體內泌尿系結石的雙源CT雙能量成像

張挽時，楊琪放，孟利民，和清，嚴景民，劉紅明

空軍總醫院 a. CT&MR室；b. 泌尿外科，北京 100142

體內泌尿系結石的雙源CT雙能量成像

張挽時a，楊琪放a，孟利民a，郭和清b，嚴景民b，劉紅明b

空軍總醫院 a. CT&MR室；b. 泌尿外科，北京 100142

目的初步探討雙源CT雙能量成像區分體內泌尿系結石成分的可行性。方法對64例泌尿系結石患者行雙源CT雙能量檢查，男41例，女23例，年齡20～82歲，平均年齡（53±16）歲。測量計算80 kV和140 kV圖像結石的HU差值、HU比值和雙能量指數（DEI）。使用雙能量軟件分析結石成分。收集結石患者治療后的結石標本進行紅外光譜分析，以此結果為標準，運用方差分析比較不同結石之間上述指標的差異，并進行兩兩比較。軟件分析結果與紅外光譜分析結果進行比較。結果共收集到55例患者治療后的體外結石標本。尿酸結石、胱氨酸結石、磷酸鎂銨結石、磷酸鈣結石、草酸鈣結石和混合含鈣結石的HU差值分別為18±12、214±21、329±35、360±49、458±97和497±110，HU比值分別為1.04±0.02、1.36±0.02、1.49±0.04、1.50±0.08、1.52±0.05和1.53±0.04，DEI分別為0.006±0.004、0.062±0.002、0.089±0.006、0.095±0.013、0.107±0.011和0.112±0.012，上述指標有統計學差異（F值分別為20.185、121.574、69.480，P＜0.001）。組間兩兩比較，尿酸結石與其他結石的HU差值、HU比值和DEI有統計學差異（P＜0.05）；胱氨酸結石與其他結石的HU比值和DEI有統計學差異（P＜0.05）；磷酸鎂銨結石與草酸鈣結石、混合含鈣結石的HU差值和DEI有統計學差異(P＜0.05)；胱氨酸結石與草酸鈣結石、混合含鈣結石的HU差值有統計學差異（P＜0.05）；磷酸鈣結石與混合含鈣結石的DEI有統計學差異（P＜0.05）；其余組間兩兩比較無統計學差異（P＞0.05）。與紅外光譜分析結果比較，雙能量軟件正確診斷4例尿酸結石、1例混合尿酸結石、2例胱氨酸結石和11例草酸鈣結石；另外，2例磷酸鈣結石、29例混合含鈣結石、1例尿酸銨和草酸鈣混合結石、1例混合尿酸結石和4例磷酸鎂銨結石均識別為草酸鹽成分。結論DSCT雙能量成像分析體內結石成分具有可行性，使用雙能量軟件可以較好地區分體內的尿酸結石、混合尿酸結石、胱氨酸結石和含鈣結石，但區分磷酸鎂銨結石以及不同成分的含鈣結石尚存在困難。

雙源CT；雙能量成像；體層攝影術；X線計算機；泌尿系結石；紅外光譜學

泌尿系結石是世界范圍的常見病和多發病，治療后易復發。結石的臨床治療方案不但取決于其位置、大小和數量，成分也是一個重要因素。體外沖擊波碎石（ESWL）通常是 ＜2 cm 結石的首選治療方案[1]。尿酸結石可以采用口服堿化尿液的藥物治療，能避免 ESWL 產生的腎出血、纖維化和繼發性高血壓等并發癥[2-3]。而胱氨酸、一水草酸鈣結石采用 ESWL 多不易碎，適合內鏡碎石。磷酸鎂銨、磷酸鈣、二水草酸鈣結石運用 ESWL 和內鏡碎石均易碎。因此，治療前確定結石成分，有利于醫生選擇最佳治療方案，減少患者的痛苦，節省醫療費用。目前，臨床上只能通過化學或物理方法分析體外結石標本獲知其成分，無法為患者的治療提供幫助。

本 文 作 者 前 期 研 究 顯 示， 雙 源 CT（Dual Source CT, DSCT）雙能量成像不僅能準確地鑒別尿酸結石與非尿酸結石，并且混合尿酸結石、胱氨酸結石、含鈣結石之間可以相互區分[4]。本研究初步探討了 DSCT 雙能量成像分析體內結石成分的可行性。

