体内泌尿系结石的双源CT双能量成像

张挽时，杨琪放，孟利民，和清，严景民，刘红明

空军总医院 a. CT&MR室；b. 泌尿外科，北京 100142

体内泌尿系结石的双源CT双能量成像

张挽时a，杨琪放a，孟利民a，郭和清b，严景民b，刘红明b

空军总医院 a. CT&MR室；b. 泌尿外科，北京 100142

目的初步探讨双源CT双能量成像区分体内泌尿系结石成分的可行性。方法对64例泌尿系结石患者行双源CT双能量检查，男41例，女23例，年龄20～82岁，平均年龄（53±16）岁。测量计算80 kV和140 kV图像结石的HU差值、HU比值和双能量指数（DEI）。使用双能量软件分析结石成分。收集结石患者治疗后的结石标本进行红外光谱分析，以此结果为标准，运用方差分析比较不同结石之间上述指标的差异，并进行两两比较。软件分析结果与红外光谱分析结果进行比较。结果共收集到55例患者治疗后的体外结石标本。尿酸结石、胱氨酸结石、磷酸镁铵结石、磷酸钙结石、草酸钙结石和混合含钙结石的HU差值分别为18±12、214±21、329±35、360±49、458±97和497±110，HU比值分别为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分别为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，上述指标有统计学差异（F值分别为20.185、121.574、69.480，P＜0.001）。组间两两比较，尿酸结石与其他结石的HU差值、HU比值和DEI有统计学差异（P＜0.05）；胱氨酸结石与其他结石的HU比值和DEI有统计学差异（P＜0.05）；磷酸镁铵结石与草酸钙结石、混合含钙结石的HU差值和DEI有统计学差异(P＜0.05)；胱氨酸结石与草酸钙结石、混合含钙结石的HU差值有统计学差异（P＜0.05）；磷酸钙结石与混合含钙结石的DEI有统计学差异（P＜0.05）；其余组间两两比较无统计学差异（P＞0.05）。与红外光谱分析结果比较，双能量软件正确诊断4例尿酸结石、1例混合尿酸结石、2例胱氨酸结石和11例草酸钙结石；另外，2例磷酸钙结石、29例混合含钙结石、1例尿酸铵和草酸钙混合结石、1例混合尿酸结石和4例磷酸镁铵结石均识别为草酸盐成分。结论DSCT双能量成像分析体内结石成分具有可行性，使用双能量软件可以较好地区分体内的尿酸结石、混合尿酸结石、胱氨酸结石和含钙结石，但区分磷酸镁铵结石以及不同成分的含钙结石尚存在困难。

双源CT；双能量成像；体层摄影术；X线计算机；泌尿系结石；红外光谱学

泌尿系结石是世界范围的常见病和多发病，治疗后易复发。结石的临床治疗方案不但取决于其位置、大小和数量，成分也是一个重要因素。体外冲击波碎石（ESWL）通常是 ＜2 cm 结石的首选治疗方案[1]。尿酸结石可以采用口服碱化尿液的药物治疗，能避免 ESWL 产生的肾出血、纤维化和继发性高血压等并发症[2-3]。而胱氨酸、一水草酸钙结石采用 ESWL 多不易碎，适合内镜碎石。磷酸镁铵、磷酸钙、二水草酸钙结石运用 ESWL 和内镜碎石均易碎。因此，治疗前确定结石成分，有利于医生选择最佳治疗方案，减少患者的痛苦，节省医疗费用。目前，临床上只能通过化学或物理方法分析体外结石标本获知其成分，无法为患者的治疗提供帮助。

本 文 作 者 前 期 研 究 显 示， 双 源 CT（Dual Source CT, DSCT）双能量成像不仅能准确地鉴别尿酸结石与非尿酸结石，并且混合尿酸结石、胱氨酸结石、含钙结石之间可以相互区分[4]。本研究初步探讨了 DSCT 双能量成像分析体内结石成分的可行性。

1 资料与方法

1.1 基本资料

2010 年 5 月 ～2011 年 2 月临床确诊泌尿系结石的患者64 例，男 41 例，女 23 例，年龄 20～82 岁，平均年龄（53±16）岁。排除标准为儿童、孕妇、哺乳期妇女和屏气时间小于10 s的患者。所有患者检查前均签署了知情同意书。

