能谱CT单能量区分体外肾结石成分的初步实验研究

1.安徽医科大学第一附属医院放射科（安徽 合肥 230022）

2.安徽医科大学核医学教研室

3.GE中国CT影像研究中心

4.安徽医科大学第一附属医院泌尿外科

李小虎1 刘 斌1 余永强1 王明明2王万勤1 张 帅3 张艺飞4 吴兴旺1陈 垦3 周 勇1 王 乐1

能谱CT单能量区分体外肾结石成分的初步实验研究

1.安徽医科大学第一附属医院放射科（安徽 合肥 230022）

2.安徽医科大学核医学教研室

3.GE中国CT影像研究中心

4.安徽医科大学第一附属医院泌尿外科

李小虎1刘 斌1余永强1王明明2王万勤1张 帅3张艺飞4吴兴旺1陈 垦3周 勇1王 乐1

目的 采用能谱CT对体外肾石标本进行扫描，探讨能谱CT单能量与CT常规120kVp混合能量对于区分体外不同成份肾结石的价值。方法已知单一成分（尿酸结石8枚，六水磷酸铵镁结石12枚，胱氨酸结石6枚，碳酸磷灰石结石10枚，一水草酸钙结石30枚）的66枚肾结石，分别置于猪肾中，每肾上、下肾盏及肾盂各放2枚结石，并将其浸入水箱中，采用GE宝石CT行GSI（Gemstone Spectral Imaging）扫描及常规120kVp扫描。测量计算GSI图像的（40keV-140keV，间隔5keV）单能量CT值及120kVp混合能量CT值，并采用方差分析比较各组间结石CT值的差异。上述结石分别采用红外光谱分析仪测定其成分。结果经统计学处理，120kVp混合能量CT值差异有统计学意义(F值为52.773，P值=0.000)。组间两两比较，一水草酸钙结石与碳酸磷灰石结石(P=0.831)、尿酸类结石与胱氨酸类结石混合能量CT值（P=0.411）无统计学差异，其余各组结石间120kVp混合能量CT值差异均有统计学意义(P<0.05)。各组结石单能谱（40keV-140keV，间隔5keV）CT值有统计学差异(F值分别为：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）。组间两两比较，上述5组结石在50keV时CT值均有统计学差异（P<0.05）；40keV及45keV能区分出尿酸结石与非尿酸结石。 结论 宝石能谱单能量低keV(40keV-50keV)CT值可以区分出尿酸类结石与非尿酸类结石。单能量50keV为肾结石成分分析的最佳keV，与CT常规120kVp混合能量相比，可以区分出尿酸结石、六水磷酸铵镁结石、胱氨酸结石、一水草酸钙结石及碳酸磷灰石结石。

肾结石；体层摄影术，X线计算机，能谱成像

肾结石是一种常见的泌尿系统疾病，典型症状为肾绞痛与血尿，常易造成尿路梗阻或尿路感染，后期导致肾功能破坏，引起尿毒症而危及生命。结石成分的判定可以指导临床选择合适的治疗方法，为病因分析及制定合理的治疗方案提供依据[1、2]，例如六水磷酸铵镁结石适合体外冲击碎石，尿酸结石可以口服药物保守治疗，外周有致密壳的草酸钙结石不宜采用震波碎石[3]，适合腹腔镜下气压弹道碎石。目前结石成分分析的可靠方法为红外光谱分析方法、X射线衍射等，但均为体外分析方法，需要结石排出或取出后方可进行，而治疗前体内分析结石成分更加符合临床治疗的需求[4]。根据临床病史的询问、尿结晶、尿PH值等对结石成分预测有一定价值，但仍无法准确分析[5]。近年来双能量成像作为一种鉴别组织成分的新技术进入临床应用，能谱CT的出现为肾结石成分的进一步区分提供了新的平台。

资料与方法

1.1 基本资料66枚肾结石来自我院泌尿外科结石库中（结石最大径均＞4mm），且均采用红外线光谱自动分析仪（LIIR-20型，天津蓝莫德公司)确定为单一成分：无水尿酸结石（Uric Acid stones，UA)8枚,六水磷酸铵镁结石（Struvite，STR)12枚,胱氨酸结石（Cystine，CYS)6枚, 碳酸磷灰石结石（Dahllite，DAH)10枚, 一水草酸钙结石（Calcium oxalate monohydrate，COM）30枚。

