能譜CT單能量區分體外腎結石成分的初步實驗研究

1.安徽醫科大學第一附屬醫院放射科（安徽 合肥 230022）

2.安徽醫科大學核醫學教研室

3.GE中國CT影像研究中心

4.安徽醫科大學第一附屬醫院泌尿外科

李小虎1 劉 斌1 余永強1 王明明2王萬勤1 張 帥3 張藝飛4 吳興旺1陳 墾3 周 勇1 王 樂1

能譜CT單能量區分體外腎結石成分的初步實驗研究

1.安徽醫科大學第一附屬醫院放射科（安徽 合肥 230022）

2.安徽醫科大學核醫學教研室

3.GE中國CT影像研究中心

4.安徽醫科大學第一附屬醫院泌尿外科

李小虎1劉 斌1余永強1王明明2王萬勤1張 帥3張藝飛4吳興旺1陳 墾3周 勇1王 樂1

目的 采用能譜CT對體外腎石標本進行掃描，探討能譜CT單能量與CT常規120kVp混合能量對于區分體外不同成份腎結石的價值。方法已知單一成分（尿酸結石8枚，六水磷酸銨鎂結石12枚，胱氨酸結石6枚，碳酸磷灰石結石10枚，一水草酸鈣結石30枚）的66枚腎結石，分別置于豬腎中，每腎上、下腎盞及腎盂各放2枚結石，并將其浸入水箱中，采用GE寶石CT行GSI（Gemstone Spectral Imaging）掃描及常規120kVp掃描。測量計算GSI圖像的（40keV-140keV，間隔5keV）單能量CT值及120kVp混合能量CT值，并采用方差分析比較各組間結石CT值的差異。上述結石分別采用紅外光譜分析儀測定其成分。結果經統計學處理，120kVp混合能量CT值差異有統計學意義(F值為52.773，P值=0.000)。組間兩兩比較，一水草酸鈣結石與碳酸磷灰石結石(P=0.831)、尿酸類結石與胱氨酸類結石混合能量CT值（P=0.411）無統計學差異，其余各組結石間120kVp混合能量CT值差異均有統計學意義(P<0.05)。各組結石單能譜（40keV-140keV，間隔5keV）CT值有統計學差異(F值分別為：269.244、201.823、121.190、97.348、88.719、80.076、71.537、63.110、55.064、47.837、41.086、35.104、30.202、26.182、22.528、19.866、17.501、15.585、14.108、12.785、11.830，P值均=0.000）。組間兩兩比較，上述5組結石在50keV時CT值均有統計學差異（P<0.05）；40keV及45keV能區分出尿酸結石與非尿酸結石。 結論 寶石能譜單能量低keV(40keV-50keV)CT值可以區分出尿酸類結石與非尿酸類結石。單能量50keV為腎結石成分分析的最佳keV，與CT常規120kVp混合能量相比，可以區分出尿酸結石、六水磷酸銨鎂結石、胱氨酸結石、一水草酸鈣結石及碳酸磷灰石結石。

腎結石；體層攝影術，X線計算機，能譜成像

腎結石是一種常見的泌尿系統疾病，典型癥狀為腎絞痛與血尿，常易造成尿路梗阻或尿路感染，后期導致腎功能破壞，引起尿毒癥而危及生命。結石成分的判定可以指導臨床選擇合適的治療方法，為病因分析及制定合理的治療方案提供依據[1、2]，例如六水磷酸銨鎂結石適合體外沖擊碎石，尿酸結石可以口服藥物保守治療，外周有致密殼的草酸鈣結石不宜采用震波碎石[3]，適合腹腔鏡下氣壓彈道碎石。目前結石成分分析的可靠方法為紅外光譜分析方法、X射線衍射等，但均為體外分析方法，需要結石排出或取出后方可進行，而治療前體內分析結石成分更加符合臨床治療的需求[4]。根據臨床病史的詢問、尿結晶、尿PH值等對結石成分預測有一定價值，但仍無法準確分析[5]。近年來雙能量成像作為一種鑒別組織成分的新技術進入臨床應用，能譜CT的出現為腎結石成分的進一步區分提供了新的平臺。

資料與方法

1.1 基本資料66枚腎結石來自我院泌尿外科結石庫中（結石最大徑均＞4mm），且均采用紅外線光譜自動分析儀（LIIR-20型，天津藍莫德公司)確定為單一成分：無水尿酸結石（Uric Acid stones，UA)8枚,六水磷酸銨鎂結石（Struvite，STR)12枚,胱氨酸結石（Cystine，CYS)6枚, 碳酸磷灰石結石（Dahllite，DAH)10枚, 一水草酸鈣結石（Calcium oxalate monohydrate，COM）30枚。

