S.K. Pedersen | S.B. Albæk | M.W. Kusk
放射学与核医学系，埃斯比约/格林斯特德医院 – 南丹麦大学医院，Finsensgade 35，6700 埃斯比约，丹麦
**摘要**
在CT检查中减少碘化造影剂（CM）的用量是可取的，以降低患者发生造影剂相关肾损伤的风险。与能量积分探测器（EID）CT相比，光子计数探测器（PCD）CT被认为能够更有效地减少CM的使用量。然而，当虚拟单能量（VME）水平相同时，PCD在碘增强效果方面是否优于光谱EID仍不清楚。本研究比较了同一患者体内进行的胸腹盆腔（CAP）CT扫描，分析了光谱EID（sEID）和PCD在减少30% CM用量后的增强效果。
**方法**
回顾性分析了93名患者在六个月内使用双源sEID（0.46 gI/kg）和PCD（0.32 gI/kg）扫描仪进行的CAP CT检查。在60、65和70 keV VME下，获取了增强组织（主动脉、肾皮质、门静脉、肝脏）和非增强组织（腰大肌、皮下脂肪）的衰减数据。计算了肝脏碘增强比率（IER）以评估相对于碘剂量的增强效果。
**结果**
对于所有增强组织，PCD的衰减值显著低于sEID（p < 0.001），分别为：主动脉减少21–23%，肾皮质减少19–20%，门静脉减少17%，肝脏减少13–17%。非增强组织之间没有显著差异。关键的是，在所有VME水平下，两种扫描仪的IER值相当（p > 0.39），表明每克碘的增强效果相同。
**结论**
从客观图像质量来看，除非可以接受不同的绝对增强效果，否则在PCD中减少30%的造影剂用量是不可行的。我们的结果表明，决定碘增强效果的因素是VME重建算法，而非探测器本身的差异。为了获得一致的实质增强效果，PCD和sEID光谱CT应应用相同的碘剂量。
**实践意义**
当需要在sEID和PCD CAP-CT之间获得可重复的实质增强效果时，减少CM用量的潜力非常有限。
**引言**
在CT检查中减少碘化造影剂（CM）的用量是可取的，主要是为了降低急性肾损伤或严重慢性肾脏病患者发生造影剂相关急性肾损伤（CA-AKI）的风险。因此，应始终优先选择与诊断图像质量相匹配的最低CM剂量，并调整采集参数以实现这一目标。减少CM用量的其他动机还包括经济考虑（如碘价上涨）、排出的CM对饮用水资源的环境影响以及潜在的健康风险，以及长期供应安全问题。因此，鼓励采用更可持续的CM注射方法。
**背景**
在传统的多能量CT图像中，通过使用能量积分探测器（EID）系统，可以通过降低管电压来提高每克碘的增强效果，利用碘在33 keV处的吸收边缘。而光谱CT则可以通过多种方法实现能量依赖的采集，例如双源CT（DSCT）和kVp切换，或基于探测器的方法（如光子计数探测器PCD CT）。在本文中，我们使用缩写sEID表示光谱EID CT，cEID表示常规（非光谱）EID CT。光谱采集允许重建虚拟单能量（VME）图像，从而可以回顾性地控制碘的增强效果，进而有可能减少CM用量。VME重建的另一个好处是不同体型患者之间的Hounsfield数值变化较小。PCD还对低能光子的权重降低较少，理论上具有更高的碘信号。但是，当在相同的VME下比较PCD和sEID时，这是否意味着更高的碘增强效果呢？幻影研究表明，在相同的CM剂量下，两者的增强效果相同。另一项研究显示，虽然sEID和PCD系统在VME重建中产生的衰减相似，但由于PCD的图像噪声较低，其对比度噪声比（CNR）更高。这些发现为从EID转向PCD CT时减少CM用量提供了依据。另一项比较PCD在50 keV下的VME成像与cEID的传统重建的研究报告称，PCD在减少CM用量的情况下实现了更高的CNR，进一步支持了减少用量的可能性。然而，据我们所知，尚未有患者研究在相同的keV水平下比较sEID和PCD的VME重建，以评估减少用量是否可行。
**胸腹盆腔（CAP）CT**
胸腹盆腔（CAP）CT是肿瘤成像中最常见的扫描类型之一，既用于诊断也用于随访，因此累积的CM用量可能相当大。然而，病灶与背景的对比度会影响例如肝病灶的可检测性和大小测量。因此，在连续的随访扫描中，需要均匀的增强效果，以便正确诊断转移性疾病的发生和发展或缓解。
