1.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科（安徽 合肥 230022）

2.安徽醫(yī)科大學(xué)核醫(yī)學(xué)教研室

3.GE中國(guó)CT影像研究中心

4.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科

李小虎1 劉 斌1 余永強(qiáng)1 王明明2王萬(wàn)勤1 張 帥3 張藝飛4 吳興旺1陳 墾3 周 勇1 王 樂1

能譜CT單能量區(qū)分體外腎結(jié)石成分的初步實(shí)驗(yàn)研究

1.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科（安徽 合肥 230022）

2.安徽醫(yī)科大學(xué)核醫(yī)學(xué)教研室

3.GE中國(guó)CT影像研究中心

4.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科

李小虎1劉 斌1余永強(qiáng)1王明明2王萬(wàn)勤1張 帥3張藝飛4吳興旺1陳 墾3周 勇1王 樂1

目的 采用能譜CT對(duì)體外腎石標(biāo)本進(jìn)行掃描，探討能譜CT單能量與CT常規(guī)120kVp混合能量對(duì)于區(qū)分體外不同成份腎結(jié)石的價(jià)值。方法已知單一成分（尿酸結(jié)石8枚，六水磷酸銨鎂結(jié)石12枚，胱氨酸結(jié)石6枚，碳酸磷灰石結(jié)石10枚，一水草酸鈣結(jié)石30枚）的66枚腎結(jié)石，分別置于豬腎中，每腎上、下腎盞及腎盂各放2枚結(jié)石，并將其浸入水箱中，采用GE寶石CT行GSI（Gemstone Spectral Imaging）掃描及常規(guī)120kVp掃描。測(cè)量計(jì)算GSI圖像的（40keV-140keV，間隔5keV）單能量CT值及120kVp混合能量CT值，并采用方差分析比較各組間結(jié)石CT值的差異。上述結(jié)石分別采用紅外光譜分析儀測(cè)定其成分。結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，120kVp混合能量CT值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F值為52.773，P值=0.000)。組間兩兩比較，一水草酸鈣結(jié)石與碳酸磷灰石結(jié)石(P=0.831)、尿酸類結(jié)石與胱氨酸類結(jié)石混合能量CT值（P=0.411）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其余各組結(jié)石間120kVp混合能量CT值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。各組結(jié)石單能譜（40keV-140keV，間隔5keV）CT值有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F值分別為：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）。組間兩兩比較，上述5組結(jié)石在50keV時(shí)CT值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05）；40keV及45keV能區(qū)分出尿酸結(jié)石與非尿酸結(jié)石。 結(jié)論 寶石能譜單能量低keV(40keV-50keV)CT值可以區(qū)分出尿酸類結(jié)石與非尿酸類結(jié)石。單能量50keV為腎結(jié)石成分分析的最佳keV，與CT常規(guī)120kVp混合能量相比，可以區(qū)分出尿酸結(jié)石、六水磷酸銨鎂結(jié)石、胱氨酸結(jié)石、一水草酸鈣結(jié)石及碳酸磷灰石結(jié)石。

腎結(jié)石；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)，能譜成像

腎結(jié)石是一種常見的泌尿系統(tǒng)疾病，典型癥狀為腎絞痛與血尿，常易造成尿路梗阻或尿路感染，后期導(dǎo)致腎功能破壞，引起尿毒癥而危及生命。結(jié)石成分的判定可以指導(dǎo)臨床選擇合適的治療方法，為病因分析及制定合理的治療方案提供依據(jù)[1、2]，例如六水磷酸銨鎂結(jié)石適合體外沖擊碎石，尿酸結(jié)石可以口服藥物保守治療，外周有致密殼的草酸鈣結(jié)石不宜采用震波碎石[3]，適合腹腔鏡下氣壓彈道碎石。目前結(jié)石成分分析的可靠方法為紅外光譜分析方法、X射線衍射等，但均為體外分析方法，需要結(jié)石排出或取出后方可進(jìn)行，而治療前體內(nèi)分析結(jié)石成分更加符合臨床治療的需求[4]。根據(jù)臨床病史的詢問、尿結(jié)晶、尿PH值等對(duì)結(jié)石成分預(yù)測(cè)有一定價(jià)值，但仍無(wú)法準(zhǔn)確分析[5]。近年來(lái)雙能量成像作為一種鑒別組織成分的新技術(shù)進(jìn)入臨床應(yīng)用，能譜CT的出現(xiàn)為腎結(jié)石成分的進(jìn)一步區(qū)分提供了新的平臺(tái)。

