双能量CT后处理单能谱模式有效识别肾周脂肪粘连及全息可视化三维成像研究

李冠，梁泉，曹志强，卢光明，董杰

(1.东部战区总医院 放射诊断科，江苏 南京 210002； 2.中国医科大学附属盛京医院 泌尿外科，辽宁 沈阳 110004；3.东部战区总医院 泌尿外科，江苏 南京 210002)

近日，随着元宇宙一词的提出，作为下一代互联网移动计算平台，势必影响着人们的生活和思维方式。虚拟现实、增强现实及混合现实技术将成为未来新一代互联网的媒介。全息可视化三维(Visual 3D, V3D)技术是实现3D打印、虚拟现实、增强现实及混合现实技术的成像基础，V3D建模质量的好坏直接影响着新型可视化技术的质量[1-4]。在泌尿外科领域，V3D技术可较好地显示肾肿瘤大小、形态、位置及周围组织结构关系，并显著提高保留肾单位手术(nephron sparing surgery, NSS)的成功率[5-6]。当今“精准手术”已成为外科追寻的热点，如何通过V3D技术反映出肾肿瘤周围脂肪的情况，对于提高NSS的成功率具有重要意义。当发生肾周脂肪粘连(adherent perinephric fat, APF)时，可导致NSS的难度加大，手术时间延长，发生出血、肾纤维膜撕裂的概率增加，甚至被迫中转为肾根治性切除术(radical nephrectomy, RN)[7]。

关于APF的发生机制尚不明确，可认为是由肾周脂肪细胞引起的慢性炎症反应，进而导致炎性纤维组织增生、粘连和脂肪性质的改变[8-9]。在CT图像上，APF表现为肾周脂肪囊内出现相应的线性衰减区，即肾周脂肪密度增高、出现不同程度的脂肪渲染区和粗细、多少不等的纤维条索。本研究采用双能量CT(dual energy CT，DECT)后处理功能“单能谱(monoenergeticplus, Mono+)模式”，实现对APF的有效识别，并利用V3D技术对肾肿瘤及APF情况进行展示，从而探究个体化肾肿瘤V3D技术在肾癌行NSS中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究经东部战区总医院伦理委员会批准，所有患者在检查前均知情同意。前瞻性收集东部战区总医院泌尿外科2020年2月至2021年12月间成功收治并拟行NSS的T1期(RENAL评分≥7分)[10]肾癌患者60例，随机分为V3D组(组A，n=30)和CT图像组(组B，n=30)，其中男45例，女15例，年龄33～85岁，平均(60.3±11.4)岁。所有入组患者术前均行DECT肾脏三期增强检查；所有手术均由同一组两名高年资医师(年完成NSS≥200例)共同实施。术中若无法成功实施NSS的，则中转为RN。

1.2 DECT扫描条件及重建

采用西门子二代DECT(SOMATOM Definition Flash; Siemens Healthcare, Germany)进行肾脏三期增强扫描。所有数据采集时开启实时动态曝光剂量调节(CARE Dose 4D; Siemens Healthcare)；扫描参数如下：A球管电压100 kV，有效电流149 mAs；B球管电压Sn 140 kV，有效电流117 mAs；螺距0.55；原始卷积核B31f，DE composition=0.5(按照50% 140 kV的数据与50% 100 kV的数据比率，经计算后融合成相当于120 kV的图像)；管球转速0.5 s·圈-1；螺距为1.2；准直64×0.6 mm；FOV：260 mm；层厚和层间距5 mm。采用双筒高压注射器(Urich, Medical, USA)，自肘前静脉注射非离子型对比剂碘佛醇(ioversol, 300 mgI·ml-1, GE Healthcare)，注射速率为4 ml·s-1，剂量为1.5 ml·kg-1，总量60～80 ml，然后以相同速率注射生理盐水40 ml进行冲管。应用对比剂团注追踪软件(bolus tracking)，感兴趣区(region of interest, ROI)置于腹主动脉肾动脉分支层面，当阈值达到100 HU时延迟7 s行肾动脉期扫描，随后延迟40 s和5 min完成肾静脉期和延迟期扫描。所有图像均采用层厚0.75 mm，层间隔0.5 mm，以及Q30f核的方法完成重建。

1.3 DECT后处理功能Mono+模式分析

将组A行DECT后的肾静脉期CT DICOM数据传至DECT后处理工作站(Syngo.via Dual Energy workflow, version VB10; Siemens Healthcare, Germany)，选取Mono+模式对肾周脂肪区域进行感兴趣区(region of interest,ROI)测量，根据曲线斜率计算公式K=|HU40 keV-HU110 keV|/110 keV-40 keV，计算不同ROI的曲线斜率。ROI的测量由两名医师(一名工作10年的放射科医师，一名工作20年的泌尿外科医师)共同完成，并对测量结果求得均数±标准差。而组B按常规的二维图像进行厚层和薄层的打片处理。

