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双能量痛风分析:基本原理,准确性与常见伪影

 zskyteacher 2019-01-30

痛  风


痛风是一种单钠尿酸盐(MSU)沉积所致的晶体相关性关节病,与嘌呤代谢紊乱及(或)尿酸排泄减少所致的高尿酸血症直接相关,属代谢性风湿病范畴。痛风可并发肾脏病变,严重者可出现关节破坏、肾功能损害,常伴发高脂血症、高血压病、糖尿病、动脉硬化及冠心病等。各个年龄段均可能罹患本病,男性发病率高于女性。



早在公元前5世纪,希波克拉底就有关于痛风(gout)临床表现的记载。痛风一词源自拉丁文Guta(一滴),意指一滴有害液体造成关节伤害,痛像一阵风,来得快,去得也快,故名痛风。



痛风患者常出现痛风石。在患者耳郭、关节周围、肌腱、软组织等周围皮下可见。痛风石是淡黄色或白色大小不一的隆起或赘生物,质地偏硬,类似石子。 在身体的各个部位尤其是四肢形成的痛风石,不仅严重影响肢体外形,甚至会导致关节畸形、功能障碍、神经压迫、皮肤破溃、窦道经久不愈,须接受手术治疗。



国际上痛风/高尿酸血症(hyperuricemia,HUA)定义为:正常嘌呤饮食状态下,非同日两次空腹血尿酸水平:男性血尿酸>420 μmol/L,女性血尿酸>360 μmol/L。当血尿酸水平超过关节单钠尿酸盐饱和度而析出沉积于外周关节及周围组织时,称为痛风。没有痛风发作的HUA称为无症状HUA,据研究42%的高尿酸血症患者没有症状,而部分痛风患者没有血尿酸水平升高。

痛风的危险因素包括肥胖和高甘油三酯血症、饮酒过量、高血压、高血糖、富含嘌呤的食物等。


痛风的诊断方法包括:

关节腔穿刺检查:急性期抽取关节腔积液检查,于旋光显微镜下可见白细胞内有双折光现象的针形尿酸盐结晶。

痛风石内容物检查:取痛风石自行破溃物或结节内容物,在旋光显微镜下观察,可见到双折光的黄色的针状尿酸盐结晶。



受累关节X线片检查:典型的改变为在骨软骨邻近关节的骨质有圆形的穿凿样或不整齐的虫蚀样缺损,多在晚期出现


白色箭头所指为痛风结晶沉积区域。

Sivert K , Sebastian W , Becker A S , et al. Gouty arthritis: Can we avoid unnecessary dual-energy CT examinations using prior radiographs? PLOS ONE, 2018, 13(7):e0200473-.


超声检查:表现为大小、数量和方向各不相同的强回声云雾状斑点(炎性晶体)。关节内痛风典型表现为双轮廓征:软骨表层因尿酸盐晶体沉积而出现的不规则高回声带,宽度与软骨下骨接近。


双轮廓征

Klauser A S,Halpern E J, Strobl S, et al. Gout of hand and wrist:the value of US as compared with DECT. EuropeanRadiology, 2018:1-8.


双能量痛风分析


双能量CT基于物质鉴别的原理,采用高低不同的管电压进行数据采集,在经过处理鉴别物质的不同成分。由于尿酸盐结晶存在不同的X线衰减特性,能够检出体内成就的尿酸盐结晶。


双能量痛风分析的基本原理

根据化合物在低kV(如80kV)和高kV(如140kV)X线束上的衰减差别来分离物质的化学成分。通过应用这两种不同的能量水平,三种材料(即尿酸、钙和软组织)可以根据X射线束的不同吸收水平彼此精确区分。黑线以上的物质表示钙(即原子量高的化合物),黑线以下的物质表示尿酸(即原子量低的化合物)。

Choi H K , Al-Arfaj A M , Eftekhari A , et al. Dual energy computed tomography in tophaceous gout. Annals of the Rheumatic Diseases, 2009, 68(10):1609-1612.