資料與方法

1.1 基本資料66枚腎結(jié)石來(lái)自我院泌尿外科結(jié)石庫(kù)中（結(jié)石最大徑均＞4mm），且均采用紅外線光譜自動(dòng)分析儀（LIIR-20型，天津藍(lán)莫德公司)確定為單一成分：無(wú)水尿酸結(jié)石（Uric Acid stones，UA)8枚,六水磷酸銨鎂結(jié)石（Struvite，STR)12枚,胱氨酸結(jié)石（Cystine，CYS)6枚, 碳酸磷灰石結(jié)石（Dahllite，DAH)10枚, 一水草酸鈣結(jié)石（Calcium oxalate monohydrate，COM）30枚。

1.2 掃描方法每次掃描取6枚結(jié)石放入新鮮豬腎中，每上、下腎盞及腎盂各2枚，并將其浸入10cm高水箱中。采用GE寶石CT( Discovery CT750 HD)進(jìn)行能譜掃描（GSI）及常規(guī)120kVp掃描。GSI-Helical 電壓（80/140kVp），螺距0.984:1，探測(cè)器準(zhǔn)直64×0.625mm，球管轉(zhuǎn)速0.8s，F(xiàn)OV 14.8cm，掃描和間隔層厚均5mm，重建層厚1.25mm；常規(guī)掃描管電壓120kVp，電流240mA。

1.3 圖像處理及分析指標(biāo)所有數(shù)據(jù)分析及圖像處理在GE AW4.4工作站上進(jìn)行。使用GSI Viewer 軟件分析處理，選擇結(jié)石最大徑層面，感興趣區(qū)(region of interest, RIO)面積為其面積的1/2-2/3。單能量成像選擇（40keV-140keV，間隔5keV）圖，在軟組織窗下（窗寬350HU，窗位50HU），分別測(cè)量單能量及120kVp混合能量CT值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法使用SPSS16.0軟件，采用單因素方差分析比較各組結(jié)石（40keV-140keV，間隔5keV）單能量CT值、120kVp CT值。如有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，再進(jìn)行組間兩兩比較，方差齊者采用LSD法，方差不齊者采用Tamhane T2檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

5組結(jié)石（UA,STR,CYS,COM,DAH）在120kVp混合能量圖像上CT值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=52.773,P=0.000),其CT值分別為437.36±103.81HU、865.12±24.05HU、547.17±138.82HU、1528.16±296.51HU及1508.93±197.87HU（表1）?；旌夏芰緾T值組間兩兩比較，COM-DAH（P=0.831）、UA-CYS（P=0.411）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其余各組結(jié)石間120kVp混合能量CT值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

66枚結(jié)石的（40keV-140keV，間隔5keV）5組結(jié)石單能量CT值及120kVp混合能量 CT值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義((F值分別為：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）。組間兩兩比較：1、上述5組結(jié)石在50keV時(shí)CT值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05），UA,STR,CYS,COM,DAH在50keV單能量CT值分別為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時(shí)單能量CT值可以區(qū)分出尿酸結(jié)石與非尿酸結(jié)石；3、CYS-UA在單能量（55keV-100keV，間隔5keV）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；4、COMDAH在單能量（40keV、45keV，55keV-140keV，間隔5keV）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；5、CYS-STR在單能量（115keV-140keV，間隔5keV）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；6、UA-STR在單能量（85keV-130keV，間隔5keV）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；7、UADAH在單能量（125keV-140keV，間隔5keV）無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；8、UA-COM在單能量135keV、140keV無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），其余各組間均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)。

