CT三维纹理分析对输尿管结石激光碎石术疗效的预测

王蕊 毛崇文 李松 尤梦晶 苏云杉

目前，临床治疗尿路结石常用体外冲击波碎石术、气压弹道碎石术以及钬激光碎石术（1aser lithotripsy，LL）3 种方法[1]。其中，LL 治疗输尿管结石更为安全、高效，是理想的手术方法，但在实际工作中为了保护输尿管常需限制激光阈值，不能一次性完全击碎目标结石，因此探究一种能于术前对目标结石行定量参数分析以客观预测手术疗效的方法极为重要[2-3]。无创性纹理分析技术能对目标图像进行分割、分类及量化，从而获得基于病灶形态、大小、密度/信号特点以及与邻近组织关系等影像基本信息之外的纹理信息[4]，进而反映疾病的定性诊断、治疗疗效和结局转归等。目前国内外报道诊断尿石症多采用二维纹理分析，本研究基于常用的CT平扫影像方法，应用三维纹理分析预判LL的疗效，以期为临床选择手术方式提供指导。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性纳入云南省第二人民医院2016年1月—2018年9月经CT诊断并行LL治疗的连续输尿管结石病人72例（共80颗结石），其中男59例，女13例，年龄17～76岁，平均 （45.99±13.23）岁。根据术中结石碎裂情况或拔除双J管后1周内X线或CT复查结果，将病人分为2组：①完全击碎组病人48例（53颗结石），术中顺利将目标结石完全击碎，且术后影像复查未见明确结石影像者；②非完全击碎组病人24例（27颗结石），目标结石在术中经过一次或多次击打后上移至该侧肾盂，或仅部分碎裂且术后影像复查仍可见输尿管残石。纳入标准：①LL术前CT及术后1周X线或CT影像资料完整；②不同时合并肾和膀胱结石，或同时合并但在LL术中仅处理了目标输尿管结石。排除标准：①影像资料质量欠佳；②手术记录不完整；③既往有其他结石治疗史，如药物干预、体外振波碎石术等。

1.2 设备与方法 采用日本Canon 640层Aquilion One CT设备扫描。病人检查前空腹8 h，于检查前饮水500～1 000 mL以充盈膀胱。病人仰卧于检查台，双上肢置于头部两侧，深吸气后一次闭气完成扫描，扫描范围自肾上极到耻骨联合。扫描参数：管电压120 kV，自动管电流[自动曝光量控制（AEC）参考影像设置：控制层厚5 mm，SD值7.5]，旋转时间0.5 s/r，采集矩阵 512×512，视野（FOV）45 cm×45 cm，准直器宽度80×0.5 mm，螺距0.863。采用软组织函数重建，重建层厚及层间距均为2 mm。复查泌尿系X线平片无特定扫描设备及参数要求。

1.3 LL术及影像学复查 LL术中未使用结石封堵导丝，在安全能量范围内尽可能使用低能碎石，直到目标结石完全击碎；若击打过程中发现结石上移至该侧肾盂则放弃击打并记录。采用取石钳取出输尿管内非粉末化碎石，随后置入双J管。于拔除双J管后1周内行CT或X线平片复查。

1.4 CT值测量 2名影像诊断医师（1名工作经验10年的副主任医师，1名工作5年的住院医师）在影像归档和通讯系统（PACS）工作站观察CT平扫影像，选取目标结石最大层面，测量并记录其CT值，测量区域在不超过结石边界的前提下尽可能大。

1.5 三维纹理分析 采用MaZda纹理分析软件（版本4.6，波兰科技大学开发[5]）分析所有受试者的CT平扫影像。在二维横断面多层影像（≥2层）上连续手动勾画ROI，尽可能包括全部输尿管结石，最后将多个层面融合生成三维ROI（图1）。由2名影像诊断医师对每个三维ROI进行纹理分析，提取包括三维形状特征、直方图特征与游程长矩阵特征在内的15项参数：①形状特征，即体积；②直方图特征，包括均值、方差、偏度、峰度以及反映影像直方图归一化的第1百分位数 （perc.01%）、第10百分位数（perc.10%）、第 50百分位数（perc.50%）、第 90百分位数（perc.90%）和第99百分位数(perc.99%)进程参数；③Z轴游程长矩阵特征，包括游程不均匀性、灰度不均匀性、长游程增强、短游程增强及行程比。计算2名医师所测参数的平均值。