1.2 掃描方法每次掃描取6枚結石放入新鮮豬腎中，每上、下腎盞及腎盂各2枚，并將其浸入10cm高水箱中。采用GE寶石CT( Discovery CT750 HD)進行能譜掃描（GSI）及常規120kVp掃描。GSI-Helical 電壓（80/140kVp），螺距0.984:1，探測器準直64×0.625mm，球管轉速0.8s，FOV 14.8cm，掃描和間隔層厚均5mm，重建層厚1.25mm；常規掃描管電壓120kVp，電流240mA。

1.3 圖像處理及分析指標所有數據分析及圖像處理在GE AW4.4工作站上進行。使用GSI Viewer 軟件分析處理，選擇結石最大徑層面，感興趣區(region of interest, RIO)面積為其面積的1/2-2/3。單能量成像選擇（40keV-140keV，間隔5keV）圖，在軟組織窗下（窗寬350HU，窗位50HU），分別測量單能量及120kVp混合能量CT值。

1.4 統計學分析方法使用SPSS16.0軟件，采用單因素方差分析比較各組結石（40keV-140keV，間隔5keV）單能量CT值、120kVp CT值。如有統計學差異，再進行組間兩兩比較，方差齊者采用LSD法，方差不齊者采用Tamhane T2檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

結 果

5組結石（UA,STR,CYS,COM,DAH）在120kVp混合能量圖像上CT值差異有統計學意義(F=52.773,P=0.000),其CT值分別為437.36±103.81HU、865.12±24.05HU、547.17±138.82HU、1528.16±296.51HU及1508.93±197.87HU（表1）?；旌夏芰緾T值組間兩兩比較，COM-DAH（P=0.831）、UA-CYS（P=0.411）無統計學差異，其余各組結石間120kVp混合能量CT值差異均有統計學意義（P<0.05）。

66枚結石的（40keV-140keV，間隔5keV）5組結石單能量CT值及120kVp混合能量 CT值差異有統計學意義((F值分別為：269.244、201.823、121.190、97.348、88.719、80.076、71.537、63.110、55.064、47.837、41.086、35.104、30.202、26.182、22.528、19.866、17.501、15.585、14.108、12.785、11.830，P值均=0.000）。組間兩兩比較：1、上述5組結石在50keV時CT值均有統計學差異（P<0.05），UA,STR,CYS,COM,DAH在50keV單能量CT值分別為393.54±93.26HU、1188.89±282.39HU、729.85±151.85HU、2325.16±367.55HU及2567.49±158.62HU(表1)；2、40keV、45keV時單能量CT值可以區分出尿酸結石與非尿酸結石；3、CYS-UA在單能量（55keV-100keV，間隔5keV）無統計學差異（P＞0.05）；4、COMDAH在單能量（40keV、45keV，55keV-140keV，間隔5keV）無統計學差異（P＞0.05）；5、CYS-STR在單能量（115keV-140keV，間隔5keV）無統計學差異（P＞0.05）；6、UA-STR在單能量（85keV-130keV，間隔5keV）無統計學差異（P＞0.05）；7、UADAH在單能量（125keV-140keV，間隔5keV）無統計學差異（P＞0.05）；8、UA-COM在單能量135keV、140keV無統計學差異（P＞0.05），其余各組間均有統計學差異(P<0.05)。

討 論

表1 不同成分結石50keV單能量CT值與120kVp混合能量CT值比較（±s）

表1 不同成分結石50keV單能量CT值與120kVp混合能量CT值比較（±s）

結石種類 數目 50keV(HU) 120kVp(HU)無水尿酸 8 393.54±93.26 437.36±103.81六水磷酸銨鎂 12 1188.89±282.39 865.12±24.05胱氨酸 6 729.85±151.85 547.17±138.82一水草酸鈣 30 2325.16±367.55 1528.16±296.51碳酸磷灰石 10 2567.49±158.62 1508.93±197.87 F 121.190 52.773 P P=0.000 P=0.000

臨床腎結石的治療不僅與結石成分有關，也與結石的大小、部位、脆性及有無感染等合并癥有關。非增強螺旋CT對腎結石的檢出率高，無組織重疊性，對小結石敏感，并且可以檢出傳統X線KUB上陰性的結石(如尿酸結石)，對結石檢出有明顯優勢[6]。許多研究者對螺旋CT預測結石成分的可能性進行了研究。文獻報道單能CT進行結石成分分析時其CT值也受多方面因素影響，例如結石的大小、探測器準直器和周圍介質因素等，其變化范圍較大[7]。Serkan Deveci等[2]認為多層螺旋CT可以完全區分六種不同成分的純結石。Marie-France Bellin等[1]提出在80KV電壓下掃描記錄的CT值彼此之間差異最顯著，診斷結石成分的準確率可以達到8l%。