双能量痛风分析具有快速多关节成像,无创,定量,费用低,可重复性高的特点。由于敏感性高,在临床应用中要注意识别存在的伪影,避免假阳性。


足部痛风

Cynthia McCollough,Shuai Leng, Lifeng Yu,et al. Dual- and Multi-Energy Computed Tomography: Principles, TechnicalApproaches, and Clinical Applications. Radiology. 2015 Sep; 276(3): 637–653. 


手部痛风

Gandikota Girish,  David M. Melville,  Gurjit S. Kaeley, etal. Imaging Appearances in Gout. Arthritis. 2013; 2013: 673401. 


膝关节痛风

WongW D, Shah S, Murray N, et al. Advanced Musculoskeletal Applications ofDual-Energy Computed Tomography. Radiologic Clinics of North America, 2018,56(4):587.


腰椎和骶髂关节的痛风

ChewN, Cho J, Dual-energyCTfor theDiagnosis of Sacroiliac and SpinalGout, JointBone Spine (2018), https:///10.1016/j.jbspin.2018.10.005

Soon BKH, Sia DSY,Zhang J.  Spinal Gout-Dual-Energy CT for NoninvasiveDiagnosis. JClinRheumatol. 2018Sep 27. 



准确性


双能量痛风分析具有很高的准确性。


DECT对痛风的诊断具有较高的敏感性和特异性。

Z Yu, T Mao , Y Xu ,et al. Diagnostic accuracy of dual-energy CT ingout: a systematic review and meta-analysis. Skeletal Radiol(2018). https:///10.1007/s00256-018-2948-y


由于双能量痛风分析非常准确,有学者使用双能量作为金标准,评估超声检查的准确性。研究发现,超声诊断手腕痛风性关节炎的敏感性有限,尤其是关节外痛风沉积的患者。双轮廓征是痛风性手腕关节炎评估最敏感的表现。虽然超声诊断痛风性手和腕关节炎的敏感性有限,但由于双轮廓征的存在,它可以用作一线成像方式。


Strobl S,Halpern E J, Ellah M A, et al. Acute Gouty KneeArthritis: Ultrasound Findings Compared With Dual-Energy CT Findings.Ajr Am JRoentgenol,2018:1-7.


Klauser A S,Halpern E J, Strobl S, et al. Gout of hand and wrist:the value of US as compared with DECT. EuropeanRadiology, 2018:1-8.


此外,由于诊断的准确性高,因此可以作为痛风的疗效评估方法。


65岁男性,痛风病史10年,秋水仙碱和别嘌呤醇治疗12个月复查。左侧为治疗前,右侧为治疗后,可以发现,经过12个月的治疗,痛风结晶的体积明显缩小。

Garner HW, Wessell DE.Current statusof ultrasound and dual-energy computed tomography in the evaluation of gout. Rheumatol Int.2018 May 2. 


疗效评估,经过几个月的治疗,患者足,手,肘关节的痛风结晶体积由65.64ml下降为21.04ml。

S. Bayat, H.S.B. Baraf, J. Rech. Update on imaging in gout: contrasting and comparing the role of dual-energy computed tomography to traditional diagnostic and monitoring techniques. Clin Exp Rheumatol 2018; 36 (Suppl. 114): S53-S60.


常见伪影


痛风典型伪影表现如下:

皮肤伪影

  • 局限于皮肤的皮肤的绿色伪彩

甲床伪影

  • 仅限于钉子或钉床的钉子或钉床的绿色伪彩

亚毫米伪影

  • 单个像素或小于1 mm区域的伪彩颗粒

射束硬化伪影

  • 与金属物体或致密皮质骨有关的绿色伪彩

运动伪影

  • 与患者运动相关的绿色伪彩

血管钙化伪影

  • 与钙化血管相关的绿色伪彩

韧带伪影

  • 沿肌腱韧带扩散呈绿色伪彩,无症状,超声检查未见异常回声


以下我们看一下图像中的表现。


皮肤伪影


56岁女性,有数年双脚疼痛及痛风病史,疑似痛风,在双能扫描发现伪影。

Coupal TM, Mallinson PI, Gershony SL,McLaughlin PD, Munk PL, Nicolaou S,Ouellette HA. Getting the Most From Your Dual-Energy Scanner: Recognizing,Reducing, and Eliminating Artifacts. AJR Am J Roentgenol.2016 Jan;206(1):119-28. 