图1 输尿管结石病人，男，46岁。平扫CT三维ROI提取影像。A图，未勾画ROI的三维影像；B图，已勾画ROI的单层二维影像；C图，三维影像上勾画的ROI。

1.6 统计学分析 采用MedCalc15.6.1统计软件对数据进行分析。符合正态分布的计量资料用均数±标准差（x±s）表示，2组间比较采用独立样本t检验；非正态分布的计量资料以中位数 （四分位距）[M（P25，P75）]表示，2 组间比较采用 Mann-Whitney U 检验。计数资料以例（%）表示，2组间比较采用χ2检验。对2组间差异有统计学意义的参数建立受试者操作特征 （ROC）曲线，并计算ROC曲线下面积（AUC），0.5＜AUC＜0.7 为诊断效能一般，0.7≤AUC≤0.9为诊断效能较好，AUC＞0.9为诊断效能显著。根据最大约登指数 （约登指数=敏感度+特异度-1）确定阈值，评价所有参数对鉴别完全击碎组与非完全击碎组的特异度与敏感度。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2组病人一般资料比较 2组病人性别、年龄差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。

2.2 2组结石CT值及各三维纹理特征参数比较 非完全击碎组的CT值、体积、直方图方差、Z轴游程不均匀性及Z轴灰度不均匀性均高于完全击碎组，而直方图偏度、峰度低于完全击碎组（均P＜0.05）。2组间其余参数差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表2。

2.3 ROC曲线分析 灰度不均匀性的AUC值最大，直方图偏度的AUC值最小，CT值和6项纹理参数的诊断效能均较好 （AUC：0.734～0.851）；CT 值和直方图方差的敏感度最高，直方图偏度和峰度的敏感度最低；直方图峰度的特异度最高，CT值的特异度最低。体积、Z轴游程不均匀性、Z轴灰度不均匀性的AUC值大于CT值的。详见图2、表3。

表1 2组病人一般资料比较

3 讨论

输尿管结石是目前泌尿外科常见疾病之一，早期诊断及治疗对提高病人生活质量尤为重要，LL已成为目前治疗输尿管结石首选方式之一[2]。在临床上基于对患侧输尿管保护及受激光碎石能量限制，在术中往往不能一次性完全碎石，术后定期行影像学复查可见残留结石，故需后期结合其他手术治疗[3]。因此，术前对输尿管结石病人的目标结石进行较为敏感的定量化参数分析，以客观预估其是否能一次性完全碎石尤显重要。

3.1 临床特点 本研究中完全和非完全击碎2组病人的平均年龄和性别差异无统计学意义，可基本排除年龄、性别因素对预判LL疗效的影响。但各组内男性占比（分别为81.25%、83.33%）均高于女性（分别为18.75%、16.67%），表明男性比女性更易患输尿管结石病。Maalouf等[6]研究表明雌激素可增加尿液中枸橼酸盐含量，利于减少尿钙、尿酸及草酸盐排泄，亦可减弱胰岛素抵抗，抑制结石形成，使女性较不易患尿石症，本研究数据与之相符。

3.2 三维纹理参数分析 纹理分析是一种通过提取图像ROI的纹理特征参数来获取定量或定性信息的图像处理技术[7]。相对于传统的二维纹理分析，三维纹理分析能提供更为丰富的图像特征信息[8]。MaZda纹理分析软件具有应用广泛、数据稳定、可重复性更好等特点，且勾画三维ROI功能也较突出，优于目前已发布的其他软件。因此，本研究应用该软件对目标结石影像进行分析，通过形状特征、直方图及游程长矩阵特征三类分析方法提取CT影像纹理特征，旨在通过敏感的定量化参数差异客观预测LL疗效。

