CT值联合纹理分析预测钬激光碎石术疗效的初步研究

岳钰峰， 李谋， 魏毅， 黄子星， 宋彬

泌尿系结石病(urinary lithiasis)简称尿石病，是最常见的泌尿外科疾病之一，其发病率逐年上升[1]。其形成机制尚未完全明了，目前认为尿液中成石物质浓度过高所致的尿液过饱和是结石形成的重要原因。尿石病的治疗方式主要包括药物治疗及外科手术治疗。自从钬激光首次成功用于治疗泌尿系结石以来，这一技术受到了越来越多的关注和使用。由于其经人体自然腔道取石，创伤小，精确性和安全性高，并且碎石效果优异，目前输尿管软镜钬激光碎石术(holmium laser lithotripsy)已成为临床最常用的结石治疗手段之一[2]。

图1 术后结石排净组病例。a)CT上提取纹理特征的ROI；b)复查平片示右肾区未见确切结石影。 图2 术后结石残留组病例。a)CT上提取纹理特征的ROI；b)复查平片上见残留结石(箭)。

影像学检查是确诊泌尿系结石的主要方法。CT检查由于其发现结石的敏感度高，常被用于尿石病患者的术前检查[3]。目前已有多项研究表明CT值可初步预测体外冲击波碎石的疗效[4-5]。然而，对于CT值能否预测钬激光碎石术的疗效，相关文献报道较少且结论存在一定差异[6-7]。

近年来，关于CT图像纹理分析的研究大量出现。纹理分析(texture analysis)是对图像像素灰度值的局部特征、像素灰度值变化规律及其分布模式进行研究[8]，通过将纹理特征量化，可为相应疾病的诊断及治疗提供新的思路[9]。因此，本研究旨在探讨联合应用CT值与纹理分析预测钬激光碎石术疗效的可行性。

材料与方法

1.研究对象

回顾性纳入四川大学华西医院2012年2月-2015年11月收治的肾结石患者。纳入标准：①单发肾结石；②结石最大直径大于5 mm；③经钬激光碎石术治疗；④可获取术前平扫CT图像、术后4周的泌尿系平片。排除标准：①患侧严重的肾积水；②以输尿管结石为主或多发肾结石；③已接受除钬激光碎石术之外的其他治疗。将符合纳入标准的患者，按训练组：验证组=7：3的比例进行随机(随机数字法)分配。共纳入128例患者，其中训练组91例，验证组共37例。

2.检查方法

采用Siemens Somatom Definition FLASH CT扫描仪，扫描参数：管电压120～140 kV，管电流210 mA，扫描层厚2 mm，窗宽200 HU，窗位40 HU，螺距4，矩阵512×512。复查泌尿系平片无特定扫描机型及参数要求。使用RadiAnt软件(4.6.9版本)打开DICOM格式的CT图像，并测量结石平均CT值及最大直径。

3.纹理分析

从CT图像上以BMP格式截取肾结石最大截面的图像，利用MaZda 4.6[10]手动勾画兴趣区(ROI)，ROI尽量于结石边缘1 mm内勾画(图1)。从灰度直方图、共生矩阵、游程矩阵、绝对梯度、自回归模型和小波变换中提取约300个纹理特征。

利用MaZda软件中的费希尔(Fisher)参数法、最小分类误差与最小平均相关系数法对前面提取出的纹理特征参数进行筛选，按给定的数学标准(如Fisher参数)[10]选择出12个最佳纹理特征。利用MaZda软件B11模块提供的线性判别分析法(LDA)计算训练组最佳鉴别特征(most discriminative feature，MDF)值；之后在验证组中应用相同的纹理特征，通过LDA法计算出验证组MDF值。计算公式如下：MDFi=[MDFi1,MDFi2,...,mdfiNq]=qi=[qi1,qi2,...,qiNq],i=1,2,...,M[11]。

4.术后复查

由两位高年资放射科医师对术后4周泌尿系平片进行分析，将患者分为结石排净组和结石残留组，结论不一时，经协商达成一致。结石排净为平片上未见结石影，或残余结石片段小于2 mm[4]，反之则为结石残留。

表1 患者一般基线特征及重要CT特征

注：应用t检验的参数经P-P图检测均符合正态分布；*为Fisher精确概率法。

表3 训练组logistic回归分析

注：回归方程中的常量，系数=-0.891，P=0.003，OR=0.410。

表4 训练组及验证组模型预测术后结石残留的ROC曲线分析结果

注：*与训练组模型比较。

5.统计学方法

采用SPSS 22.0对结石排净组和结石残留组患者基线特征进行比较。其中性别构成采用χ2检验，年龄、CT值、直径采用t检验。应用SPSS 22.0纳入训练组标准化的CT值和MDF进行logistic回归分析，并建立回归模型。logistic回归采用进入法，同时采用Hosmer-Lemeshow检验模型的拟合优度，P<0.05时，表明模型拟合度较差。应用MedCalc软件获取训练组ROC曲线图。在验证组应用回归模型预测结石的治疗效果，与实际治疗效果进行比较[12]，获取验证组ROC曲线图，并评价该模型的应用价值。

结 果

1.研究对象

128例患者中，训练组91例(排净组57例，残留组34例)，验证组37例(排净组23例，残留组14例)。排净组及残留组性别、年龄及单发结石直径差异均无统计学意义，但结石的CT值存在明显差异，结石残留组CT值均高于排净组(P<0.05，表1)。