1.4 ROI的选取标准

Mono+模式下ROI的选取及测量：(1) ROI1：选取肾肿瘤周围肾周脂肪出现渲染(即肾周脂肪密度增高、不均匀)、纤维条索显著之处，求得两名医生分别测算的K值平均值；(2) ROI2：选取另一侧(健侧)肾周脂肪处，如有渲染、纤维条索处则优先选取；(3) ROI3：选取腹壁皮下脂肪处；(4) ROI测取的面积为0.5 cm2；(5) 保证ROI的大小、形态及测取成分单一(即避免选取肿瘤、肾脏及再生血管成分)；(6) 根据本课题组前期研究结果，定义K值≥-0.95为APF发生[11]。

1.5 全息V3D建模

将组A所有患者静脉期DICOM数据分别导入VISUAL 3D (V3D, Co., Ltd., Beijing, China)建模软件，根据不同组织的HU值不同来定义不同组织的HU阈值，从而实现对不同组织的自动识别、有效分割；通过手动去除所有不相干或与主体结构不相连的组织结构，仅保留肾脏、肾肿瘤、肾动脉、肾静脉及APF等组织结构，并选用不同颜色加以区分标记，分别进行膨胀和腐蚀功能对靶器官进行平滑，并分别保存为立体光刻(STereoLithography, STL)格式文件。将各个靶物质的STL文件导入V3D场景展示模块，对各靶物质的透明度、颜色及面片数量进行有效调节，并实现360度无死角检测V3D建模结果质量，并保存为Visual 3D文件。

1.6 病理学分析

术后病理进一步验证APF的发生，将肿瘤及连带肾周脂肪组织一同进行病理学分析。将标本分别进行福尔马林固定、脱水、石蜡包埋，并按4 mm的层厚进行切片，完成常规的HE染色；选用荧光生物显微镜(OLYMPUS BX43)进行观测。

1.7 统计学处理

采用IBM SPSS(version 22.0.0,Armonk, New York)统计软件进行统计学分析。计数资料采用例数和百分比表示，计量资料采用均数±标准差表示。计数资料采用χ2检验，等级资料采用Wilcoxon检验。患者的年龄、身高、体重、身体质量指数(body mass index，BMI)、手术时间、热缺血时间、估计失血量、住院时间及手术并发症均采用Student’st检验。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 一般资料对比

比较组A、组B一般人口学资料显示，两组间患者的年龄、性别、身高、体重及BMI差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1。

表1 两组一般资料对比结果Tab 1 Comparison results of general data between the two groups

2.2 DECT后处理Mono+模式分析结果

选用DECT后处理的Mono+模式进行ROI的测取，测取3次求得K值平均值，K值的临界值为-0.95，K值≥-0.95为APF发生，K值<-0.95为无APF发生(图1)。

A.原始DICOM图像进行ROI测取；B.ROI对应曲线走形结果图；12为ROI1(APF)，K值为-0.03；11为ROI2(健侧肾周脂肪)，K值为-1.10；10为ROI3(腹壁皮下脂肪)，K值为-1.36图1 Mono+模式ROI的测取及曲线情况A.ROIs measurement of original DICOM image; B.ROIs curve walking result diagram; 12: ROI1 (APF), K value is-0.03; 11: ROI2 (contralateral perirenal fat), K value is-1.10; 10: ROI3 (abdominal subcutaneous fat), K value is-1.36Fig 1 Measurement and curve of ROI in Mono+mode

2.3 肾肿瘤及APF V3D建模结果

将组A中经Mono+模式判断为APF发生的患者进行V3D建模，仅保留肾脏、肾肿瘤、APF区域、动脉及静脉，去除不相干的组织和结构，并进行颜色、明暗度、透明度、清晰度及对比度调节，以实现最佳显像效果；同时对V3D建模结果进行全方位、全角度观察，实现移动、旋转、缩放、拆分、隐藏及远近调节等功能展示，并将最终结果保存为STL文件，V3D建模结果可较好显示肾肿瘤大小、形态、位置、肿瘤与供血动脉的关系及肿瘤与APF的关系。见图2、3。

A、B.男，56岁，左肾占位，经DECT Mono+模式判断为APF发生。红框为APF图2 原始CT DICOM图像A-B.Male, 65 years old, left kidney space occupying, judged as APF by DECT Mono+mode. Red box: APFFig 2 Original CT DICOM image

男，56岁，A1～3多角度展示肾肿瘤、肾脏及肾动脉解剖关系；B1～3多角度展示APF、肾肿瘤、肾脏及肾动脉解剖关系；绿色：肾肿瘤；红色：血管；橙色：肾脏；黄色：APF区域图3 肾肿瘤及APF多角度展示V3D建模结果Male, 56 years old, A1-3: multi angle display of the anatomical relationship between renal tumor, kidney and renal artery; B1-3: multi angle display of the anatomical relationship between APF, renal tumor, kidney and renal artery; green: renal tumor; red: blood vessel; orange: kidney; yellow: APF areaFig 3 Renal tumor and APF multi angle display of V3D modeling results