1.2 扫描方法

使 用 的 设 备 为 西 门 子 双 源 CT 机 (Somatom Definition，Siemens Health, Germany)。患者取仰卧位，足先进，先行常规腹部屏气定位相和侧位定位相，然后行双能量模式检查。扫描参数 ：A 球管电压 140 kV、电流 68 mAs，B 球管电压80 kV、电流 374 mAs，螺距 0.7，开启实时动态曝光剂量调节CARE Dose 4D，球管旋转时间 0.5 s，准直 14 层 ×1.2 mm，螺距 0.7，扫描层厚 5 mm，重建层厚 1.5 mm，间距 0.5 mm，卷积函数值 D30f，融合因子选择 0.3 重建融合图像。扫描范围：确诊结石位置者直接对相应部位扫描，不确定位置的扫描范围为肾上极至耻骨联合下缘。

1.3 CT图像分析

图像传送至西门子工作站 (Siemens syngo MMWP VE31A workstation)。使用 Viewing 软件，同时导入 80 kV 和 140 kV重建图像，窗宽 300，窗位 45。选择每名患者最大的一枚结石，取 140 kV 图像结石最大面积的横断面图像，距离结石 边 缘 内约 1 mm 手 工 勾 画 ROI测量 CT 值。ROI自 动 关联到 80 kV 图像的相同位置。测得的 CT 值分别用 HU140kV、HU80kV表 示。融合图像 测量结 石的长 径。计 算 HU 差值、HU 比值和 DE 计算 HU 差值、HU 比值和双能量指数（Dual Energy Index，DEI）。公式如下 ：

测量 CT 值时排除长径＜ 2 mm 的结石，原因是据此计算出的 HU 比值受部分容积效应的影响较严重[7]。

记录 CT 机自动生成的每名患者检查中的 CTDIvol和剂量长度乘积（dose length product，DLP）数值。计算有效辐射剂量（effective dose, ED），公式为 ：ED=DLP×C，C为转换因子，采用欧洲CT质量标准指南定义的腹部转化因子为 0.015。

将 80 kV 和 140 kV 重建图像导入双能量结石分析软件（Kidney Stones）并进行图像分析处理，得到结石的彩色编码图像。由2名有经验的CT诊断医生进行双盲图像分析。分析步骤 ： 使用软件的默认参数，结石被标记红色记为尿酸成分，蓝色记为其他成分。 调节坐标中蓝色实线的斜率（Ratio值），使实线位于胱氨酸与草酸盐之间，如果被蓝色标记的成分变为红色，记为胱氨酸成分，不变记为草酸盐成分。

1.4 红外光谱分析

对结石患者治疗情况进行随访，收集患者CT检查后排出或取出体外的结石标本行红外光谱分析。分析使用结石红外光谱自动分析系统（LIIR-20 型 , 天津蓝莫德公司）。扫描结束后，将结石用生理盐水洗净，自然晾干。取结石样本约 1 mg，与 200～300 mg 烘干的溴化钾粉末混合，在玛瑙研钵内研磨成μm级的细粉，经压片机压制成半透明片，迅速放入红外光谱槽中扫描。通过软件控制，采集样本数据，然后通过傅立叶变换公式计算出透过率，画出红外光谱图。计算机自动检索结石数据库，并与计算后的数据进行比较，产生分析报告。对于混合成分结石，依据各种成分吸收峰的强度确定主要成分和次要成分。

1.5 统计学分析

统计学分析使用 SPSS12.0 统计软件。以红外光谱检测结果为标准对结石分组，使用单因素方差分析比较各组结石长径、HU 差值、HU 比值和 DEI的差异，组间两两比较采用 LSD 检验。以P＜ 0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 CT分析结果

64 例结石中，单独位于左肾 13 例，单独位于右肾 10 例，双肾 11例，左侧输尿管 9例，右侧输尿管 8例，膀胱1例，肾和输尿管并发 11 例，肾、输尿管和膀胱并发 1 例。28 例（43.8%）患者为单发结石，36 例（56.2%）为多发结石。64例患者最大结石的长径为 1.9～41.9 mm（中位数 9.9 mm），1例长径为 1.9 mm 的结石未纳入研究。