甲床伪影


Coupal TM, Mallinson PI, Gershony SL,McLaughlin PD, Munk PL, Nicolaou S,Ouellette HA. Getting the Most From Your Dual-Energy Scanner: Recognizing,Reducing, and Eliminating Artifacts. AJR Am J Roentgenol.2016 Jan;206(1):119-28. 



甲床伪影可以通过剪切,将其排除在最终容积计算结果之外。

S. Bayat, H.S.B. Baraf, J. Rech. Update on imaging in gout: contrasting and comparing the role of dual-energy computed tomography to traditional diagnostic and monitoring techniques. Clin Exp Rheumatol 2018; 36 (Suppl. 114): S53-S60.


亚毫米伪影

一般是扫描条件不合适,导致图像出现噪声,在分析时某些噪声会表现出绿色,出现假阳性。


亚毫米伪影

Jeon JY, Lee SW, Jeong YM, Baek HJ. The effect of tube voltage combination on image artefact and radiation dose in dual-source dual-energy CT: comparison between conventional 80/140 kV and 80/150 kV plus tin filter for gout protocol. Eur Radiol. 2018 Jul 9. 



扫描躯干时,需要使用躯干对应的双能量扫描方案,并且使用痛风的重建参数进行重建分析,可以减少这种假阳性。

Carr A, Doyle AJ, Dalbeth N, Aati O, McQueen FM. Dual-Energy CT of Urate Deposits in Costal Cartilage and IntervertebralDisks of Patients With Tophaceous Gout and Age-Matched Controls. AJR Am J Roentgenol. 2016 May;206(5):1063-7. 



注意观察盆腔周围软组织内的绿色点状伪彩,从上到下分别为三个不同痛风患者,中间患者伪影最显著。

Zhu J , Li A , Jia E , et al. Monosodium urate crystal deposition associated with the progress of radiographic grade at the sacroiliac joint in axial SpA: a dual-energy CT study. Arthritis Research & Therapy, 2017, 19(1):83.


大部分文献在使用双能量痛风分析评估躯干的痛风沉积时,不注意扫描方案的选择,导致出现假阳性。

由于射线量不足,主要会导致亚毫米伪影和硬化线束伪影。因此如果特别需要对躯干的痛风结晶沉积进行评估,需要使用相应部位的扫描方案,如肩关节用胸部双能量的扫描方案,骶髂关节用腹部或脊柱的双能量扫描方案,等等。

采集完成后,参考足或手痛风的后处理参数进行重建,特别注意卷积核的选择,应该使用痛风特殊的卷积核(参考默认方案中重建参数卡)。这样可以尽可能减少由于伪影引起的假阳性的发生。


硬化线束伪影


金属引起的硬化线束伪影

Coupal TM, Mallinson PI, Gershony SL,McLaughlin PD, Munk PL, Nicolaou S,Ouellette HA. Getting the Most From Your Dual-Energy Scanner: Recognizing,Reducing, and Eliminating Artifacts. AJR Am J Roentgenol.2016 Jan;206(1):119-28. 



骨皮质的硬化线束伪影

Jeon JY, Lee SW, Jeong YM, Baek HJ. The effect of tube voltage combination on image artefact and radiation dose in dual-source dual-energy CT: comparison between conventional 80/140 kV and 80/150 kV plus tin filter for gout protocol. Eur Radiol. 2018 Jul 9. 


运动伪影


56岁女性,有数年双脚疼痛及痛风病史,疑似痛风,在双能扫描发现伪影。Coupal TM, Mallinson PI, Gershony SL, McLaughlin  PD, Munk PL, Nicolaou S, Ouellette HA. Getting the Most From Your Dual-Energy Scanner: Recognizing, Reducing, and Eliminating Artifacts. AJR Am J Roentgenol.2016 Jan; 206(1): 119-28.