**研究设计**
2023年2月，为了替换cEID扫描仪，安装了Naeotom Alpha（西门子医疗）PCD扫描仪，根据供应商的建议，CAP CM用量相对于sEID协议减少了30%。这一决定基于上述幻影研究和早期临床证据，表明PCD的出色CNR性能可以弥补减少的碘用量。由于光谱CT的这些优势，所有CAP sEID扫描都常规采用双能量模式进行。由于患者可以在sEID或PCD上进行交替扫描，这提供了直接比较增强效果的机会。
**研究目的**
本研究旨在在同一VME水平下，比较使用sEID和PCD减少30% CM用量后的CAP实质对比增强效果，并评估肝脏增强效果与碘剂量的关系。
**方法**
本研究采用回顾性分析方法，比较了同一患者体内使用sEID和PCD CT的对比增强效果。当地审查委员会免除了对知情同意的要求，并批准该研究作为质量改进研究（批准编号25/9271），允许回顾性检索和处理图像。
**研究选择**
我们确定了100名患者在2023年1月至2025年3月期间，在该医院内6个月内使用双源sEID（Somatom FORCE，西门子医疗）和PCD（Naeotom Alpha，西门子医疗）扫描仪进行了CM增强的胸腹盆腔（CAP）CT检查。根据预约当天的可用性，扫描可能在sEID或PCD下进行，因此两种扫描的顺序患者在之间是随机的。纳入标准为：年龄超过18岁，sEID扫描采用光谱DSCT采集方式，并且有光谱后处理（SPP）图像；患者的研究未偏离标准协议或受到图像伪影影响（例如在手臂下垂的位置进行扫描）；或测量位置有金属植入物；sEID扫描中腹部器官未包含在35 cm光谱视野（FOV）内；以及两次就诊之间CM浓度不同、体积或流量与标准协议不符或使用非标准采集参数的患者。
**数据获取**
从当地RIS/PACS系统中查询了候选研究列表。然后由两位作者（SBA和SKP）手动审查图像的适用性。研究数据被导出到安全网络驱动器，并移除了患者敏感数据，替换为随机标识符。1 mm厚度的光谱后处理（SPP）图像被导入临床工作站（Syngo.Via VB70，西门子医疗）。SPP数据格式允许交互式调整和测量不同的VME水平。从DICOM元数据中提取了CM剂量、体积CT剂量指数（CTDIvol）、剂量-长度乘积（DLP）以及患者特征（性别、年龄、身高、体重和研究日期）。
**扫描和注射参数**
表1列出了sEID和PCD的标准CAP采集参数。两种扫描仪均使用自动管电流调节（CareDose 4D）以确保不同患者解剖结构和区域之间的图像质量一致。
**统计分析**
使用Excel（Microsoft Inc）和STATA BE18（StataCorp Inc）进行数据记录和统计分析。连续变量使用均值和标准差（SD）进行总结。通过检查QQ图评估变量的正态性（以及适用时的配对差异），如果形状表明显著偏离正态分布，则进行Shapiro–Wilks检验。对于连续参数的成对比较，使用配对t检验（正态变量）或Wilcoxon符号秩检验（非正态变量）。对于跨keV水平的多个比较，根据正态/非正态分布形状使用单因素方差分析（ANOVA）或Kruskal–Wallis检验。
**结果**
患者的特征见表2。除了碘剂量外，无法可靠地证明配对差异的正态性。患者的人口统计学特征和CTDIvol没有显著变化，但PCD的DLP显著较低。两种注射策略之间的对比剂体积差异显著，PCD相比sEID减少了29.1%。P值来源于配对Wilcoxon符号秩检验（∗）或t检验（∗∗）。
M/F 34/59
年龄 [岁] 68.2 (9.8)
扫描间隔 [天] 109.3 (41.1)
空白单元
EID PC D P-value
身高 [m] ∗1.71 (0.09) 1.70 (0.09) 0.28
体重 [kg] ∗72.14 (13.40) 72.18 (13.58) 0.37
BMI [kg/m2] ∗24.68 (3.70) 24.76 (3.92) 0.97