1.2 扫描方法每次扫描取6枚结石放入新鲜猪肾中，每上、下肾盏及肾盂各2枚，并将其浸入10cm高水箱中。采用GE宝石CT( Discovery CT750 HD)进行能谱扫描（GSI）及常规120kVp扫描。GSI-Helical 电压（80/140kVp），螺距0.984:1，探测器准直64×0.625mm，球管转速0.8s，FOV 14.8cm，扫描和间隔层厚均5mm，重建层厚1.25mm；常规扫描管电压120kVp，电流240mA。

1.3 图像处理及分析指标所有数据分析及图像处理在GE AW4.4工作站上进行。使用GSI Viewer 软件分析处理，选择结石最大径层面，感兴趣区(region of interest, RIO)面积为其面积的1/2-2/3。单能量成像选择（40keV-140keV，间隔5keV）图，在软组织窗下（窗宽350HU，窗位50HU），分别测量单能量及120kVp混合能量CT值。

1.4 统计学分析方法使用SPSS16.0软件，采用单因素方差分析比较各组结石（40keV-140keV，间隔5keV）单能量CT值、120kVp CT值。如有统计学差异，再进行组间两两比较，方差齐者采用LSD法，方差不齐者采用Tamhane T2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

5组结石（UA,STR,CYS,COM,DAH）在120kVp混合能量图像上CT值差异有统计学意义(F=52.773,P=0.000),其CT值分别为437.36±103.81HU、865.12±24.05HU、547.17±138.82HU、1528.16±296.51HU及1508.93±197.87HU（表1）。混合能量CT值组间两两比较，COM-DAH（P=0.831）、UA-CYS（P=0.411）无统计学差异，其余各组结石间120kVp混合能量CT值差异均有统计学意义（P<0.05）。

66枚结石的（40keV-140keV，间隔5keV）5组结石单能量CT值及120kVp混合能量 CT值差异有统计学意义((F值分别为：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）。组间两两比较：1、上述5组结石在50keV时CT值均有统计学差异（P<0.05），UA,STR,CYS,COM,DAH在50keV单能量CT值分别为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时单能量CT值可以区分出尿酸结石与非尿酸结石；3、CYS-UA在单能量（55keV-100keV，间隔5keV）无统计学差异（P＞0.05）；4、COMDAH在单能量（40keV、45keV，55keV-140keV，间隔5keV）无统计学差异（P＞0.05）；5、CYS-STR在单能量（115keV-140keV，间隔5keV）无统计学差异（P＞0.05）；6、UA-STR在单能量（85keV-130keV，间隔5keV）无统计学差异（P＞0.05）；7、UADAH在单能量（125keV-140keV，间隔5keV）无统计学差异（P＞0.05）；8、UA-COM在单能量135keV、140keV无统计学差异（P＞0.05），其余各组间均有统计学差异(P<0.05)。

讨 论

表1 不同成分结石50keV单能量CT值与120kVp混合能量CT值比较（±s）

表1 不同成分结石50keV单能量CT值与120kVp混合能量CT值比较（±s）

结石种类 数目 50keV(HU) 120kVp(HU)无水尿酸 8 393.54±93.26 437.36±103.81六水磷酸铵镁 12 1188.89±282.39 865.12±24.05胱氨酸 6 729.85±151.85 547.17±138.82一水草酸钙 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

临床肾结石的治疗不仅与结石成分有关，也与结石的大小、部位、脆性及有无感染等合并症有关。非增强螺旋CT对肾结石的检出率高，无组织重叠性，对小结石敏感，并且可以检出传统X线KUB上阴性的结石(如尿酸结石)，对结石检出有明显优势[6]。许多研究者对螺旋CT预测结石成分的可能性进行了研究。文献报道单能CT进行结石成分分析时其CT值也受多方面因素影响，例如结石的大小、探测器准直器和周围介质因素等，其变化范围较大[7]。Serkan Deveci等[2]认为多层螺旋CT可以完全区分六种不同成分的纯结石。Marie-France Bellin等[1]提出在80KV电压下扫描记录的CT值彼此之间差异最显著，诊断结石成分的准确率可以达到8l%。

