特定的图像。物质特定图像包括虚拟平扫和碘图。特定能量图像包括虚拟单能图像。重建图像可以提供组织成分和对比剂分布的独特的定性和定量信息。在胸部肿瘤学成像中,双能CT在胸部恶性肿瘤和肺结节的定性、疾病范围的确定和治疗反应的评估方面具有优势。儿童的一个特别重要的特征是双能CT不会受到更高的辐射照射。来自华盛顿大学的学者综述了双能量CT材料分解算法在小儿胸部肿瘤中的应用,我们一块学习一下。

材料分解算法
材料分解的虚拟平扫图像从组织中减去碘含量得到。这些模拟图像可以描绘钙、脂肪和出血的小病灶,类似于真实的平扫图像,这有助于确定病变特征。生成虚拟平扫图像还可以通过消除获取真实平扫图像的需要来降低辐射剂量。虚拟平扫图像的一个潜在限制是可能看不到非常小或微弱的钙化。碘特异性图像显示组织中碘的分布和含量,提供增强的测量。这些图像可以显示为纯碘或材料密度图像或碘覆盖图像,将碘含量叠加在虚拟平扫图像上。碘含量也可以用HU单位和mg/ml进行定量评估。2017年发表的利用胸部模型的研究表明,利用最新一代双源系统,碘浓度可以精确量化。在儿科肿瘤学背景下,碘特异性图像可能在病变特征、肿瘤程度评估和疗效评估中发挥作用。虚拟单能重建是一种灰度图像,模拟使用真正的单能X射线源可以获得的HU值。X射线能量以keV为单位显示。能量范围在40到200keV之间。在低keV(40–60keV)下重建的图像具有更高的对比噪声比和更多的噪声。低能量图像有可能提高实体器官(如肝脏)细微病变的清晰度。在更高能量(100–140keV)下重建的图像噪声更小,但对比度也更小。它们在减少线束硬化和金属伪影方面有作用,这可能会掩盖病理发现。

双能量扫描方案
本文使用西门子SOMATOM Definition Flash(Siemens Healthineers)进行双能CT检查。所有双能CT检查均采用制造商推荐的胸部专用双能扫描方案,包括80/Sn140 kV,自动管电流调制(CARE Dose 4D;Siemens Healthineers), 量参考管电流-时间乘积为275 mAs(80 kV球管)和106 mAs(Sn140 kV球管) ,准直128×0.6mm,螺距1.2,旋转时间0.28s,重建 层厚 3mm, 迭代重建 根据我们的儿科实践参数,根据患者体重定制对比剂方案。 患者接受每公斤体重2ml(最大100ml)的非离子造影剂(320mg/ml)。 在开始注射造影剂25至30秒后,获取从肺尖到肾上腺的胸部图像。 如果可以在肘前区域放置22号留置针,则通过高压注射器注射造影剂。 手动注射用于较小规格留置针的患者或留置针位于肘前区域以外的部位。 双能CT数据集,80 kV,Sn140 kV和混合图像在扫描仪控制台生成。 所有图像均采用商业迭代重建技术(ADMIRE; Siemens Healthineers)在1和3 mm层厚和2 mm间隔重建。 此外,还制作了3mm冠状面和矢状面MPR图像。

辐射暴露
儿童双能血管造影和对比增强胸部,腹部和盆腔CT的辐射照射小于或等于可比较的单能CT扫描。在很大程度上,这反映了单能CT可用的剂量减少技术也可用于双能CT。除kV快速切换扫描仪外,所有系统均可提供用于减少剂量的自动管电流调制。前一系统上没有管电流调制可能与较高的辐射剂量有关。所有供应商都提供迭代重建技术,这些技术有可能通过降低管电流来降低辐射剂量。大螺距研究也可用。双源CT的另一个优点是安装在高千伏X射线管前面的锡滤波器,其衰减较低能量的光子,从而减少辐射暴露并增加光谱分离。

双能CT在组织定征中的价值
  • 纵隔肿块

双能CT在肿瘤和正常组织之间的对比增强有差异,碘浓度值可能有助于区分良恶性病变。定量碘浓度测量提供了病变增强的定量参数。此外,非增强图像可以提供关于病变中是否存在钙化的补充信息,这有助于病变特征的描述。
Lee等人发现良性和恶性肿瘤的碘浓度在早期对比期(1.38 mg/mL vs 2.41 mg/mL,P=0.001)和延迟期(1.52 mg/mL vs 2.84 mg/mL,P=0.001)存在显著差异,而衰减值无显著差异。早期双能CT诊断良恶性肿瘤的最佳临界碘浓度为1.40mg/mL,延迟期为1.58mg/mL。良性肿瘤包括神经源性肿瘤和平滑肌瘤,恶性肿瘤包括淋巴瘤、胸腺肿瘤、转移瘤和小细胞癌。
儿童常见纵隔肿块包括淋巴瘤、畸胎瘤、神经源性肿瘤(神经母细胞瘤、神经节神经瘤和神经纤维瘤)和前肠重复囊肿。纵隔重复囊肿通常具有均匀的、接近水的衰减值。有时,衰减可能等于软组织,因为囊肿液中含有粘液、蛋白质或出血性碎片,或钙乳,模拟实性病变。相反,一些神经源性肿瘤由于囊性变性、脂肪成分或粘液样基质区域的存在而衰减较低,因此模拟囊性肿块。碘增强图像只使用单期双能扫描,可区分实性和囊性肿块。非含碘病变的演示支持诊断复杂囊肿或良性实体肿块(图1,图2),而纵隔肿块内碘的显示增加了对恶性肿瘤的关注(图3)。我们的经验表明恶性肿瘤,如淋巴瘤和神经母细胞瘤,碘浓度大于或等于1mg/mL,尽管需要更多的研究来证实这一阈值水平。

