不同重建方式下泌尿系統結石CT 平掃圖像質量與器官特異性吸收劑量的研究初探

熊蝶，劉棟，唐大中，談小飛，趙凌云，劉琴通信作者)

（華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院放射科，湖北 武漢 430030）

0 引言

腎結石是一種成人常見的泌尿系統疾病，可引發諸如尿路感染、腹痛、腎積水、腎功能降低等并發癥。中國成人腎結石患病率為5.8%，且發病率逐年升高[1]。由結石引發的急性腎絞痛是急診常見病種之一，腎結石在第一次發作后的5年-10 年內有高達50%的病發率，重復手術干預率很高，尤其對于患有胱氨酸尿結石的患者，每個患者的平均干預率將達到10.6 次[2]。

CT 檢查是目前原發性及復發性結石診斷的“金標準”，可顯示腎臟大小、輪廓、腎結石、腎積水、腎實質病變及腎盂情況，辨認尿路以外引起的尿路梗阻病變的原因，如腹膜后腫瘤、盆腔腫瘤等[3]。隨著泌尿系統結石的總體發病率不斷提高，加之結石的高復發率及重復干預性，患者及研究人員對使用腹部CT 診斷腎結石引起的輻射暴露的愈加關注，在保證診斷質量的同時，如何盡可能減少結石患者的單次CT 掃描輻射劑量是當前CT 排查泌尿系統結石亟需解決的重點問題。

濾波反投影重建算法(filtered back projection, FBP)是目前CT 掃描最常用的圖像重建手段。2011 年，迭代重建(iterative reconstruction, IR)技術開始在CT 掃描儀中應用。與FBP 相比，該重建算法基于模型的本質在算法原理上降低了噪聲干擾，使受試者接受的X 線輻射劑量更低，從而在最終圖像中達到相似甚至更低的噪聲[4]。迄今為止，已有研究人員評估了IR 在CT 診斷結石疾病中的應用。雖然這些研究提供了豐富的信息，但沒有適當的圖像質量評估方式，或入組病例數較少，亦未按患者體重指數(BMI)或器官特定劑量定量評估受試者輻照劑量的降低，存在各式各樣的不足[5-7]。

本研究通過不同方式采集腎結石患者的CT 平掃圖像并分為FBP 組和IR 組，根據患者BMI 分析及量化患者接受放射劑量，同時比較主觀圖像質量，以分析及量化不同重建方式對受試者接受輻照劑量的區別。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究經本院倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書，所有受試者受到的輻射劑量均在允許范圍內未受到額外的輻照劑量，回顧性選取2018 年01 月至2020 年12 月腹部平掃病例納入本研究。

1.2 檢查方法

受試者采用腳先進仰臥位；囑受試者去除掃描范圍內金屬物體并配合呼吸。通過測量患者體重與身高來計算患者BMI。計算方法為BMI=體重/身高2。

掃描參數：CT 掃描儀采用Philips Brilliance 256 iCT。探測器寬度128×0.625mm，FBP 組管電壓120KV，層間距5mm，自動管電流，標準FBP 方式重建。IR 組采用自適應迭代重建技術 (AIDR 3D, Toshiba America Medical Systems,Tustin, CA)掃描，劑量指數采用推薦值。其余技術參數，如矩陣、轉速、準直及X 線探測器的性能等由專業工程師設置以得到最優圖像。

1.3 納入病例分組，病例臨床及影像數據采集與評價

使用放射科影像報告系統搜索2018 年01 月至2020 年12 月確診為泌尿系統結石病例，然后收集臨床數據，包括體重指數(BMI)、年齡、性別、掃描原因、患者入院狀況（住院、門診和急診），以及過去3 年在我院行腹部CT 掃描的次數。排除數據不全（無BMI、影像資料不全等）患者。CT 平掃原始數據由PACS 系統導出。