近几年来，随着CT能量成像技术的发展，CT的能量成像已经成为业内研究的热点，特别是以瞬时双kVp为核心技术的能谱CT为现今能量成像更广阔的临床应用和研究打开了大门。CT值是量化了的物质对X线的衰减系数，过去的几十年，CT对正常组织及病变部位的鉴别主要依靠CT值，但由于混合能量扫描产生的X线具有一定的能谱范围，例如常规120kVp电压下，X射线中会包含0-120keV多种能量的光子。而组织的吸收系数会随着X线能量的增大而减小，这样，采用混合光对物体进行扫描时，就会出现CT值的飘移，不可避免的会导致CT值的不准确性，从而影响诊断。宝石CT采用的是单球管高低能量快速切换扫描模式，即单个球管在一个旋转周期内通过80kVp和140kVp高低两种能量的高速瞬时切换同时采样，保证了球管发射射线的“同时、同源、同向”性。再加上高通透性及高清空速率的宝石探测器，准确采集到相关信号。之后，采用原始数据的投影模式进行运算以及用于能谱成像的重建/后处理引擎与GSI浏览器，就能够生成40-140keV下任一keV的单能量图像，除了图像噪声外，图像的性质基本上与单一keV扫描获得的图像相类似。这种单能光下的CT值相对于混合能量下的CT值更能准确的反应物质的X线吸收特性[8]。

图1 50keV单能量CT值及120kVp混合能量CT值柱状图比较；图2 该枚结石为胱氨酸结石，120kVp混合能量CT值为510.09HU,单能量（40keV-140keV，间隔5keV）CT值分别为：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。

实验中为确保上述指标测量及计算的准确性，我们根据文献报道选取结石最大径层面，感兴趣区（ROI）面积为最大径层面面积的1/2-2/3，层厚选取1.25mm[1,7,9]。从实验中通过测量120kVp混合能量CT值（表1）可以初步区分含钙结石与不含钙类结石，但UA-CYS组CT值无法区分；COM-DAH组CT值也无法区分。这是由于常规CT对结石成分的鉴别主要依靠混合能量CT值，但不同的物质可能有相同的CT值，某一CT值并不是某种物质的特异性数值，且常规混合能量CT值受X线硬化效应、X线散射、部分容积效应及重建矩阵等因素影响，得到的CT值不准确，因此仅依靠常规混合能量CT值，上述五类结石不能完全区分。

本实验中我们间隔5keV从40-140keV单能量图依次获得，相同keV下测量出5种成分结石UA、STR、CYS、DAH及COM的CT值,然后组间进行统计学单因素方差分析，得出单一成分的上述5类结石的单能量CT值差异有统计学意义（P＜0.05），具有区分结石成分的价值。50keV时上述5种成分结石可以通过其单能量CT区分开（表1）。40keV及45keV能区分出尿酸结石与非尿酸结石。50keV单能量CT值及120kVp混合能量CT值柱状图比较（图1）均可得出50keV单能量CT值与120kVp混合能量CT值相比，五组结石间CT值差距在50keV单能量时明显增大，这是因为能谱CT能使同一物质在不同能量X线下表现出不同的密度特征，同时也使不同物质的差别在相同能量X线表现出更大的差别程度。不同物质对于不同能量的X线的吸收特征是不同的，低能量范围内的图像对比度较高，但噪声也会随之增高；而高能量图像虽然对比度较低，但噪声也会随之减低。因此我们通过合适的单能量，优化图像，利用能谱技术，宝石能谱CT实现了40keV-140keV的范围内任意能量点的单能量图像的提取，可将众多单能图像进行连续分析，并通过优化病灶与背景（本底）的对比度和减少硬化伪影，改善图像质量。

本实验研究表明，能谱CT在区分尿酸结石，六水磷酸铵镁结石，胱氨酸结石，碳酸磷灰石结石，一水草酸钙结石有明显的优势，利用50keV单能图像上测量CT值可以明确区分单一成分结石，利用40keV及45keV可以区分出单一成分的尿酸类结石及非尿酸类结石。

该实验研究有下列局限性：（1）本组实验中结石数目偏少，特别是胱氨酸及尿酸类结石的样本量较小，这与它们的实际发生率较小有关，下一步需要扩大样本进行实验研究。（2）该研究为体外实验研究与体内复杂的内环境有所差异，上述5组分类结石活体内是否有统计学差异，还需下一步临床分析研究。

总之，能谱CT为肾结石成分的分析提供了新的工具与思路，宝石能谱单能量45keV及50keV为单一成分肾结石区分的最佳keV，与120kVp混合能量相比，单能量CT值可以区分出体外尿酸类结石、六水磷酸铵镁结石、胱氨酸结石、碳酸磷灰石结石及一水草酸钙结石。为活体内进行结石成分的分析提供了可能，有较大的临床应用价值，为进一步研究结石的成因、预防和治疗提供影像学依据。

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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，医学影像学专业，医师，主要研究方向为泌尿系统影像学

余永强 王明明

2011-04-04