2.4 手术结果

60例手术均成功实施，无中转开放。经后腹腔途径57例，经腹腔途径3例，其中组A行NSS共计14例，RN共计16例；组B行NSS共计8例，RN共计22例；术后病理结果显示，组A中透明细胞癌19例，嗜酸细胞瘤3例，乳头状肾细胞癌5例，低度恶性潜能多房囊性肾细胞性肿瘤2例及Xp11转位性肾细胞癌1例；组B中透明细胞癌20例，嗜酸细胞瘤2例，乳头状肾细胞癌4例，低度恶性潜能多房囊性肾细胞性肿瘤2例及Xp11转位性肾细胞癌2例。见表2。

表2 两组手术结果比较 例Tab 2 Comparison of surgical results between the two groups cases

2.5 APF病理结果分析

镜下HE染色(×100)所示，APF可见再生毛细血管、血管内伴充血，少量淋巴细胞浸润及不同程度的纤维组织；而无APF仅见正常的脂肪细胞。见图4。

A.APF大体肉眼观；B.APF镜下观；C.正常脂肪组织镜下观图4 肾周脂肪大体及镜下结果A.APF macroscopically; B.APF microscopically; C.Normal adipose tissue microscopicallyFig 4 Macroscopic and microscopic results of perirenal fat

2.6 围手术期结果

比较组A与组B围手术期指标，结果显示组A较组B在手术时间、热缺血时间及估计失血量上均显著减少(均P<0.05)，而两组的其它围手术期指标(住院时间、手术并发症)比较差异均无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 两组围手术期结果比较Tab 3 Comparison of perioperative results between the two groups

3 讨 论

V3D技术在临床中的应用价值日益得到肯定，在医生全面评估病情、制定手术方案、术中导航及医患沟通方面具有绝对优势[5]。目前，关于肾肿瘤V3D成像通常包括肾肿瘤、肾脏、肾血管及集合系统，尚缺少对肾周脂肪组织的V3D成像，当肾周脂肪发生粘连时，可直接影响NSS的成功与否。以往人们对APF的判定不足，常导致手术时间翻倍延长、术中出血量增多、并发症激增，甚至被迫中转手术方案，给手术医生带来一定的困扰。本研究在常规肾肿瘤V3D成像基础上，首次对APF区域进行V3D成像，使得V3D成像更接近患者真实体内情况，为手术医生提供更多有价值的信息。

肾周脂肪粘连英文可表示为“APF(adherent perinephric fat)”或“PSF(perinephric sticky fat)”，该名词最早出现在Choyke等[11]于2001年发表的一篇论著中；直到2014年，由Davidiuk等[12]首次提出了基于影像学(即CT图像上)判定APF发生的MAP(mayo adhesive probability)评分体系，该评分体系对肾周脂肪发生粘连的类型加以界定。目前，关于APF的发生机制尚不明确。有研究报道，可能与“炎性微环境、代谢综合征(metabolic syndrome，MetS)、自身免疫反应及特发性纤维化”等机制相关，由于慢性炎症系统的激活，可导致内皮细胞分泌多种细胞因子、趋化因子和纤溶酶原激活物抑制剂1(PAI-1)，使纤维蛋白溶解活性降低，导致肾周脂肪跟肾纤维膜之间发生纤维粘连[13-14]。

本研究采用DECT的后处理功能Mono+模式对APF进行有效识别，通过V3D建模软件对APF区域进行CT阈值设定，从而实现自动识别、自动分割该区域，使实现APF区域的V3D成像成为可能。此外，本研究将V3D技术与传统CT图像在NSS手术中的临床应用价值进行客观比较，结果证实V3D技术较传统CT图像可显著缩短手术时间、热缺血时间及减少估计失血量，并显著提高NSS的成功率。Mono+模式的原理是根据不同物质对X线吸收衰减程度不同而产生特异的能谱曲线，由于不同物质的化学分子结构不同，每一种物质都有其对应的能谱曲线，因此能谱曲线可用于鉴别不同化学构成的物质[15]。而对于能谱曲线差异的分析主要是通过曲线的走形和斜率(K)来完成的。本课题组前期研究结果证实，Mono+模式下选用参数K(最佳截断点为-0.95，<-0.95为APF)可有效判断APF的发生，且灵敏性、特异性及准确性可达到92%、93%和92%[16]。因此，本研究通过采用DECT后处理Mono+模式对APF进行有效的识别，并通过V3D技术对APF的情况进行展示，为手术医生提供新的手段和方法。

本研究尚存在一定不足:(1) 研究的样本量相对较少，研究结果仍需更大的数据进一步验证；(2) 目前关于APF的发生判定主要依靠手术医生的术中所见及术后病理来证实的，尚缺乏判定APF严重程度的金标准，对于APF严重程度的判定仍需进一步研究、论证；(3) 尚缺少与其它厂家的DECT进行比较，对于在外院已接受CT检查的患者，再次进行DECT检查有一定的局限性；(4) 当肾肿瘤瘤体过大时，造成肾周脂肪完全或近乎完全被肾肿瘤占据，则很难进行ROI的测取，可造成一定假阴性结果。这些不足将在今后的研究中进一步论证。