2.纹理分析

利用MaZda软件共选择出12个纹理特征，其分布频率见表2。应用LDA法融合12个纹理特征，计算出最佳鉴别特征MDF值(图2)。

表2 12个最佳纹理特征的类型分布

通过logistic回归法统合训练组病例的CT值及MDF值，建立如下回归模型：P=1/{1+EXP[-(-0.891+1.804×MDF+0.537×CT值)]}，模型参数见表3。对该回归模型进行Hosmer-Lemeshow检验，P=0.426，表明该模型拟合较好。模型预测训练组和验证组术后结石残留的AUC分别为0.843、0.702(图3～4，表4)。

讨 论

近年来已有研究表明CT值可用于判断泌尿系结石成分，并以此预测体外冲击波碎石术的疗效[4-5,13]。但对于CT值能否预测输尿管软镜钬激光碎石术的疗效，目前研究结论不尽相同。贾晓龙等[6]的研究表明结石CT值是判断其碎石效率的重要指标，即CT值越高碎石效率越低，术后结石残留率也越高。彭毅等[7]则认为CT值对结石术后清除率无显著影响。现有结论的差异表明更多的相关研究仍十分必要。目前作为"影像组学"重要组成部分的纹理分析方法已被广泛应用于多个临床研究[14]，故本研究通过联合CT值及纹理分析的方法，对其预测钬激光碎石术疗效的可行性进行了初步研究。结果表明该方法对于预测钬激光碎石术的疗效有一定价值，CT值和纹理特征均为结石残留的独立预测因素，联合二者建立的回归模型在训练组的AUC为0.843，用于验证组的AUC为0.702。

图3 通过MaZda软件计算出的MDF值，图中1代表排净组，2代表残留组，两者有部分重叠，表示单独应用MDF值鉴别排净组与残留组的效能有限。a)训练组；b)验证组。

图4 a) 训练组，模型、单独应用CT值和纹理特征预测术后结石残留的ROC曲线图； b) 验证组，模型用于预测术后结石残留的ROC曲线图。

近5年来，我国输尿管软镜钬激光碎石术发展迅猛，已成为国内部分医院治疗泌尿系结石的一线方案[15]。该术式经人体自然腔道取石，具有微创、术后并发症少等优势。本研究的结果可帮助临床医生进行术前评估，选择适合接受钬激光碎石术的患者。而对于预期疗效欠佳的患者，可采用经皮肾镜碎石取石术等其他治疗方式[15]或于钬激光碎石术后早期采取增加液体输入量、应用解痉及利尿药物等排石治疗。

本研究通过单因素分析发现年龄与直径不是结石残留的独立预测因素，故仅纳入CT值及MDF值建立二元logistic回归模型，模型拟合较好(P=0.426)。该模型预测结石残留的诊断效能(AUC=0.843)高于单独应用CT值(AUC=0.621，P=0.0002)。这表明单独应用CT值预测钬激光碎石术疗效的诊断效能一般，临床应用受限。本研究中MDF值(AUC=0.830，P=0.3668)是整合了12个纹理特征的最佳鉴别特征，其诊断效能虽低于模型，但两者之间差异无统计学意义，这也表明纹理分析对模型诊断效能的贡献较高。此外，与CT值相比，模型中MDF值OR较高，说明MDF值对于治疗结局的影响更加显著，结合二者AUC的数值差异，可以认为在本研究中纹理特征是更加有效的预测因素。Xun等[4]指出纹理分析可预测体外冲击波碎石的疗效，这与本研究结论类似。从原理上看，CT值代表体素的相对X线衰减度，可一定程度上反映结石的密度与硬度；纹理特征则量化了结石的内部密度分布。总体上CT值较低、异质性较高的结石残留率更低，其可能原因是异质性高的结石含有更多易击碎成分，使得碎石效果更优。

Ito等[16]的研究表明结石数量及位置对治疗结局存在明显的影响；也有研究指出各段输尿管结石的治疗方法及治疗效果均存在一定差异[17]。本研究旨在探讨如何通过术前影像资料特征预测钬激光碎石术的疗效，不讨论结石空间属性(数量、位置)对治疗结局的影响，故选用单发肾结石患者作为研究对象以尽量控制混杂因素。此外，本研究排除了严重肾积水的病例，因为严重肾积水会损害肾功能，随之减少尿液的产生，可能影响结石排净。

但是本研究也存在一些不足：首先，本研究通过术后平片判断有无结石残留，结石排净定义为未见结石或结石小于2 mm。但需要指出的是，平片达不到CT的敏感度[15]，且图像容易受肠道内容物等因素干扰，存在过高估计结石清除率的可能。其次，本研究在肾结石的最大截面手动勾画ROI并提取纹理特征，理论上进行全结石纹理分析可获取最全面的信息，但近年来有研究表明单一层面2D纹理分析相较于3D纹理分析无明显劣势[18]。故考虑到全结石纹理分析的耗时性、复杂性，以及其收益的不确定性，最终决定选取肾结石最大截面进行纹理分析。综上所述，文中所得结论仍需进行多中心、前瞻性相关研究加以验证。

CT值联合纹理分析对于预测输尿管软镜钬激光碎石术后结石是否有残留有一定价值，且随着将来人工智能的发展，有希望应用于临床。