双能量结石分析软件自动标记出58例患者的所有结石。6 例患者共计 8 枚结石未自动标记，其中，7 枚长径 1.5～2.9 mm（肾结石 3枚，输尿管结石 3枚，膀胱结石 1枚），1枚长径 4.5 mm（输尿管末段）。减小软件参数中的 Range 值至 4～5，上述结石均能标记。64 例患者的软件分析结果为：4例尿酸结石、1例混合尿酸结石、2例胱氨酸结石、57例含钙结石（图 1）。对于多枚结石的患者，没有发现各枚结石分析结果不一致的情况。

图1 体内结石的双能量软件分析图

注：(a) 左侧输尿管膀胱入口处尿酸结石，红外光谱法结果为无水尿酸；(b) 右肾混合尿酸结石，红外光谱法结果为无水尿酸＞一水草酸钙结石；(c)和(d) 右肾盂胱氨酸结石，红外光谱法结果为L-胱氨酸；(e)和(f) 左输尿管含钙结石，红外光谱法显示成分为一水草酸钙＞碳酸磷灰石。

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

2.2 红外光谱分析结果

经随访，收集到 55例患者的结石标本，其中 9例行ESWL 碎石，46 例行内镜碎石。红外光谱分析显示，20 例为纯成分结石，35例为混合成分结石。双能量软件与红外光谱分析结石成分结果的比较，见表1。双能量软件正确诊断4例尿酸结石、1例混合尿酸结石、2例胱氨酸结石和11 例草酸钙结石，2 例磷酸钙结石、29 例混合含钙结石、1例尿酸铵和草酸钙混合结石、1例混合尿酸结石和4例磷酸镁铵结石诊断结果为草酸盐成分。

将4例尿酸结石、2例胱氨酸结石、4例磷酸镁铵结石、2 例磷酸钙结石、11 例草酸钙结石和 29 例混合含钙结石纳入统计学分析，2例混合尿酸结石（1例尿酸 ＞ 一水草酸钙、1例一水草酸钙＞尿酸）和1例尿酸铵和草酸钙混合结石由于例数少排除统计学分析。各组结石的长径无统计学差异，HU 差值、HU 比值和 DEI有统计学差异（表 2）。注：组间两两比较，尿酸结石与其他结石的HU差值、HU比值和DEI有统计学差异（P＜0．05）；胱氨酸结石与其他结石的HU比值和DEI有统计学差异（P＜0．05）；磷酸镁铵结石与草酸钙结石、混合含钙结石的HU差值和DEI有统计学差异（P＜0．05）；胱氨酸结石与草酸钙结石、混合含钙结石的HU差值有统计学差异（P＜0．05）；磷酸钙结石与混合含钙结石的DEI有统计学差异（P＜0．05）；其余结石组间两两比较均无统计学差异（P＞0．05）。

表1 双能量软件与红外光谱仪分析结石成分的结果比较

表2 体内结石相关参数的比较（）

表2 体内结石相关参数的比较（）

组别 例数(枚) 长径(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磷酸镁铵 4 15．4±7．4329±35 1．49±0．040．089±0．006磷酸钙 2 31．3±6．3360±49 1．50±0．080．095±0．013草酸钙 11 14．4±9．1458±97 1．52±0．050．107±0．011混合含钙 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 讨论

体内结石在 80 kV 和 140 kV 的衰减变化顺序由小至大为：尿酸结石、胱氨酸结石、磷酸镁铵结石、磷酸钙结石、草酸钙结石和混合含钙结石。统计学分析显示，使用HU差值、HU 比值和 DEI可以区分尿酸结石与其他结石，且不存在重叠。HU 比值和 DEI可以区分胱氨酸结石与其他结石。虽然胱氨酸结石与磷酸镁铵结石、磷酸钙结石的HU差值无重叠，但是没有统计学差异，考虑与本研究中这几类结石例数较少有关。与本作者前期体外结石研究结论相比较有相似点，如HU差值不能区分磷酸钙、草酸钙和混合含钙这 3种含钙结石，DEI可以区分磷酸钙结石和混合含钙结石；同时也有不同之处，如HU比值不能区分磷酸钙结石与混合含钙结石，所有参数均无法区分磷酸镁铵结石与磷酸钙结石。本研究还发现，DEI区分的结石种类最多，只有磷酸钙结石与磷酸镁铵结石、草酸钙结石，草酸钙结石与混合含钙结石之间不能区分。HU差值和HU比值可以区分的结石种类，DEI均能区分。因此，笔者认为，DEI对比 HU 差值和 HU 比值能更好地反映体内结石成分之间的差异。

