作者：梁百晖，陈维翠，广东省中医院（广州中医药大学第二附属医院） 放射科
1.光谱CT 的成像原理
双能量CT 的问世颠覆了传统CT 仅能评估组织或器官解剖形态学变化的成像模式，开启了CT 多参数功能成像的新时代。虽然双能量CT 的设想最早由Hounsfield 等于20世纪70 年代提出，但第一台双能量CT 在2006 年才正式投入临床使用。此后，双能量CT 技术逐渐成熟，并进入了快速发展阶段。目前，获取双能数据的两种主要方法分别是“源驱动”和“探测器驱动”。
“源驱动”是指在探测器未提供光谱信息的情况下，对输入的X 射线光谱进行修改，以获得不同的X 射线能谱。“探测器驱动”是利用探测器提供有关X 射线光谱的必要信息，同时在数据采集期间保持X 射线源稳定，光谱CT 即基于此方法获取双能数据。光谱CT 配备了上下两层探测器，上层材质为稀有金属钇为基质的闪烁晶体，下层采用了稀土陶瓷探测器。上层只吸收低能光子，并允许高能光子穿过，低能光子从侧置的数据通道传出；下层吸收高能光子，同样从侧置通道传出，以避免上下层串扰。
双层探测器采集的高低能数据在投影数据域内时间和空间上完全匹配的前提下进行解析，解析后的数据以全息光谱图像基数据包的形式呈现。由光谱CT 衍生的多参数信息有助于提高病变的检出敏感性、定性准确性和物质成分判定及降低金属伪影等。常用的定量参数包括虚拟单能量图像(virtual monoenergetic image，VMI 或MonoE)、有效原子序数图(effective atomic number，Z-eff)、
VMI 可提高图像的信噪比(signal-to-noise ratio， SNR) 和对比噪声比( contrast-to-noise ratio，CNR)。低keV 单能图像可用于增强组织间的对比度，有助于显示与正常组织密度相近的病变，而高keV 图像则可有效地减少金属伪影。Z-eff 为图像的每个像素添加了物质成分的信息，并通过色彩量化显示，可用于物质检测和鉴别。
碘密度图通过量化增强扫描后感兴趣区域(region of interest，ROI)内的碘浓度(iodine concentration，IC)来评估病变的血供情况。虚拟平扫图通过去除图像中的碘成分，生成类似于常规CT 平扫的图像，有助于降低辐射剂量。能谱曲线即组织器官的CT 值衰减曲线，其形状和斜率可用于判断病变的性质和肿瘤的同源性。电子云密度图则展示了各体素对应的相对电子云密度分布情况。
2.光谱CT 在筛查CRC 中的应用
CT
Taguchi 等对基于光谱CT 行粪便标记CTC 的35 例患者进行了研究，发现VMI 的平均标记密度、具有适当标记密度的结肠节段数、主观图像质量和电子清洗性能得分均显著高于120 kVp 常规图像。Grosu 等则回顾性搜集了30 例进行粪便标记CTC 的患者资料，对比传统电子清洗算法与两种基于光谱CT 的电子清洗算法(完全透明和半透明光谱清洗算法)在CTC 中的诊断效果，发现两种光谱清洗算法的图像伪影明显减少，伪影严重程度降低，其中以半透明光谱清洗算法的总体可读性最佳。
以上研究表明，基于光谱CT 的标记粪便电子清洗能够提供优异的图像质量，满足诊断需求，并有望减少泻药的使用。准确区分
光谱CT 碘密度图能敏感地检测各个区域碘浓度的细微差别，IC/NIC 值和AEF 值能准确地反映肿瘤的血管密度及新生血管情况。因此，光谱CT 多参数定量分析为鉴别正常肠壁与结肠癌提供了重要依据。
3.光谱CT 在增强血管及病灶可视化中的应用
随着
陈海静等对比评估了100 例直肠癌患者腹部CT 血管成像的混合能量图及40 ~ 70 keV VMI，证实了40 keV 的VMI 在左半结肠动脉的评估中提供了主观及客观图像质量的最佳组合。此外，腹部CT 在CRC 筛查中发挥着重要作用，部分肿瘤在传统CT 增强扫描时与周围正常组织的对比度较低，存在漏诊风险。
Arico’等的研究对比分析了66例CRC 患者和42 名正常人的腹部VMI 及常规CT 图像，结果显示40 keV VMI 具有最高的SNR 和CNR，将常规CT 图像与40 keV VMI 联合评估CRC，能显著提高诊断准确性及病灶检出率。由于低keV 扫描接近碘的K 边界(33.2keV)，此时血管或病灶内碘的光电衰减增加，CT 值增大，故低keV VMI 不仅能显著增强血管的可视化程度，还有助于病灶的检出。
4.光谱CT 在CRC 精准诊断中的应用
4.1 TN 分期