CTDIvol [mGy] ∗8.31 (4.03) 7.97 (3.18) 0.66
DLP [mGycm] ∗590.52 (276.13) 531.55 (194.00) <0.001
碘剂量 [g] ∗∗32.22 (5.56) 22.86 (4.14) <0.001
对于增强ROI，HU值呈正态分布；但对于腰大肌和脂肪ROI，在所有keV水平下都无法证明其正态性，因此对这些ROI使用了非参数检验。对于SD和CNR，无论ROI或keV如何，都无法检测到偏离正态性的情况，因此对这些变量使用了参数检验。
按扫描仪和VME级别分层的绝对增强测量结果显示在图2中。对于所有增强ROI，PCD的增强幅度显著低于sEID。对于非增强ROI，除了60和65 keV下的脂肪外，没有发现显著差异（尽管只有4–8 HU的差异）。与70 keV sEID重建相比，65 keV下的PCD衰减在所有ROI中都显著降低（所有P值 <0.001），腰大肌（p = 0.627）除外。在60 keV时，PCD衰减在脂肪（p <0.001）、肾皮质（p = 0.003）和门静脉（p <0.001）中显著高于70 keV sEID，而在主动脉（p = 0.588）、腰大肌（p = 0.262）和肝脏（p = 0.529）ROI中未发现显著差异。绝对HU差异的Bland–Altman图可以在补充图1中找到。
下载：下载高分辨率图像（427KB）
下载：下载全尺寸图像
图2. sEID和PCD CT扫描中平均HU值 ± 标准差（用条形表示），横跨测量的VME级别（以keV为单位）和ROI。P值来源于相同VME水平下的配对t检验（∗）或Wilcoxon符号秩检验（∗∗）。
增强ROI的绝对差异详细列在补充材料中，并附有Bland–Altman图。图3提供了sEID和PCD图像质量的示例比较。
下载：下载高分辨率图像（740KB）
下载：下载全尺寸图像
图3. 同一名患者在sEID和PCD上扫描的代表性图像，使用不同的虚拟单能量重建。上排为sEID，下排为PCD。
对于增强ROI，相对于sEID，PCD的衰减在主动脉中降低了21.5–22.9%，在肾皮质中降低了19.1–19.7%，在门静脉中降低了17.1–17.16%，在肝脏中降低了13.4–16.9%。使用Kruskal–Wallis检验评估，在每个ROI内，不同VME水平之间的衰减相对降低并不显著，所有P值均高于0.823。IER值和PCD相对于sEID的IER比率列在表3中。
表3. 肝脏增强（假设未增强健康肝脏组织的 attenuation 值为57 HU），碘剂量和碘增强比率IER（每克碘的HU）。结果以平均值及其标准差表示，并使用t检验进行测试。
空白单元
VME [keV] 60 65 70
肝脏增强 [HU]
sEID 84.96 (20.41) 71.79 (17.47) 61.31 (15.12)
PCD 59.74 (18.63) 50.92 (15.69) 44.06 (14.47)
相对差异 [%] −29.6 −29.9 −28.2
P值 <0.001 <0.001 <0.001
IERliver [HU/gI]
sEID 2.69 (0.69) 2.27 (0.58) 1.94 (0.49)
PCD 2.70 (1.03) 2.31 (0.88) 2.02 (0.79)
P值 0.92 0.71 2.0.39
表3中的IERliver值呈正态分布，因此使用t检验进行测试。
对于所有ROI和VME，PCD的噪声比sEID高出20%到30%。详细结果见补充表1。CNR值列在表4中。
表4. 对比度噪声比（CNR），以腰大肌ROI为参考。平均值及其标准差以及相关的t检验P值。
CNR
VME [keV] 60 65 70
sEID PCD
sEID PCD
PAorta 16.53 (6.20) 7.21 (2.48) <0.01
14.50 (5.81) 7.07 (2.33) <0.01
13.52 (5.30) 6.52 (2.12) <0.01