1 資料與方法

1.1 基本資料

2010 年 5 月 ～2011 年 2 月臨床確診泌尿系結石的患者64 例，男 41 例，女 23 例，年齡 20～82 歲，平均年齡（53±16）歲。排除標準為兒童、孕婦、哺乳期婦女和屏氣時間小于10 s的患者。所有患者檢查前均簽署了知情同意書。

1.2 掃描方法

使 用 的 設 備 為 西 門 子 雙 源 CT 機 (Somatom Definition，Siemens Health, Germany)。患者取仰臥位，足先進，先行常規腹部屏氣定位相和側位定位相，然后行雙能量模式檢查。掃描參數 ：A 球管電壓 140 kV、電流 68 mAs，B 球管電壓80 kV、電流 374 mAs，螺距 0.7，開啟實時動態曝光劑量調節CARE Dose 4D，球管旋轉時間 0.5 s，準直 14 層 ×1.2 mm，螺距 0.7，掃描層厚 5 mm，重建層厚 1.5 mm，間距 0.5 mm，卷積函數值 D30f，融合因子選擇 0.3 重建融合圖像。掃描范圍：確診結石位置者直接對相應部位掃描，不確定位置的掃描范圍為腎上極至恥骨聯合下緣。

1.3 CT圖像分析

圖像傳送至西門子工作站 (Siemens syngo MMWP VE31A workstation)。使用 Viewing 軟件，同時導入 80 kV 和 140 kV重建圖像，窗寬 300，窗位 45。選擇每名患者最大的一枚結石，取 140 kV 圖像結石最大面積的橫斷面圖像，距離結石 邊 緣 內約 1 mm 手 工 勾 畫 ROI測量 CT 值。ROI自 動 關聯到 80 kV 圖像的相同位置。測得的 CT 值分別用 HU140kV、HU80kV表 示。融合圖像 測量結 石的長 徑。計 算 HU 差值、HU 比值和 DE 計算 HU 差值、HU 比值和雙能量指數（Dual Energy Index，DEI）。公式如下 ：

測量 CT 值時排除長徑＜ 2 mm 的結石，原因是據此計算出的 HU 比值受部分容積效應的影響較嚴重[7]。

記錄 CT 機自動生成的每名患者檢查中的 CTDIvol和劑量長度乘積（dose length product，DLP）數值。計算有效輻射劑量（effective dose, ED），公式為 ：ED=DLP×C，C為轉換因子，采用歐洲CT質量標準指南定義的腹部轉化因子為 0.015。

將 80 kV 和 140 kV 重建圖像導入雙能量結石分析軟件（Kidney Stones）并進行圖像分析處理，得到結石的彩色編碼圖像。由2名有經驗的CT診斷醫生進行雙盲圖像分析。分析步驟 ： 使用軟件的默認參數，結石被標記紅色記為尿酸成分，藍色記為其他成分。 調節坐標中藍色實線的斜率（Ratio值），使實線位于胱氨酸與草酸鹽之間，如果被藍色標記的成分變為紅色，記為胱氨酸成分，不變記為草酸鹽成分。

1.4 紅外光譜分析

對結石患者治療情況進行隨訪，收集患者CT檢查后排出或取出體外的結石標本行紅外光譜分析。分析使用結石紅外光譜自動分析系統（LIIR-20 型 , 天津藍莫德公司）。掃描結束后，將結石用生理鹽水洗凈，自然晾干。取結石樣本約 1 mg，與 200～300 mg 烘干的溴化鉀粉末混合，在瑪瑙研缽內研磨成μm級的細粉，經壓片機壓制成半透明片，迅速放入紅外光譜槽中掃描。通過軟件控制，采集樣本數據，然后通過傅立葉變換公式計算出透過率，畫出紅外光譜圖。計算機自動檢索結石數據庫，并與計算后的數據進行比較，產生分析報告。對于混合成分結石，依據各種成分吸收峰的強度確定主要成分和次要成分。

1.5 統計學分析

統計學分析使用 SPSS12.0 統計軟件。以紅外光譜檢測結果為標準對結石分組，使用單因素方差分析比較各組結石長徑、HU 差值、HU 比值和 DEI的差異，組間兩兩比較采用 LSD 檢驗。以P＜ 0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 CT分析結果