美国国家综合癌症网络指南指出，对于T1-2 期直肠癌可直接手术切除，而对于中低位局部进展期直肠癌(T3-4期伴或不伴区域淋巴结转移)，建议采用同步放化疗再切除肿瘤的治疗方案。此外，亚洲地区有关结肠癌的诊疗指南建议，对于特定的T2 期和所有T3-4 期结肠癌患者行中央淋巴结切除术。因此，术前准确识别T 分期有助于优化临床决策。
谭晶文等重组直肠癌患者静脉期VMI(40 keV、50keV、60 keV 及70 keV)和常规120 kVp 混合能量图像，发现40 keV VMI 的SNR 及CNR 均高于其他图像，其术前诊断T分期的总准确率为67.4%，诊断局部进展期直肠癌的准确率为83.7%。Jia 等也进行了类似的研究，他们利用光谱CT 和MR 评估T1-2 期直肠癌T 分期，发现40 keV VMI 有最高的SNR 及CNR，并在整体图像质量、肿瘤可见性和肿瘤边缘勾画方面的主观评分最高，总体诊断准确率为65.67%，与MR 相当。
光谱CT 低keV VMI 不仅能对直肠癌T 分期进行定性评估，其衍生的多种定量参数亦有助于准确区分T 分期。陈维翠等分析并比较了78 例直肠腺癌的DLSCT 多参数图(Z-eff、VMI 及碘密度图)和常规120 kVp 混合能量图像，结果显示光谱CT 多参数图术前诊断直肠腺癌pT 分期的总准确率和pT1-2 期及pT3 期的准确率均高于120 kVp混合能量图像；平扫期Z-eff、动脉期NIC 及静脉期NIC 值在不同pT 分期中存在显著差异，并与pT 分期呈正相关(r 值分别为0.371、0.367、0.363)，诊断pT3-4 期直肠腺癌的AUC值分别为0.77、0.71、0.74。
一项纳入了165 例CRC 患者的前瞻性研究也得到了类似的结果，pT3 期CRC 的各项光谱CT 动脉期及静脉期参数(400 keV 和100 keV VMI 的CT、IC 和Z-eff 值)均高于pT1-2 期肿瘤。尽管高分辨MRI 是评估直肠癌T 分期的主要方法，但其无法准确区分肠壁周围的促结缔组织增生反应(pT2)和包含肿瘤细胞的癌性侵犯(pT3)。瞿俊晨等利用光谱CT 和MRI 术前评估CRC 患者T 分期，发现两者联合诊断的准确率最高，达到95.95%。
综上所述，光谱CT 低keV VMI 能提高肿瘤与周围组织间的对比度，并准确评估肿瘤侵犯肠壁的层次，其多参数功能成像信息能反映肿瘤的血流灌注情况及异质性，从而有助于对T 分期进行定量评估。此外，高分辨MRI 和光谱CT 联合使用有助于进一步提高诊断的准确率。淋巴结(lymph node，N)分期不仅是影响CRC 预后的独立危险因素，也是决定治疗策略的关键。淋巴结短径是判断淋巴结良恶性的主要形态学指标，但转移淋巴结和非转移淋巴结在大小上存在重叠。所以，术前无创和准确地识别转移淋巴结依然颇具挑战。
万幸等对CRC 患者的113 枚淋巴结进行研究，发现转移淋巴结动脉期和静脉期IC 值、Z-eff 值及能谱曲线斜率(λHU)均低于非转移淋巴结，其中动脉期IC 值和λHU 被确定为转移性淋巴结的独立预测因子，其预测淋巴结转移的AUC 分别为0.795 和0.809。陈琰等对101 例CRC 患者区域最大淋巴结进行分析，发现转移淋巴结组静脉期IC 值、NIC 值、Z-eff 值及标准化Z-eff 值均低于非转移淋巴结组，由淋巴结短径和Z-eff 构建的回归模型鉴别淋巴结转移的AUC 为0.935。
Liu 等对pT1-2 期直肠癌患者的淋巴结进行了研究，也获得了相似的结果。然而，梁百晖等的研究发现，直肠癌转移淋巴结动脉期及静脉期的NIC 值均高于非转移淋巴结， 与上述研究结果不一致。这种差异可能与各项研究没有采用统一的ROI勾画方式有关，如是否避开淋巴结的囊变坏死区。转移淋巴结体积越大，越易出现坏死，而坏死区可能导致局部摄碘量下降甚至不摄碘。因此，未来研究应规范并统一淋巴结ROI的勾画方法，以确保研究结论的可靠性和一致性。
4.2 组织学分级
结直肠腺癌按照腺管比例可分为高分化( >95%腺管形成)、中分化(50% ~95%腺管形成)和低分化(5% ~ 50% 腺管形成)。其中，高分化及中分化被归类为低级别腺癌，而低分化则被归类为高级别腺癌。高级别结直肠腺癌术后复发风险较高，预后较差。
4.3 血管、淋巴管及神经侵犯
血管、淋巴管及神经侵犯是CRC 预后不良的独立危险因素。细胞外基质是肿瘤微环境的重要组成部分，而细胞外容积(ECV)则是细胞外基质的量化指标，可以间接地反映肿瘤微环境。通过光谱CT 图像IC 值可以计算得到ECV值。郑文霞等的研究发现，光谱CT 量化的ECV 值(延迟期)在血管、淋巴管及神经侵犯的阳性组和阴性组之间存在差异，阳性组的ECV 值大于阴性组。