討 論

表1 不同成分結(jié)石50keV單能量CT值與120kVp混合能量CT值比較（±s）

表1 不同成分結(jié)石50keV單能量CT值與120kVp混合能量CT值比較（±s）

結(jié)石種類 數(shù)目 50keV(HU) 120kVp(HU)無(wú)水尿酸 8 393.54±93.26 437.36±103.81六水磷酸銨鎂 12 1188.89±282.39 865.12±24.05胱氨酸 6 729.85±151.85 547.17±138.82一水草酸鈣 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

臨床腎結(jié)石的治療不僅與結(jié)石成分有關(guān)，也與結(jié)石的大小、部位、脆性及有無(wú)感染等合并癥有關(guān)。非增強(qiáng)螺旋CT對(duì)腎結(jié)石的檢出率高，無(wú)組織重疊性，對(duì)小結(jié)石敏感，并且可以檢出傳統(tǒng)X線KUB上陰性的結(jié)石(如尿酸結(jié)石)，對(duì)結(jié)石檢出有明顯優(yōu)勢(shì)[6]。許多研究者對(duì)螺旋CT預(yù)測(cè)結(jié)石成分的可能性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)報(bào)道單能CT進(jìn)行結(jié)石成分分析時(shí)其CT值也受多方面因素影響，例如結(jié)石的大小、探測(cè)器準(zhǔn)直器和周圍介質(zhì)因素等，其變化范圍較大[7]。Serkan Deveci等[2]認(rèn)為多層螺旋CT可以完全區(qū)分六種不同成分的純結(jié)石。Marie-France Bellin等[1]提出在80KV電壓下掃描記錄的CT值彼此之間差異最顯著，診斷結(jié)石成分的準(zhǔn)確率可以達(dá)到8l%。

近幾年來(lái)，隨著CT能量成像技術(shù)的發(fā)展，CT的能量成像已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，特別是以瞬時(shí)雙kVp為核心技術(shù)的能譜CT為現(xiàn)今能量成像更廣闊的臨床應(yīng)用和研究打開了大門。CT值是量化了的物質(zhì)對(duì)X線的衰減系數(shù)，過去的幾十年，CT對(duì)正常組織及病變部位的鑒別主要依靠CT值，但由于混合能量掃描產(chǎn)生的X線具有一定的能譜范圍，例如常規(guī)120kVp電壓下，X射線中會(huì)包含0-120keV多種能量的光子。而組織的吸收系數(shù)會(huì)隨著X線能量的增大而減小，這樣，采用混合光對(duì)物體進(jìn)行掃描時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)CT值的飄移，不可避免的會(huì)導(dǎo)致CT值的不準(zhǔn)確性，從而影響診斷。寶石CT采用的是單球管高低能量快速切換掃描模式，即單個(gè)球管在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)通過80kVp和140kVp高低兩種能量的高速瞬時(shí)切換同時(shí)采樣，保證了球管發(fā)射射線的“同時(shí)、同源、同向”性。再加上高通透性及高清空速率的寶石探測(cè)器，準(zhǔn)確采集到相關(guān)信號(hào)。之后，采用原始數(shù)據(jù)的投影模式進(jìn)行運(yùn)算以及用于能譜成像的重建/后處理引擎與GSI瀏覽器，就能夠生成40-140keV下任一keV的單能量圖像，除了圖像噪聲外，圖像的性質(zhì)基本上與單一keV掃描獲得的圖像相類似。這種單能光下的CT值相對(duì)于混合能量下的CT值更能準(zhǔn)確的反應(yīng)物質(zhì)的X線吸收特性[8]。

圖1 50keV單能量CT值及120kVp混合能量CT值柱狀圖比較；圖2 該枚結(jié)石為胱氨酸結(jié)石，120kVp混合能量CT值為510.09HU,單能量（40keV-140keV，間隔5keV）CT值分別為：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。