Fat 19.74 (6.66) 12.60 (3.41) <0.01
20.02 (7.42) 14.45 (3.80) <0.01
21.39 (7.32) 15.83 (4.77) <0.01
Renal cortex 19.31 (6.65) 9.07 (2.49) <0.01
16.86 (6.21) 8.88 (2.40) <0.01
15.79 (5.61) 8.23 (2.40) <0.01
Portal vein 18.19 (6.01) 8.93 (2.48) <0.01
16.12 (5.79) 8.82 (2.37) <0.01
15.24 (5.38) 8.26 (2.33) <0.01
Liver 8.45 (3.47) 3.83 (1.61) <0.01
7.7 (3.32) 4.02 (1.73) <0.01
7.63 (3.08) 4.06 (1.79) <0.01
讨论
我们的研究表明，将CM剂量从sEID降低30%到PCD协议可以在相似的VME水平下显著减少门静脉CAP CT中的血管组织衰减。非血管组织的等效衰减以及无论VME和扫描仪类型如何的恒定相对降低，表明即使在不同管电压下扫描，使用单能量图像进行不同模式之间的定量比较也是有效的。
一个重要的发现是，在每个VME水平下，sEID和PCD扫描中的估计IERliver基本相同，且肝脏增强减少了相同的相对量。因此，我们得出结论，选择VME keV水平，而不是探测器低能量敏感性的任何内在差异，是单能量重建中碘增强的主要决定因素。因此，如果需要一致的实质增强效果，那么应该对PCD和sEID光谱CT协议应用相同的碘剂量。
我们的结果与最近的幻影研究一致13,14，这些研究表明，在多个VME水平下比较sEID和PCD单能量重建时，碘衰减没有显著差异。然而，这些研究得出结论，当使用CNR作为图像质量的主要指标时，CM剂量可以减少多达50%，因为在使用相同核和剂量水平的PCD重建中固有的噪声较低。
区分基于衰减和基于CNR的CM减少潜力对于解释我们的发现至关重要。虽然幻影研究表明在保持CNR的情况下可以实现显著的CM减少，但我们的结果显示30%的CM减少导致所有血管组织的衰减值大致成比例降低。此外，同时使用更高分辨率的PCD核（Qr40 vs Qr32）使得PCD的CNR值在所有增强ROI和VME水平上比sEID低约40–55%（表4）。值得注意的是，PCD上的肝脏CNR在所有VME水平上都低于5，这一阈值通常被认为是自信的低对比度病变检测的下限。这一发现具有重要的临床意义，表明如果需要衰减匹配的增强效果进行连续随访，那么应在sEID和PCD中保持相同的CM剂量，而PCD较低的噪声水平带来的CNR改进可以用来减少辐射剂量或使用更清晰的重建核。
绝对衰减值与CNR对于低对比度物体可检测性的相对重要性值得进一步考虑。对于连续的肿瘤随访成像，其中一致的病变与背景对比度对于可靠地评估疾病进展或反应至关重要，因此在扫描仪之间保持可比的绝对增强水平可能比仅通过CNR匹配主观图像质量更为重要。相反，对于诊断场景，如果病变的显影度比定量可比性更重要，那么基于CNR的CM减少策略可能是合适的。这些考虑强调了机构在实施PCD协议时明确定义优化目标的需要。
通过在PCD和sEID光谱扫描仪中优化VME水平，可以实现CM的减少。Popp等人21的一项 recent患者研究表明，将VME从70 keV降低到60 keV可以补偿将固定CM剂量从120 ml降低到100 ml（17%）在PCD门静脉腹部CT中的效果。相比之下，我们的研究表明相同的VME减少可以补偿相对于sEID的30% CM减少。我们还注意到，在70 keV VME下，使用0.32 gI/kg的CM剂量获得的主动脉、门静脉和肝脏的PCD衰减值几乎与另一项研究中的结果相同，该研究在同一VME下使用0.40 gI/kg的degenerate（DE）扫描仪进行。22 Zanardo等人23也在几乎相同的CM剂量（0.44 g/kg）的多能量cEID图像中测量了类似的值。