64 例結石中，單獨位于左腎 13 例，單獨位于右腎 10 例，雙腎 11例，左側輸尿管 9例，右側輸尿管 8例，膀胱1例，腎和輸尿管并發 11 例，腎、輸尿管和膀胱并發 1 例。28 例（43.8%）患者為單發結石，36 例（56.2%）為多發結石。64例患者最大結石的長徑為 1.9～41.9 mm（中位數 9.9 mm），1例長徑為 1.9 mm 的結石未納入研究。

雙能量結石分析軟件自動標記出58例患者的所有結石。6 例患者共計 8 枚結石未自動標記，其中，7 枚長徑 1.5～2.9 mm（腎結石 3枚，輸尿管結石 3枚，膀胱結石 1枚），1枚長徑 4.5 mm（輸尿管末段）。減小軟件參數中的 Range 值至 4～5，上述結石均能標記。64 例患者的軟件分析結果為：4例尿酸結石、1例混合尿酸結石、2例胱氨酸結石、57例含鈣結石（圖 1）。對于多枚結石的患者，沒有發現各枚結石分析結果不一致的情況。

圖1 體內結石的雙能量軟件分析圖

注：(a) 左側輸尿管膀胱入口處尿酸結石，紅外光譜法結果為無水尿酸；(b) 右腎混合尿酸結石，紅外光譜法結果為無水尿酸＞一水草酸鈣結石；(c)和(d) 右腎盂胱氨酸結石，紅外光譜法結果為L-胱氨酸；(e)和(f) 左輸尿管含鈣結石，紅外光譜法顯示成分為一水草酸鈣＞碳酸磷灰石。

64 例 患 者 的 CTDIvol=(11.6±2.8)mGy，DLP 為111～610 mGy/cm(中位數 211 mGy/cm)，ED 為 1.7～9.2 mSv（中位數 3.2 mSv）。

2.2 紅外光譜分析結果

經隨訪，收集到 55例患者的結石標本，其中 9例行ESWL 碎石，46 例行內鏡碎石。紅外光譜分析顯示，20 例為純成分結石，35例為混合成分結石。雙能量軟件與紅外光譜分析結石成分結果的比較，見表1。雙能量軟件正確診斷4例尿酸結石、1例混合尿酸結石、2例胱氨酸結石和11 例草酸鈣結石，2 例磷酸鈣結石、29 例混合含鈣結石、1例尿酸銨和草酸鈣混合結石、1例混合尿酸結石和4例磷酸鎂銨結石診斷結果為草酸鹽成分。

將4例尿酸結石、2例胱氨酸結石、4例磷酸鎂銨結石、2 例磷酸鈣結石、11 例草酸鈣結石和 29 例混合含鈣結石納入統計學分析，2例混合尿酸結石（1例尿酸 ＞ 一水草酸鈣、1例一水草酸鈣＞尿酸）和1例尿酸銨和草酸鈣混合結石由于例數少排除統計學分析。各組結石的長徑無統計學差異，HU 差值、HU 比值和 DEI有統計學差異（表 2）。注：組間兩兩比較，尿酸結石與其他結石的HU差值、HU比值和DEI有統計學差異（P＜0．05）；胱氨酸結石與其他結石的HU比值和DEI有統計學差異（P＜0．05）；磷酸鎂銨結石與草酸鈣結石、混合含鈣結石的HU差值和DEI有統計學差異（P＜0．05）；胱氨酸結石與草酸鈣結石、混合含鈣結石的HU差值有統計學差異（P＜0．05）；磷酸鈣結石與混合含鈣結石的DEI有統計學差異（P＜0．05）；其余結石組間兩兩比較均無統計學差異（P＞0．05）。

表1 雙能量軟件與紅外光譜儀分析結石成分的結果比較

表2 體內結石相關參數的比較（）

表2 體內結石相關參數的比較（）

組別 例數(枚) 長徑(mm)HU差值 HU比值 DEI尿酸 4 9．9±3．0 18±12 1．04±0．020．006±0．004胱氨酸 2 9．5±3．5 214±21 1．36±0．020．062±0．002磷酸鎂銨 4 15．4±7．4329±35 1．49±0．040．089±0．006磷酸鈣 2 31．3±6．3360±49 1．50±0．080．095±0．013草酸鈣 11 14．4±9．1458±97 1．52±0．050．107±0．011混合含鈣 29 15．7±8．3497±1101．53±0．040．112±0．012 F值 2．164 20．185 121．574 69．480 P值 0．075 0．000 0．000 0．000