48岁男性患者,箭头所指为运动,导致在伪彩图上出现假阳性。

Jeon JY, Lee SW, Jeong YM, Baek HJ. The effect of tube voltage combination on image artefact and radiation dose in dual-source dual-energy CT: comparison between conventional 80/140 kV and 80/150 kV plus tin filter for gout protocol. Eur Radiol. 2018 Jul 9. 


血管钙化伪影


血管钙化伪影

Coupal TM, Mallinson PI, Gershony SL,McLaughlin PD, Munk PL, Nicolaou S,Ouellette HA. Getting the Most From Your Dual-Energy Scanner: Recognizing,Reducing, and Eliminating Artifacts. AJR Am J Roentgenol.2016 Jan;206(1):119-28. 


76岁男性患者,血管内可见钙化,部分血管钙化在伪彩图上显示为绿色伪彩。

Jeon JY, Lee SW, Jeong YM, Baek HJ. The effect of tube voltage combination on image artefact and radiation dose in dual-source dual-energy CT: comparison between conventional 80/140 kV and 80/150 kV plus tin filter for gout protocol. Eur Radiol. 2018 Jul 9. 


韧带伪影


31岁男性患者,沿肌腱走形的团块状绿色伪彩,平扫图像和超声检查没有发现痛风结晶沉积的证据。

Jeon JY, Lee SW, Jeong YM, Baek HJ. The effect of tube voltage combination on image artefact and radiation dose in dual-source dual-energy CT: comparison between conventional 80/140 kV and 80/150 kV plus tin filter for gout protocol. Eur Radiol. 2018 Jul 9. 


80/140kV 与80/Sn150kV比较,使用能谱纯化技术的双能量扫描可以减少甲床,韧带的伪影。


左图为80/140kV ,右图为80/Sn150kV双能量扫描的图像,使用能谱纯化技术的双能量扫描可以减少甲床,韧带的伪影。

Jeon JY, Lee SW, Jeong YM, Baek HJ.The effectof tube voltage combination on image artefact and radiation dose in dual-sourcedual-energy CT: comparison between conventional 80/140 kV and 80/150 kV plustin filter for gout protocol. Eur Radiol.2018 Jul 9. 


此外,结合常规平扫图像,可以对一些假阴性进行判断。一般排除上述伪影之后仍然仍有绿色结晶的沉积,说明为阳性,如果没有绿色结晶沉积,需要观察常规图像,避免假阴性。


早期痛风的真阳性(TP)和假阴性(FN)患者临床特征的差异。

左上:40岁男性,出现跖骨痛14天(尿酸盐:7.0mg/dl,关节穿刺:未进行[N/P])。此病人已采取间歇性药物治疗以控制急性疼痛,此病例为双能CT(DECT)真阳性(TP)(箭头)。

右上:59岁男性,出现跖骨痛14天(尿酸盐:8.3mg/dl,MSU[+])。此病人为首次发作的痛风,此病例为DECT(箭头)假阴性(FN)。

左下: 40岁男性,首次出现跖骨痛(尿酸盐:4.6mg/dl,MSU[+])。症状开始于7天前,此病例为DECT(箭头)的真阳性(TP)。

右下: 39岁男性,首次出现跖骨痛(尿酸盐:7.9mg/dl,关节穿刺:未进行[N/P])。症状开始于30天前,此病例为DECT(箭头)的假阴性(FN)。

Lee SK, Jung JY, Jee WH, et al. Combining non-contrast and dual-energy CT improves diagnosisof early gout. Eur Radiol.2018 Sep 17. 


假阴性的形成可能跟痛风结晶的形态有关系,在没有形成痛风结晶之前的牛奶状形态会导致假阴性,而如何更早期的检查出痛风是未来研究的方向。


封面:痛风定量分析 SOMATOM Force扫描

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