据我们所知，我们的研究是首次使用VME重建来研究标准对比剂剂量下的sEID与降低对比剂剂量的PCD进行的门静脉腹部CT的CT衰减和CNR差异。以前的研究主要比较了在不同对比剂剂量水平下PCD和cEID之间的CT衰减和CNR，使用的是常规的多能量重建。15 与这些先前的研究简要比较是有启发性的：Layer等人15报道，尽管CM减少，但PCD在VME 50 keV下保持了与多能量重建相当的主观图像质量，但他们的比较涉及不同的重建类型（VME vs 多能量）和不同的探测器技术，使得与我们的VME-to-VME sEID–PCD结果进行直接定量比较变得困难。我们的研究设计隔离了探测器类型和CM剂量对相同VME重建水平的影响，这对操作混合sEID/PCD扫描仪的机构具有重要的实际意义。
我们的结果对于那些可能同时运行DE sEID和PCD扫描仪的机构来说很有趣。在系统的物理设计限制范围内，包括对比度衰减在内的图像质量的协调，允许在可用扫描仪之间更灵活地分配患者。我们怀疑我们的机构并不是唯一一个在早期实施PCD-CT时严重依赖供应商建议的机构，因为在当时经验有限。CAP扫描是许多机构中最常见的扫描类型之一，对于许多需要定期扫描五年或更长时间的患者的群体来说，一致的图像质量至关重要。另一个重要的收获是谨慎不要同时调整核和CM剂量，因为PCD的CNR减少了近一半，在肝脏实质中甚至低于五，这通常被认为是自信病变检测的下限。从更广泛的意义上说，这也强调了在实施PCD协议时明确定义优化目标的重要性。
CM的减少可以在PCD和sEID光谱扫描仪中通过优化VME水平来实现。Popp等人21的一项近期患者研究表明，将VME从70 keV降低到60 keV可以补偿将固定CM剂量从120 ml减少到100 ml（17%）在PCD门静脉腹部CT中的效果。相比之下，我们的研究表明相同的VME减少可以补偿相对于sEID的30% CM减少。我们还注意到，在70 keV VME下，使用0.32 gI/kg的CM剂量获得的主动脉、门静脉和肝脏的PCD衰减值几乎与另一项研究中使用0.40 gI/kg的DE扫描仪在相同VME下获得的结果相同。22 Zanardo等人23也在几乎相同的CM剂量（0.44 g/kg）的多能量cEID图像中测量了类似的值。
据我们所知，我们的研究是第一个使用VME重建来研究标准对比剂剂量下的sEID与降低对比剂剂量的PCD进行的门静脉腹部CT的CT衰减和CNR差异的研究。以前的研究主要比较了在不同对比剂剂量水平下PCD和cEID之间的CT衰减和CNR，使用的是常规的多能量重建。15 与这些先前的研究简要比较是有启发性的：Layer等人15报告说，尽管CM减少，但在VME 50 keV下，PCD保持了与多能量重建相当的主观图像质量，但他们的比较涉及不同的重建类型（VME vs 多能量）和不同的探测器技术，这使得与我们的VME-to-VME sEID–PCD结果进行直接定量比较变得困难。我们的研究设计分离了探测器类型和CM剂量对相同VME重建水平的影响，这对操作混合sEID/PCD扫描仪的机构可能具有重要的实际意义。
我们的结果对于那些可能同时运行DE sEID和PCD扫描仪的机构来说很有趣。在系统的物理设计限制内，包括对比度衰减在内的图像质量的协调，允许在可用扫描仪之间更灵活地分配患者。我们怀疑我们的机构并不是唯一一个在早期实施PCD-CT时严重依赖供应商建议的机构。CAP扫描是许多机构中最常见的扫描类型之一，对于需要定期扫描五年或更长时间的许多患者群体来说，一致的图像质量至关重要。另一个重要的收获是谨慎不要同时调整核和CM剂量，因为PCD的CNR减少了近一半，在肝脏实质中甚至低于五，这通常被认为是自信病变检测的下限。从更广泛的意义上说，这也强调了PCD并非一种可以同时提高空间分辨率、减少辐射和对比剂剂量的“万能工具”，它也受到与传统CT相同的限制。
我们认为我们研究的优点包括个体内比较，消除了对队列人口统计学差异的大多数担忧。同样，两种协议之间不变的注射时间、流量和总体积也减轻了对对比剂注入时间差异可能影响的担忧。此外，两次扫描之间的体重没有显著差异（表2），支持了两种检查之间对比剂剂量的可比性。