本研究显示，DSCT 双能量结石分析软件能用于区分体内的尿酸结石、混合尿酸结石、胱氨酸结石和含钙结石。这几类结石占本组 55 例有红外光谱分析结果结石的 90.9%（50/55）。本研究共发现 5 例以尿酸为主要成分的结石（4例尿酸，1例尿酸＞草酸钙），通过双能量软件均能快速、准确地与其他结石区分，与本作者前期体外研究结果具有一致性。手工测量这例尿酸＞草酸钙结石的CT值时，由于尿酸成分占结石的大部分，ROI容易只包含其中的尿酸部分，无法反映结石的总体情况，此时使用软件分析优势明显。结石分析软件没能发现1枚草酸钙＞尿酸结石的尿酸成分，测量发现其 HU 比值为 1.51，与含钙结石相近，可能与其中尿酸成分较少有关。红外光谱法可检测出结石中占比＞5%的成分，虽然该软件对结石中少量的尿酸成分无法做出准确预测，不如红外光谱法敏感，但临床上认为只有尿酸为主要成分的结石采用溶石疗法效果才比较好[8]，所以能检出结石中少量的尿酸成分对临床治疗帮助不大。

与本研究相关的体外研究不同的是，磷酸镁铵结石没有误诊为胱氨酸结石的情况，本组4枚磷酸镁铵结石均不能与含钙结石相区分，其HU比值和含钙结石非常接近。含钙结石 (磷酸钙、草酸钙、混合含钙结石 )在本研究中占比约 76.4%，一半以上的结石为草酸钙和磷酸钙的混合结石，纯成分的含钙结石几乎均为草酸钙结石，与国内外报道的发生情况相似。这3种含钙结石在体内的HU差值和HU 比值存在大量的重叠，还不能相互区分，只有 DEI能区分磷酸钙结石与混合含钙结石。本研究显示，磷酸钙结石和草酸钙结石的双能量衰减特性比较接近，与前期体外研究及国外文献报道相符[7-10]。

本研究发现，长径＜ 3 mm 的结石用软件分析需减小Range 值 才 能 标 记。Range 值代表在 单 位 像 素 内 平 滑过滤的范围，软件默认为 7，减小 Range 值能产生更好的空间分辨率，但同时会增加统计误差。国外学者在体外和临床的相关研究认为双能量成像对＜ 3 mm 结石分析的准确性降低[8-11]。Stolzmann[8]等报道结石分析软件对 1 枚 2 mm 结石未能做出标记，原因是其 80 kV 图像的 CT 值为 64 HU，140 kV 图像的 CT 值为 70 HU，而软件默认的分析区间是200～3071 HU。本研究中未能自动标记的结石由于没能收集到标本进行红外光谱分析，因此还无法判断减小 Range 值的分析结果是否可靠。有学者认为＜ 3 mm 结石容易自排，因此，这类结石体内成分分析对治疗的选择意义不太大[12]。

Graser 等[6]报 道 体 内 4 例 尿 酸 结 石、1 例 胱 氨 酸 结 石和 12 例 含 钙 结 石 的 DEI 分 别 为 0.0051±0.0036、0.0762、0.1155±0.0358，本研究得出的 DEI 值与之比较接近。但各种结石的HU比值均比本课题体外研究的结果高，可能与体内环境和结石的大小有关，还有待于进一步论证。本组体内结石明显比体外结石的体积大，结石越大，测量受部分容积效应的影响应该减小。

本研究存在一些不足之处。首先，获得结石标本的病例数有限，除草酸钙结石和混合含钙结石，其他结石的数量较少，这与发生率小有关，因此，统计学分析结果还需要加大样本量或者综合多个研究结果评价。其次，没有评价患者体积对图像质量和结石分析的影响。因 80 kV 图像噪声较大和线束硬化作用，可能会降低肥胖患者结石成分区分的准确性[11]。还有待于下一步补充病例细致研究。

总之，本研究探讨了 DSCT 双能量成像用于体内分析结石成分的价值，初步显示了区分尿酸结石、混合尿酸结石、胱氨酸结石、含钙结石的可行性，有望为结石患者的治疗提供更多CT检查信息。

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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

张挽时，教授，主任医师。

通讯作者邮箱：cjr． zhangwanshi@vip．163．com