表2 2组输尿管结石CT值及各纹理参数比较

图2 CT值及纹理参数预测结石易碎性的ROC曲线

形状特征是描述ROI大小以及ROI与球体相似程度的特征，本研究中仅对体积特征进行分析，结果显示非完全击碎组较完全击碎组的目标结石体积更大，因为体积大的结石完全击碎时消耗的能量更多，因而也更难击碎。直方图特征即一阶直方图特征分析，可描述与ROI内体素强度分布有关的特征，本研究分别提取结石的直方图均值、方差、偏度、峰度及一系列用于反映图像直方图归一化的进程百分位数，结果显示非完全击碎组的方差较完全击碎组大，偏度及峰度较完全击碎组小。方差反映直方图的稳定性，非完全击碎组中该值较大，即结石纹理稳定性越高越不易被击碎。偏度反映围绕平均值的不对称程度，非完全击碎组中该值较小，即结石纹理特征越对称越不易被击碎。而峰度可反映结石内不同密度组分异质性，若峰度值越大，说明结石内纹理异质性越大，本研究中非完全击碎组该值较小，其异质性较小，样本结石内部纹理较均匀，因此更难被击碎。Xun等[11]对行体外震波碎石术病人输尿管结石易碎性的研究表明，同时满足峰度＜-0.95且CT值＞857 HU的结石较难击碎，本研究结果与其相符。游程长矩阵特征即二阶直方图或纹理特征分析，可描述体素空间分布强度等级特征，是对在某特定方向上相邻且具有相同灰度或同在某一灰度范围中的像素个数的高阶统计[9]。Xu等[10]研究表明，游程长矩阵特征中的Z轴矩阵代表层与层之间的信息。因此，本研究选取Z方向为每层ROI平面的垂直方向提取相应参数，结果表明非完全击碎组的Z轴游程不均匀性、Z轴灰度不均匀性均大于完全击碎组。Z轴游程不均匀性，可描述图像游程长度相似性，若结石内图像游程长度较为相似，则该值较小，即结石纹理均匀，本研究显示非完全击碎组该值较大，表明其结石内图像游程长度相似性较小，结石纹理较完全击碎组更不均匀。Z轴灰度不均匀性，可描述结石内灰度相似性，若结石内某种灰度出现较少，则该值较小，即结石内灰度分布越不均匀，本研究结果显示非完全击碎组该值较大，表明其结石内某种灰度出现较多，图像灰度分布较完全击碎组更均匀。

表3 CT值及纹理参数预测结石易碎性的诊断效能

3.3 不同纹理参数的诊断效能 本研究中CT值以及体积、直方图方差、偏度、峰度、Z轴游程不均匀性、Z轴灰度不均匀性6项纹理参数的AUC值均在0.7～0.9范围内，诊断效能均较好。其中灰度不均匀性的诊断效能最高，表明结石图像中的灰度相似性可最大程度影响碎石疗效；而直方图偏度所对应的结石纹理特征不对称性的影响作用相对较小。CT值和直方图方差对预判LL疗效的敏感度最高，可能与结石内部构成成分的密度特征及纹理稳定性有关。而直方图峰度的特异度最高，亦可反映结石内不同密度组分的异质性很大程度有助于减少LL结果错误预判的概率。

结石CT值是既往临床常用来预估目标结石易碎性的指标，本研究结果显示，非完全击碎组的CT值高于完全击碎组，表明CT值较大的目标结石不易被完全击碎。Gupta等[12]研究表明以CT值750 HU为临界值，结石CT值较小者易碎，本研究结果与其基本相符；而El-Assmy等[13]及Cui等[14]的研究表明CT值不可预测碎石术的疗效，与本研究结果相悖。因此，CT值作为临床预估结石易碎性的指标具有不稳定性，可能与CT值的测量易受扫描设备及参数的影响以及CT值不能具体反映结石内部高低密度组分分布情况等因素有关。本研究还发现，体积、Z轴游程不均匀性、Z轴灰度不均匀性3项三维纹理分析参数的AUC值均较CT值高，表明3项三维纹理参数较CT值对预测LL疗效更具价值。Caramella等[15]研究还表明上述3项纹理指标在CT纹理参数基础研究中均具有较强抗CT噪声影响能力。综上，部分三维纹理分析参数较CT值对预判目标结石易碎性更具价值，可作为客观量化其是否能完全击碎的预测指标。

3.4 局限性 本研究尚存在一定局限性：①本研究为单中心回顾性研究，样本量较小，需在后续工作中通过多中心大样本得到进一步验证；②研究未对结石具体成分信息分析，由于目前常用的红外线光谱结石分析仪仅能确定结石的成分类别，而未能精确于某种成分具体总含量、比率或结构情况，今后可以进一步选择更高级、全面的结石成分分析仪以完善分析内容。

3.5 小结 本研究应用三维纹理分析对行激光碎石术的输尿管结石病人的非增强CT影像进行纹理特征参数提取，结果显示体积、直方图方差、直方图偏度、直方图峰度、Z轴游程不均匀性、Z轴灰度不均匀性6项参数在完全与非完全击碎组间存在显著差异，其中体积、Z轴游程不均匀性和Z轴灰度不均匀性的预测价值大于既往常用指标CT值。由此可见，三维纹理分析参数有助于术前客观预测输尿管结石激光碎石术的疗效。