近幾年來，隨著CT能量成像技術的發展，CT的能量成像已經成為業內研究的熱點，特別是以瞬時雙kVp為核心技術的能譜CT為現今能量成像更廣闊的臨床應用和研究打開了大門。CT值是量化了的物質對X線的衰減系數，過去的幾十年，CT對正常組織及病變部位的鑒別主要依靠CT值，但由于混合能量掃描產生的X線具有一定的能譜范圍，例如常規120kVp電壓下，X射線中會包含0-120keV多種能量的光子。而組織的吸收系數會隨著X線能量的增大而減小，這樣，采用混合光對物體進行掃描時，就會出現CT值的飄移，不可避免的會導致CT值的不準確性，從而影響診斷。寶石CT采用的是單球管高低能量快速切換掃描模式，即單個球管在一個旋轉周期內通過80kVp和140kVp高低兩種能量的高速瞬時切換同時采樣，保證了球管發射射線的“同時、同源、同向”性。再加上高通透性及高清空速率的寶石探測器，準確采集到相關信號。之后，采用原始數據的投影模式進行運算以及用于能譜成像的重建/后處理引擎與GSI瀏覽器，就能夠生成40-140keV下任一keV的單能量圖像，除了圖像噪聲外，圖像的性質基本上與單一keV掃描獲得的圖像相類似。這種單能光下的CT值相對于混合能量下的CT值更能準確的反應物質的X線吸收特性[8]。

圖1 50keV單能量CT值及120kVp混合能量CT值柱狀圖比較；圖2 該枚結石為胱氨酸結石，120kVp混合能量CT值為510.09HU,單能量（40keV-140keV，間隔5keV）CT值分別為：850.90HU，719.64HU，612.17HU，529.95HU，465.61HU，415.59HU，376.49HU，345.02HU，319.51HU，299.02HU，281.31HU，266.58HU，254.68HU，244.95HU，235.85HU，229.05HU，222.66HU，217.03HU，212.46HU，207.98HU，204.44HU。

實驗中為確保上述指標測量及計算的準確性，我們根據文獻報道選取結石最大徑層面，感興趣區（ROI）面積為最大徑層面面積的1/2-2/3，層厚選取1.25mm[1,7,9]。從實驗中通過測量120kVp混合能量CT值（表1）可以初步區分含鈣結石與不含鈣類結石，但UA-CYS組CT值無法區分；COM-DAH組CT值也無法區分。這是由于常規CT對結石成分的鑒別主要依靠混合能量CT值，但不同的物質可能有相同的CT值，某一CT值并不是某種物質的特異性數值，且常規混合能量CT值受X線硬化效應、X線散射、部分容積效應及重建矩陣等因素影響，得到的CT值不準確，因此僅依靠常規混合能量CT值，上述五類結石不能完全區分。

本實驗中我們間隔5keV從40-140keV單能量圖依次獲得，相同keV下測量出5種成分結石UA、STR、CYS、DAH及COM的CT值,然后組間進行統計學單因素方差分析，得出單一成分的上述5類結石的單能量CT值差異有統計學意義（P＜0.05），具有區分結石成分的價值。50keV時上述5種成分結石可以通過其單能量CT區分開（表1）。40keV及45keV能區分出尿酸結石與非尿酸結石。50keV單能量CT值及120kVp混合能量CT值柱狀圖比較（圖1）均可得出50keV單能量CT值與120kVp混合能量CT值相比，五組結石間CT值差距在50keV單能量時明顯增大，這是因為能譜CT能使同一物質在不同能量X線下表現出不同的密度特征，同時也使不同物質的差別在相同能量X線表現出更大的差別程度。不同物質對于不同能量的X線的吸收特征是不同的，低能量范圍內的圖像對比度較高，但噪聲也會隨之增高；而高能量圖像雖然對比度較低，但噪聲也會隨之減低。因此我們通過合適的單能量，優化圖像，利用能譜技術，寶石能譜CT實現了40keV-140keV的范圍內任意能量點的單能量圖像的提取，可將眾多單能圖像進行連續分析，并通過優化病灶與背景（本底）的對比度和減少硬化偽影，改善圖像質量。

本實驗研究表明，能譜CT在區分尿酸結石，六水磷酸銨鎂結石，胱氨酸結石，碳酸磷灰石結石，一水草酸鈣結石有明顯的優勢，利用50keV單能圖像上測量CT值可以明確區分單一成分結石，利用40keV及45keV可以區分出單一成分的尿酸類結石及非尿酸類結石。

該實驗研究有下列局限性：（1）本組實驗中結石數目偏少，特別是胱氨酸及尿酸類結石的樣本量較小，這與它們的實際發生率較小有關，下一步需要擴大樣本進行實驗研究。（2）該研究為體外實驗研究與體內復雜的內環境有所差異，上述5組分類結石活體內是否有統計學差異，還需下一步臨床分析研究。

總之，能譜CT為腎結石成分的分析提供了新的工具與思路，寶石能譜單能量45keV及50keV為單一成分腎結石區分的最佳keV，與120kVp混合能量相比，單能量CT值可以區分出體外尿酸類結石、六水磷酸銨鎂結石、胱氨酸結石、碳酸磷灰石結石及一水草酸鈣結石。為活體內進行結石成分的分析提供了可能，有較大的臨床應用價值，為進一步研究結石的成因、預防和治療提供影像學依據。

1.Bellin MF, Renard-Penna R, Conort P, et al. Helical CT evaluation of the chemical composition of urinary tract calculi with a discriminate analysis of CT-attenuation values and density [J]. Eur Radiol, 2004,14: 2134-2140.