3 討論

體內結石在 80 kV 和 140 kV 的衰減變化順序由小至大為：尿酸結石、胱氨酸結石、磷酸鎂銨結石、磷酸鈣結石、草酸鈣結石和混合含鈣結石。統計學分析顯示，使用HU差值、HU 比值和 DEI可以區分尿酸結石與其他結石，且不存在重疊。HU 比值和 DEI可以區分胱氨酸結石與其他結石。雖然胱氨酸結石與磷酸鎂銨結石、磷酸鈣結石的HU差值無重疊，但是沒有統計學差異，考慮與本研究中這幾類結石例數較少有關。與本作者前期體外結石研究結論相比較有相似點，如HU差值不能區分磷酸鈣、草酸鈣和混合含鈣這 3種含鈣結石，DEI可以區分磷酸鈣結石和混合含鈣結石；同時也有不同之處，如HU比值不能區分磷酸鈣結石與混合含鈣結石，所有參數均無法區分磷酸鎂銨結石與磷酸鈣結石。本研究還發現，DEI區分的結石種類最多，只有磷酸鈣結石與磷酸鎂銨結石、草酸鈣結石，草酸鈣結石與混合含鈣結石之間不能區分。HU差值和HU比值可以區分的結石種類，DEI均能區分。因此，筆者認為，DEI對比 HU 差值和 HU 比值能更好地反映體內結石成分之間的差異。

本研究顯示，DSCT 雙能量結石分析軟件能用于區分體內的尿酸結石、混合尿酸結石、胱氨酸結石和含鈣結石。這幾類結石占本組 55 例有紅外光譜分析結果結石的 90.9%（50/55）。本研究共發現 5 例以尿酸為主要成分的結石（4例尿酸，1例尿酸＞草酸鈣），通過雙能量軟件均能快速、準確地與其他結石區分，與本作者前期體外研究結果具有一致性。手工測量這例尿酸＞草酸鈣結石的CT值時，由于尿酸成分占結石的大部分，ROI容易只包含其中的尿酸部分，無法反映結石的總體情況，此時使用軟件分析優勢明顯。結石分析軟件沒能發現1枚草酸鈣＞尿酸結石的尿酸成分，測量發現其 HU 比值為 1.51，與含鈣結石相近，可能與其中尿酸成分較少有關。紅外光譜法可檢測出結石中占比＞5%的成分，雖然該軟件對結石中少量的尿酸成分無法做出準確預測，不如紅外光譜法敏感，但臨床上認為只有尿酸為主要成分的結石采用溶石療法效果才比較好[8]，所以能檢出結石中少量的尿酸成分對臨床治療幫助不大。

與本研究相關的體外研究不同的是，磷酸鎂銨結石沒有誤診為胱氨酸結石的情況，本組4枚磷酸鎂銨結石均不能與含鈣結石相區分，其HU比值和含鈣結石非常接近。含鈣結石 (磷酸鈣、草酸鈣、混合含鈣結石 )在本研究中占比約 76.4%，一半以上的結石為草酸鈣和磷酸鈣的混合結石，純成分的含鈣結石幾乎均為草酸鈣結石，與國內外報道的發生情況相似。這3種含鈣結石在體內的HU差值和HU 比值存在大量的重疊，還不能相互區分，只有 DEI能區分磷酸鈣結石與混合含鈣結石。本研究顯示，磷酸鈣結石和草酸鈣結石的雙能量衰減特性比較接近，與前期體外研究及國外文獻報道相符[7-10]。

本研究發現，長徑＜ 3 mm 的結石用軟件分析需減小Range 值 才 能 標 記。Range 值代表在 單 位 像 素 內 平 滑過濾的范圍，軟件默認為 7，減小 Range 值能產生更好的空間分辨率，但同時會增加統計誤差。國外學者在體外和臨床的相關研究認為雙能量成像對＜ 3 mm 結石分析的準確性降低[8-11]。Stolzmann[8]等報道結石分析軟件對 1 枚 2 mm 結石未能做出標記，原因是其 80 kV 圖像的 CT 值為 64 HU，140 kV 圖像的 CT 值為 70 HU，而軟件默認的分析區間是200～3071 HU。本研究中未能自動標記的結石由于沒能收集到標本進行紅外光譜分析，因此還無法判斷減小 Range 值的分析結果是否可靠。有學者認為＜ 3 mm 結石容易自排，因此，這類結石體內成分分析對治療的選擇意義不太大[12]。