選取兩名經驗豐富的臨床放射學家（分別具有10、20 年泌尿系統結石診斷經驗）在不知曉重建方式及既往史的前提下對CT 平掃圖像分析，回顧性分析入組患者的結石特征，包括總結石面積(mm2)、最大結石大小、積水程度、總結石數目及結石位置等，圖像噪聲采用三分法評估（1 分=基本無影響診斷的噪聲；2 分=噪聲在可接受范圍內；3 分=圖像噪聲過高，影響診斷），圖像質量采用5 分法評估（1 分=圖像質量差，無法診斷；2 分=圖像質量不佳，勉強可以診斷；3 分=圖像質量較差，對診斷有一定影響；4 分=圖像質量良好，基本不影響診斷；5 分=圖像質量極好，診斷明確）。當診斷存在異議時，兩者協商取得一致結果。

為了計算輻射劑量（具體見下節），由測量掃描范圍中段的圖像獲得患者的前后徑和左右徑。并記錄每個病例的容積劑量指數(CTDIVOL)用于器官特異性劑量的計算。臨床數據收集者、放射科醫生及放射技師只知曉自己的測量結果。

1.4 輻射劑量的計算

計算完全在掃描范圍內的器官的特異性吸收輻射劑量，包括肝臟、膀胱、腎臟、皮膚。器官劑量的測定采用的是經過法醫學及輻射計量學研究驗證的線性公式[8,9]。根據不同病例的BMI 值及前后、左右徑代入公式求得等價的圓形截面積，從而求得有效體徑(effective body diameter, EBD)，而后根據掃描所得容積劑量指數計算各個器官的特異性輻射劑量(organ-specific dose, OSD)。

1.5 統計學分析

計量資料以均數±標準差表示，計數資料以例數(%)表示，組間比較采用t檢驗，Pearson 卡方檢驗、雙尾Fisher 精確檢驗用于分類變量，Mann-Whitney U 秩和檢驗用于圖像噪聲及圖像質量的比較，以P<0.05 為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 一般情況

在為期三年的研究中，共有5235 名患者于我院接受CT腹部平掃檢查， 2533 例患者診斷報告中包含“結石”，選取320 符合納入標準患者（存在泌尿系統結石）入組，其中FBP組160 例，IR 組160 例。兩組患者在性別、年齡、BMI 等方面差異均無統計學意義，患者平均接受CT 腹部平掃次數為2.58次（表1）。

表1 入組樣本基本信息及CT 掃描次數統計表

2.2 結石情況

本研究所納入病例的結石經CT 平掃鑒別診斷所得：多數結石位于腎臟內（FBP 組87.5%，IR 組88.1%），形態單一（FBP 組77.5%，IR 組78.7%），同一位置的結石大小組間差異無統計學意義。輸尿管結石FBP 組（4.55±0.77）mm，IR 組（4.36±0.60）mm 小于腎結石FBP 組（5.65±0.78）mm，IR 組（5.85±0.86）mm。

表2 納入病例結石位置、大小及形態統計表

2.3 噪聲及圖像質量

兩組間CT 噪聲和圖像質量差異無統計學意義（表3）。噪聲方面，FBP 組1 分樣本(67.5%)略低于IR 組(71.3%)，而3 分水平FBP 組(5.6%) 略高于IR 組(4.4%)，這是由于兩者在算法上的基本原理所致。在圖像質量方面，FBP 組與IR 組在各個評分段上得分差異均無統計學意義，且僅FBP 組有1幅(0.6%)圖像質量低于可接受范圍。

表3 FBP 組與IR 組噪聲與圖像質量主觀評價統計表

2.4 器官特異性輻射劑量

IR 組CTDIVOL 僅為FBP 組的57%，降低了幾乎一半的輻射劑量；各器官OSD，IR 組比FBP 組低47%-56%（表4）。IR 組OSD 值在中小體型( 有效體徑20cm-33cm) 病例中比FBP 組平均低64%；肥胖（有效體徑>32cm）患者中IR 組比FBP 組平均低45%，說明中小體型病例比大體型患者IR 掃描重建方式能更大程度的降低OSD 值。在肝臟、腎臟及膀胱中，OSD 值隨著體徑的增加基本呈遞減趨勢，IR 組OSD 值降低斜率較小，說明FBP 組隨著有效體徑的增加，電子束的能量衰減較IR 組更加明顯（圖1）。