2.Deveci S, Coskun M, Tekin MI, et al.Spiral computed tomography: role in determination of chemical compositions of pure and mixed urinary stones--an in vitro study[J]. Urology, 2004, 64: 237-240.

3.譚孝華，劉凱，鄭聰，等. 兒童泌尿系結石X線征象與病因分析[J]. 罕少疾病雜志，2008,15（4）：22-24.

4.鄧穗平, 陳德志, 歐陽健明. 泌尿系結石組分分析方法及其研究進展[J].光譜學與光譜分析, 2006, 26: 761-767.

5.Sheir KZ, Mansour O, Madbouly K, et al. Determination of the chemical composition of urinary calculi by noncontrast spiral computerized tomography [J]. Urol Res, 2005, 33:99-104.

6.Heidenreich A, Desgrandschamps F,Terrier F. Modern approach of diagnosis and management of acute flank pain: review of all imaging modalities[J]. Eur Urol, 2002, 41:351-362.

7.Saw KC, McAteer JA, Monga AG, et al.Helical CT of urinary calculi: effect of stone composition, stone size and scan collimation[J]. AJR Am J Roentgenol, 2000, 175: 329-332.

8.Langan DA. Gemstone spectral imaging:GE white paper.Waukesha.Wis:GE Healthcare,2008.

9.Mostafavi MR, Ernst RD, Saltzman B.Accurate determination of chemical composition of urinary calculi by spiral computerized tomography[J].J Urol, 1998, 159: 673-675.

Preliminary Empirical Study on Characterization of Kidney Stone Using Single Energy of Spectral CT

LI Xiao-hu,LIU Bin,YU Yong-qiang,et al. Department of Radiology, the First Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022,China

ObjectiveTo scan kidney stone sample using single energy of spectral CT and to investigate the value of single energy of spectral CT and conventional 120kVp mixed energies to distinguish different kinds of kidney stones.MethodsSixty-six kidney Stones included uric acid stones(UA, n=8), struvite stones(STR, n=12), cystine stones(CYS, n=6), Dahllite stones(DAH, n=10), Calcium oxalate monohydrate stones(COM, n=30) were put into eleven excised pig kidneys (the upper calice, the renal pelvis and the lower calices of each kidney were inserted with 2 stones respectively) and the kidneys were placed in a water tank. Gemstone Spectral Imaging (GST) scan and conventional 120kVp scan were performed. Single energy CT value of GSI (40-140keV, 5keV’s interval) and 120kVp mixed energy CT value were measured and calculated. The differences of CT values among different groups were compared using analysis of variance. The components of above-mentioned stones were determined by infrared spectrometer.ResultsAfter statistical treatment, the differences of 120kVp mixed energy CT value were of statistical significance (F=52.773, P=0.000). Compared between two groups:mixed energy CT values of COM and DAH (P = 0.831), and mixed energy CT values of UA and CYS (P = 0.411) were not have statistical difference; the 120kVp mixed energy CT values of rest groups had statistical differences (P < 0.05). The differences of single energy (40 keV-140keV, 5keV’s interval) CT values were of statistical significance (F values were 269.244,201.823, 121.190, 97.348, 88.719, 80.076, 71.537, 63.110, 55.064, 47.837, 41.086,35.104,30.202, 26.182, 22.528, 19.866, 17.501, 15.585, 14.108, 12.785, 11.830, P= 0.000). Compared between two groups, CT values of above-mentioned 5 groups had statistical differences at 50keV (P < 0.05). Uric acid stones could be distinguished from other kinds of stones at 40keV and 45keV.ConclusionUric acid stones could be distinguished from other kinds of stones by single energy CT value of Gemstone energy spectrum at low keV (40-50keV). Compared to conventional 120kVp mixed energies, single energy can be used to distinguish UA, STR, CYS,COM and DAH. The components of stones can be distinguished optimally at 50keV.

kidney Stone; Tomography; ;X-ray computed; Spectral CT imaging

R814.42；R69

A

10.3969/j.issn.1672-5131.2011.05.003

李小虎，男，醫學影像學專業，醫師，主要研究方向為泌尿系統影像學

余永強 王明明

2011-04-04