图1:13岁男孩在胸部摄片中发现纵隔肿块,利用碘特异性CT图像描述纵隔囊肿特征。(a) 混合图像显示一个充满液体的中纵隔肿块(箭头)。内容物测量约30HU(衰减略高于水),表明一个复杂的囊肿。(b) 碘特异性图像显示缺乏碘含量证实诊断囊肿。缺碘是基于比较胸壁肌肉组织,因为肌肉组织通常没有碘含量。经病理证实为肠重复囊肿。


图2:16岁男孩,良性纵隔肿块。(a) 冠状位40keV CT显示纵隔后肿块。(b) 矢状位碘特异性CT图像显示微量碘含量,测量值为0.3 mg/mL。注意,肿块中碘含量与肌肉的碘含量相似。经手术切除证实的神经节神经瘤。


图3:1岁男孩,神经母细胞瘤。(a) 轴位碘特异性CT图像显示后纵隔肿块(M)以及椎管内延伸区域(箭头)内碘含量(2.8 mg/mL)。碘含量高于邻近肌肉。(b) 碘特异性矢状位CT图像显示椎管内肿瘤的全部范围(箭头)。


  • 淋巴结  
据报道,在成人中,碘浓度有助于描述纵隔淋巴结的特征,区分良性淋巴结和转移性淋巴结。在一项对转移性非小细胞肺癌患者的研究中,Li等人报道,淋巴结中碘含量为29.32 mg/cm,标准化碘值(淋巴结碘含量或主动脉碘含量)为0.4328,是区分转移性和非转移性淋巴结的最佳阈值(敏感度分别为80%和75%;特异性65%和75%;阳性预测值70%和75%;阴性预测值76%和75%;准确率73%和75%。在另一项对非小细胞肺癌胸内淋巴结转移患者的研究中,Yang等人报道,转移淋巴结中的标准化碘浓度高于非转移淋巴结(P<.05)。差异归因于转移淋巴结中小血管床的数量增加,这导致肿瘤灌注增加。作者还报道,对于转移性淋巴结的术前诊断,定量参数显示出比尺寸测量更高的准确性。
在儿童中,胸内淋巴结病的常见病因是淋巴瘤、转移瘤和肉芽肿性疾病。位置、大小标准和衰减值不足以确定是否存在恶性肿瘤。我们的临床经验表明,碘增强图像和碘浓度测量可以区分恶性和由于肉芽肿感染和炎症性疾病的良性淋巴结。在定性和定量图像上,恶性淋巴结的碘含量高于非恶性淋巴结(图4,5)。


图4:16岁男孩,淋巴瘤淋巴结特征。碘特异性CT图像显示纵隔淋巴结(箭头)和两肺门区(箭头)碘含量增加。测得的碘含量为1.5mg/mL。


图5:5岁女孩,炎性肌纤维母细胞瘤。双能CT碘特异性图像显示良性纵隔淋巴结内几乎没有碘含量(箭头)。碘含量为0.4mg/mL。活检显示成肌纤维细胞和成纤维细胞梭形细胞,淋巴细胞和浆细胞的炎性浸润与成肌纤维细胞肿瘤一致。

  • 肺结节
双能碘特异性图像也有助于描述孤立性肺结节。Chae等评价了双能CT对49个孤立性肺结节(恶性率55.6%)的分型作用,结节大小5~70mm,平均直径24.8mm,标准差±11.8。比较碘增强图像的CT衰减值和混合图像的增强程度。以恶性结节为界值20HU,碘增强CT衰减值的敏感性和准确性均高于增强程度(敏感性分别为92%和72%,特异性分别为70%和70%,准确性分别为82.2%和71.1%)。
在患有恶性实体瘤的儿童中,肺结节的恶性程度往往高于良性,而且不奇怪的是,传统的单能CT不能可靠地区分良恶性结节。在我们对肺结节的评估中,我们注意到恶性病变的碘含量不同于良性病变,且高于良性病变,恶性病变的碘浓度大于或等于1mg/mL(图6)。

图6:17岁女孩,左颈副神经节瘤病史,恶性肺结节。(a) 肺窗CT显示右肺下叶结节。(b) 轴位碘特异性CT显示右下叶含碘结节,碘密度为4.7mg/mL,经手术证实为转移性副神经节瘤。


然而,一个潜在的陷阱是炎性结节可能表现出与恶性结节相似的碘含量增加。混合影像和碘影像的联合检查有助于减少误诊。感染性病变通常边界不清,可显示晕征,可与转移瘤鉴别(图7)。