表4 器官特異性輻射劑量統計表

圖1 器官特異性輻射劑量示意圖

3 討論

目前最常用的減少受試者所接受輻射劑量的方式是降低X 線電子束強度，稱之為低劑量FBP 掃描[10]。FBP 算法是建立在傅立葉變換理論基礎之上的一種空域處理技術，在反投影前將每一個采集投影角度下的投影進行卷積處理，從而改善點擴散函數引起的星狀偽影，重建的圖像質量較好[11]。但由于其非基于模型的算法本質導致沒有數據處理軟件來衡量重建模型的特性，因此需要更多的光子（更高的劑量）來維持適當的噪聲水平。這種掃描方式從很大程度上降低了受試者所接受的輻射劑量，但低能量電子束在診斷小結石方面存在較多的漏診現象（約30%），尤其對于BMI 指數較高(BMI>30kg/m2)的肥胖患者，其檢查效果及圖像質量會急劇下降[12]。與此同時，低劑量CT 帶來的另一個影響是圖像噪聲的增加，這給結石的鑒別診斷尤其是微小結石的檢出增加了難度。有多中心研究表明，對于可疑的泌尿系統結石患者，低劑量FBP 掃描方案是不適用的，在確診結石診斷準確性與特異度層面無法滿足臨床需求。本研究采用較新的迭代重建技術，研究結果表明在不明顯降低圖像質量及增加圖像噪聲的前提下，IR 技術可大幅度降低受試者所接受輻射劑量，這與已報道的IR 技術在其他疾病上的研究結果類似。此外，研究還發現對于中小體型受試者IR 技術可更大程度的降低受試者所接受的輻射劑量。

現有的腎結石CT 輻射劑量的研究，基本采用容積劑量指數(CTDIVOL)或劑量長度乘積(DLP)來判定受試者所接受的輻射劑量，其模型基于體徑32cm 體模所得，這樣對于小體型受試者（體徑<32cm）所接受的輻射劑量被高估，而大體型受試者（體徑>32cm）所接受的輻射劑量被低估。本研究通過換算所得每個受試者的有效體徑計算器官特異性輻射吸收劑量，可以更精確的反應輻射劑量在不同體型受試者的變化趨勢，為臨床根據不同體型選擇合適的掃描及重建方式提供了應用基礎。

此外，本研究以盲法評估不同掃描及重建方式對圖像質量、圖像噪聲和器官特異性劑量的影響。我們發現IR 技術和FBP 技術在圖像噪聲和主觀圖像質量方面沒有顯著差異。與此同時，本研究在同樣kVp、同樣管電流調制及層厚的前提下，IR 組比FBP 組具有更少的噪聲。

當然，本研究仍有一定的局限性：首先，沒有同一患者同時接受FBP 和IR-CT 檢查的圖像直接進行比較；根據國際放射放護委員會(ICRP)提出的輻射防護實踐正當性原則，同一患者接受非必要的射線輻射是不符合醫學倫理要求的，我們的研究通過加大樣本量以減少此因素造成的誤差。其次，本研究納入病例均為陽性結果，這就限制了我們比較兩種重建技術類型的診斷能力；我們通過隨機分配患者到不同掃描組以減少此誤差。第三，本研究沒有涉及IR-CT 對其他類型的腹部或盆腔疾病的診斷能力。最后，本研究無法評論這兩種方式在預防泌尿系統結石漏診的能力。

本研究通過對320 例確診結石患者隊列進行回顧性分析，得出接受IR-CT 檢查的患者與接受FBP-CT 隊列的患者相比，可減少皮膚和內臟（肝臟、膀胱、腎臟）約50%-60%的輻射劑量。在圖像質量和噪聲相似的前提下，低劑量CT 應采用IR 等重建算法取代FBP-CT 作為尿路結石CT 成像的標準，以降低此人群的終生輻射風險。