这项研究有明显的局限性，最相关的是研究的回顾性质，无法控制混杂因素。两种扫描仪使用了不同的核（sEID使用Qr32，PCD使用Qr40）。这是不可避免的，因为两种系统的迭代重建算法不同（sEID使用ADMIRE，PCD使用QIR），并且平台之间没有相同的核。虽然这种差异主要是导致观察到的图像噪声水平差异的原因，但已经显示平均HU值不受核选择的影响，25, 26, 27 而且无论如何，sEID和PCD上不同的探测器几何结构和迭代重建算法不期望产生相似的噪声纹理和幅度。28
sEID（150Sn/80 kVp双能量）和PCD（140 kVp）采集使用不同的管电压，这也应该考虑在内。虽然VME重建旨在提供与采集管电压无关的特定能量衰减值，但两种系统之间的光谱分离和重建算法的差异可能会影响VME图像的准确性，并引入系统性的衰减值差异。DLP的显著差异而CTDIvol没有差异表明扫描范围长度不同，因此不是增加图像噪声的主要决定因素。这种效应可能归因于两种扫描仪上可用的自动解剖学识别算法的不同。
虽然没有进行未增强扫描，因此无法评估相对肝脏增强，但只能估计。然而，由于扫描间隔很短，肝脏成分的显著变化（例如脂肪变性）不太可能混淆结果。最重要的是，没有评估主观图像质量，以确定减少的CNR是否在某种程度上被PCD核提供的更高清晰度所抵消。此外，应该注意的是，与不同的光谱sEID扫描仪进行比较可能会产生不同的结果。29
尽管两次检查之间的体重稳定，但并未正式评估心脏功能；然而，在现有信息中未发现心脏状态有任何文档记录的变化。然而，这并不排除可能影响对比剂注射动态的亚临床变化。不幸的是，我们没有可用的注射跟踪图像，但在未来的研究中，可以包括分析到达峰值的时间作为心脏功能的替代标志。30,31
理想情况下，我们的结果应在前瞻性设置中进行测试，并使用密切匹配的采集和重建核。
结论
当比较VME重建时，PCD相对于sEID的对比剂减少30%在CAP扫描中是不可行的，除非可以接受不同的绝对增强效果。我们的研究结果表明，在所检测的VME（Volume Median Enhancement）水平下，sEID（Segmentation by Equidistant Intervals Detection）和PCD（Point Cloud Detection）方法的肝脏增强效果与碘剂量的相关性相似。同时减少碘剂量和辐射剂量，并结合使用更高分辨率的成像算法，导致信噪比（CNR）显著下降。这些发现对于减少计算机断层扫描（CM）剂量的目标具有重要意义：虽然VME重建水平的优化为sEID和PCD平台都提供了节省剂量的途径，但PCD通过提高信噪比实现的剂量降低潜力可能更有利于减少辐射剂量或提升空间分辨率，尤其是在需要定量一致性的序贯随访成像中。
**生成式AI的使用**：不适用。
**伦理审批与参与同意**：本研究的伦理审批已获得埃斯比约-格林斯特德医院（Esbjerg & Grindsted Hospital）——南丹麦大学医院（University Hospital of Southern Denmark）董事会的批准（批准编号25/9271）。由于仅分析了匿名数据且未对患者进行任何干预，因此无需获得患者的知情同意。
**数据的可获得性**：所有测量数据均可通过开放科学基金会（Open Science Foundation, OSF）下载：https://doi.org/10.17605/OSF.IO/GCD6V。但根据董事会的决定，原始图像数据不能公开。
**作者贡献**：
- SKP：负责调查、撰写初稿、数据可视化、验证以及正式数据分析。
- SBA：负责调查、撰写初稿、数据可视化、验证以及正式数据分析。
- MWK：负责概念设计、方法论制定、正式数据分析、项目监督、修订与编辑工作以及数据可视化。
**资金支持**：本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织的特定资助。作者没有需要声明的其他资金来源。
打赏