图7:15岁男孩,因淋巴瘤而受到真菌感染。(a) 碘特异性CT图像显示左肺下叶结节内的碘含量(箭头),碘浓度为2.4 mg/mL。(b)肺窗CT图像显示一个界限不清的肺结节,周围有晕(箭头)。活检发现曲霉。

双能CT在确定疾病范围方面的价值
偶发性肝损害在儿童中不如成人常见,但在无症状的患者中,偶发性肝损害可能发生,通常被认为是良性的。然而,在接受CT检查的肿瘤患者中,偶发性病变会引起对转移的关注。最常转移到肝脏的肿瘤有肾母细胞瘤、神经母细胞瘤、肉瘤和淋巴瘤。
低能量单能和碘特异性图像通过增加肝转移瘤和正常肝实质之间的衰减和对比度差异,有助于提高病灶的清晰度和细微低和高衰减病灶的检出率。建议的最佳单能能量为40-60keV。此外,碘特异性图像有助于区分囊肿和转移瘤。转移瘤显示碘对比,而囊肿没有(图8,9)。


图8:10岁男孩,肝转移,其促结缔组织增生性小圆细胞肿瘤转移至胸部和肝脏。(a) 混合CT图像显示右肝叶界限不清的低密度病变(箭头)。(b) 碘增强CT图像增强了病灶的明显性,也显示了病灶内的一些碘含量(箭头)。


图9:3岁女孩,因肾母细胞瘤接受左肾切除术,意外发现肝脏病变。轴位碘增强CT显示肝脏肿块,碘含量最低(0.4mg/mL)。核磁共振证实为肝囊肿。


通过增加病灶的显著性,碘特异性图像还可以更好地描绘肿瘤侵犯软组织,如胸壁和胸膜。在神经母细胞瘤患者中,碘特异性图像可以更好地描绘椎管内延伸(图3)。


评估治疗反应

监测化疗反应的传统标准基于肿瘤大小的连续测量,包括实体肿瘤的反应评估标准(RECIST)和世界卫生组织标准(WHO)。然而,一些化学疗法,特别是新的抗血管生成和免疫疗法药物,可能不会改变肿瘤大小,而是可能导致衰减或碘含量的显着变化。在这种情况下,碘特异性双能CT可能是评估治疗反应和肿瘤生存力的潜在替代方法。

Baxa等人在对比化疗前和化疗后的CT研究中报道,双期双能CT碘摄取定量在评估非小细胞肺癌患者的治疗反应方面具有优势。他们发现有反应的淋巴结转移的动脉强化分数(动脉期和静脉期碘强化的比率)显著降低,无反应的淋巴结显著增加。在另一项评估原发性肺肿瘤反应性变化的研究中,Baxa等人证明反应性肿瘤的碘含量和动脉增强分数显著降低,而在无反应性肿瘤中未观察到显著变化。Ren等人的另一项研究比较了肺癌患者治疗前后双能CT摄碘量与18F-FDG PET/CT代谢参数。碘相关定量与18F-FDG PET/CT的代谢测量值相关性良好,随治疗反应而降低,提示碘定量可能是肺癌治疗反应评估的一种可行的替代方法。

我们的经验是类似的儿童淋巴瘤和神经母细胞瘤。例如,图10和图11显示了对治疗有反应的碘浓度降低的肿瘤的例子。使用碘增强图像来评估治疗反应需要标准化阈值,但如果这些阈值能够得到验证,双能CT可以作为在肿瘤缩小之前评估治疗反应的一种方法。


图10:患有神经母细胞瘤的6岁女孩的治疗反应。(a) 基线碘特异性CT图像显示后纵隔肿块碘含量增加。碘浓度为2.4mg/mL。(b)4个月后的碘特异性CT图像显示肿块内碘含量降低。检查结果与部分治疗反应一致。注意肿瘤大小在两个时间点之间没有变化。碘123-间碘苯胍检查显示,残余代谢活性最小,与基线相比有所改善。


图11:16岁女孩,淋巴瘤的治疗反应。(a) 基线碘特异性CT图像显示右肺门淋巴结碘含量。碘浓度为2.3mg/mL。(b)2个月后的碘特异性CT图像显示碘含量下降。碘浓度为0.6mg/mL。结果与完全治疗反应一致。PET/CT确认完全应答。

结论
双能CT具有材料和能量特异性成像,在小儿胸部恶性肿瘤的诊断中具有单能CT无法比拟的应用前景。这项技术为改善原发性和继发性病变的检测和定性、改善肿瘤范围的评估以及在相当于或低于单能量CT成像的辐射剂量下评估治疗反应开辟了可能性。


编译自:Siegel M J, Bhalla S, Cullinane M. Dual-Energy CT Material Decomposition in Pediatric Thoracic Oncology[J]. Radiology Imaging Cancer, 2021, 3(1):e200097. 仅用于专业人士交流目的,不用于商业用途。

2021年3月22日


本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
母细胞瘤,淋巴结,肺结节,胸部,肿瘤,CT,肿块

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