Graser 等[6]報 道 體 內 4 例 尿 酸 結 石、1 例 胱 氨 酸 結 石和 12 例 含 鈣 結 石 的 DEI 分 別 為 0.0051±0.0036、0.0762、0.1155±0.0358，本研究得出的 DEI 值與之比較接近。但各種結石的HU比值均比本課題體外研究的結果高，可能與體內環境和結石的大小有關，還有待于進一步論證。本組體內結石明顯比體外結石的體積大，結石越大，測量受部分容積效應的影響應該減小。

本研究存在一些不足之處。首先，獲得結石標本的病例數有限，除草酸鈣結石和混合含鈣結石，其他結石的數量較少，這與發生率小有關，因此，統計學分析結果還需要加大樣本量或者綜合多個研究結果評價。其次，沒有評價患者體積對圖像質量和結石分析的影響。因 80 kV 圖像噪聲較大和線束硬化作用，可能會降低肥胖患者結石成分區分的準確性[11]。還有待于下一步補充病例細致研究。

總之，本研究探討了 DSCT 雙能量成像用于體內分析結石成分的價值，初步顯示了區分尿酸結石、混合尿酸結石、胱氨酸結石、含鈣結石的可行性，有望為結石患者的治療提供更多CT檢查信息。

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Dual-Source Dual-Energy CT for the Differentiation of Urinary Stone Composition: In Vivo Study

ZHANG Wan-shia，YANG Qi-fanga, MENG Li-mina，GUO He-qingb，YAN Jing-minb，LIU Hong-mingb

a.Department of CT&MRI; b. Urinary Surgery Department, Air Force General Hospital，Beijing 100142，China

ObjectiveTo evaluate the ability of dual-source dual-energy CT to differentiate urinary stone of different compositions in vivo.MethodsSixty-four patients with known urinary stone disease were scanned using a DSCT scanner in the dual-energy mode. Hounsfield units (HU) of each stone were recorded for the 80 kV and the 140 kV datasets by hand-drawing method. HU difference, HU ratio and DEI were calculated. Urinary stones were classified as UA stones, mixed UA stones, cystine stones and calcium stones based on dual energy software, the results compared with the infrared spectroscopy analysis of stone samples. Use one-way ANOVA to compare HU difference, HU ratio and DEI of different stones groups according to infrared spectroscopy.ResultsIn 55 patients, stones were sampled. Dual energy software correctly characterized 4 UA stones, 1 mixed UA stone, 2 cystine stone, and 42 calcium stones. 4 struvite stones, 1 mixed ammonium urate and calcium stone, 1 mixed UA stone were classified as calcium stones. Statistical differences in HU difference (18±12), (214±21), (329±35), (360±49), (458±97) and (497±110) HU respectively, HU ratio (1.04±0.02, 1.36±0.02, 1.49±0.04, 1.50±0.08, 1.52±0.05 and 1.53±0.04 respectively), and DEI (0.006±0.004, 0.062±0.002, 0.089±0.006, 0.095±0.013, 0.107±0.011 and 0.112±0.012 respectively) among UA stones, cystine stone, struvite stones, CaP stones, CaOx stones and mix calcium stones (P＜0.001). There were statistical differences in HU difference, HU ratio and DEI between UA stones and the other groups, in HU ratio and DEI between cystine stones and the other groups, in HU difference and DEI between struvite stones and CaOx or mix calcium stones, in HU difference between cystine stones and CaOx or mix calcium stones, in DEIbetween CaP stones and mix calcium stones (P＜0.05).ConclusionDual-source dual-energy CT has the ability to differentiate UA stones, cystine stones, mixed UA stones and calcium stones in vivo, but it could not distinguish struvite stones and subtypes of calcium stones.

Dual Source CT; Dual Energy Imaging; Tomography, X-ray computed; Urinary stone; Infrared Spectroscopy

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.004

1674-1633(2012)09-0018-04

2012-07-10

張挽時，教授，主任醫師。

通訊作者郵箱：cjr． zhangwanshi@vip．163．com