另外，郑文霞还基于光谱CT ECV 参数图的影像组学特征构建了影像组学模型，结果显示，影像组学模型在淋巴管侵犯组、血管侵犯组及神经侵犯组测试集的AUC 值均> 0.8(分别为0.806、0.852和0.819)。已有研究表明，血管和淋巴管内癌栓的形成与免疫异质性肿瘤微环境密切相关，因此ECV 可间接地反映肿瘤细胞微环境改变带来的CRC 组织神经、血管及淋巴管浸润状态。基于光谱CT 量化的ECV 值及ECV 参数图的影像组学特征有望在术前无创地评估CRC 的血管、淋巴管及神经侵犯情况方面发挥作用。
4.4 分子生物标志物
基于遗传和表观遗传学特征的分子生物标志物在CRC的发生发展中起着重要作用。Ki-67 存在于除G0 期外的细胞有丝分裂周期中，用于评估细胞增殖活性及反映肿瘤的恶性程度。Ki-67 的高表达与CRC 患者预后不良密切相关。目前，有关光谱CT 评价CRC Ki-67 表达水平的研究较少。Chen 等利用光谱CT 多参数评估结肠腺癌中Ki-67 的表达水平，结果显示，静脉期40 keV VMI 的CT 值、Z-eff、IC 和λHU 在Ki-67 高表达组和Ki-67 低表达组之间存在差异，并与Ki-67 表达水平呈正相关。
Wang 等的研究也得到了类似的结果。这种相关性可能是由于Ki-67 高表达的肿瘤组织有更多肿瘤细胞增殖及异常血管生成，因此组织中碘含量较高，从而导致40 keV VMI 的CT 值及IC 值增加。不同物质的化学分子结构不同，不同的化学分子有其独特的能量衰减曲线，这可能是Ki-67 高表达组和Ki-67 低表达组之间λHU 存在差异的原因。
5. 光谱CT 在直肠癌疗效评估中的应用
新辅助化放疗(neoadjuvant chemoradiotherapy，nCRT)后全直肠系膜切除术是局部进展期直肠癌患者的标准治疗方案。nCRT 有助于实现R0 切除，提高保肛率及降低复发率。然而，nCRT 的治疗效果存在个体差异，约1/3 的患者对治疗无反应甚至进展。迄今，有关光谱CT 在直肠癌nCRT 疗效评价的文献报道尚少。
袁文静等利用光谱CT 对52 例接受nCRT 治疗的局部进展期直肠癌患者进行评估，发现多个光谱CT 参数在反应良好组与反应不良组间存在差异，如nCRT 治疗前动脉期NIC、nCRT 治疗后静脉期NIC、动脉期NIC 以及静脉期NIC 的变化率等。NIC 值反映了肿瘤的血供情况，肿瘤血供丰富，局部含氧量增高，对化疗药物敏感，治疗反应好；NIC 的变化率体现了nCRT 治疗前后肿瘤局部血供的变化情况，变化率的绝对值越大，说明血供减少得越明显，肿瘤难以继续生长，可能会出现坏死和纤维化。因此，光谱CT 有助于评估局部进展期直肠癌患者对nCRT 的治疗反应。
6. 总结与展望
光谱CT 在CRC 的筛查和诊疗方面取得了令人鼓舞的研究成果，有望进一步指导临床决策。尽管如此，目前的研究仍存在一些局限性：(1)大部分研究基于单层CT 图像勾画ROI，这导致ROI 无法与病理标本完全匹配。由于肿瘤存在空间异质性，这种勾画方法可能无法精准地反映肿瘤的真实特征。(2)现有研究多为回顾性研究，存在样本选择偏倚且样本量较小，影响结果的准确性。(3)由于各个中心的光谱CT 扫描参数不完全一致，单中心研究设计的可重复性较差。
未来研究需要着力于改进肿瘤ROI 的勾画方法，并通过大样本、多中心及前瞻性研究来解决上述的问题。此外，光谱CT 需要至少120 kVp 的管电压以实现充分的光谱分离，这导致其辐射剂量略高于传统CT。因此，在获得丰富图像信息的同时，如何保障患者的扫描安全仍应引起重视。人工智能算法能快速处理大样本影像数据，通过提取肿瘤的高维定量特征并构建模型，有助于深入理解疾病的病理生理过程。光谱CT 从探测器角度进行技术革新，带来新的能谱成像模式，为病变的检出和分析提供了丰富的信息。将人工智能技术与光谱CT 图像分析相结合，是未来重要的研究方向，有望在CRC 的个体化精准治疗中发挥关键的作用。
来源：梁百晖，陈维翠.双层探测器光谱CT在结直肠癌筛查和诊疗中的研究进展[J].临床放射学杂志，2025，44(04)：778-782.DOI：10.13437/j.cnki.jcr.2025.04.014.
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