實(shí)驗(yàn)中為確保上述指標(biāo)測(cè)量及計(jì)算的準(zhǔn)確性，我們根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道選取結(jié)石最大徑層面，感興趣區(qū)（ROI）面積為最大徑層面面積的1/2-2/3，層厚選取1.25mm[1,7,9]。從實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)量120kVp混合能量CT值（表1）可以初步區(qū)分含鈣結(jié)石與不含鈣類結(jié)石，但UA-CYS組CT值無(wú)法區(qū)分；COM-DAH組CT值也無(wú)法區(qū)分。這是由于常規(guī)CT對(duì)結(jié)石成分的鑒別主要依靠混合能量CT值，但不同的物質(zhì)可能有相同的CT值，某一CT值并不是某種物質(zhì)的特異性數(shù)值，且常規(guī)混合能量CT值受X線硬化效應(yīng)、X線散射、部分容積效應(yīng)及重建矩陣等因素影響，得到的CT值不準(zhǔn)確，因此僅依靠常規(guī)混合能量CT值，上述五類結(jié)石不能完全區(qū)分。

本實(shí)驗(yàn)中我們間隔5keV從40-140keV單能量圖依次獲得，相同keV下測(cè)量出5種成分結(jié)石UA、STR、CYS、DAH及COM的CT值,然后組間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)單因素方差分析，得出單一成分的上述5類結(jié)石的單能量CT值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），具有區(qū)分結(jié)石成分的價(jià)值。50keV時(shí)上述5種成分結(jié)石可以通過其單能量CT區(qū)分開（表1）。40keV及45keV能區(qū)分出尿酸結(jié)石與非尿酸結(jié)石。50keV單能量CT值及120kVp混合能量CT值柱狀圖比較（圖1）均可得出50keV單能量CT值與120kVp混合能量CT值相比，五組結(jié)石間CT值差距在50keV單能量時(shí)明顯增大，這是因?yàn)槟茏VCT能使同一物質(zhì)在不同能量X線下表現(xiàn)出不同的密度特征，同時(shí)也使不同物質(zhì)的差別在相同能量X線表現(xiàn)出更大的差別程度。不同物質(zhì)對(duì)于不同能量的X線的吸收特征是不同的，低能量范圍內(nèi)的圖像對(duì)比度較高，但噪聲也會(huì)隨之增高；而高能量圖像雖然對(duì)比度較低，但噪聲也會(huì)隨之減低。因此我們通過合適的單能量，優(yōu)化圖像，利用能譜技術(shù)，寶石能譜CT實(shí)現(xiàn)了40keV-140keV的范圍內(nèi)任意能量點(diǎn)的單能量圖像的提取，可將眾多單能圖像進(jìn)行連續(xù)分析，并通過優(yōu)化病灶與背景（本底）的對(duì)比度和減少硬化偽影，改善圖像質(zhì)量。

本實(shí)驗(yàn)研究表明，能譜CT在區(qū)分尿酸結(jié)石，六水磷酸銨鎂結(jié)石，胱氨酸結(jié)石，碳酸磷灰石結(jié)石，一水草酸鈣結(jié)石有明顯的優(yōu)勢(shì)，利用50keV單能圖像上測(cè)量CT值可以明確區(qū)分單一成分結(jié)石，利用40keV及45keV可以區(qū)分出單一成分的尿酸類結(jié)石及非尿酸類結(jié)石。

該實(shí)驗(yàn)研究有下列局限性：（1）本組實(shí)驗(yàn)中結(jié)石數(shù)目偏少，特別是胱氨酸及尿酸類結(jié)石的樣本量較小，這與它們的實(shí)際發(fā)生率較小有關(guān)，下一步需要擴(kuò)大樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。（2）該研究為體外實(shí)驗(yàn)研究與體內(nèi)復(fù)雜的內(nèi)環(huán)境有所差異，上述5組分類結(jié)石活體內(nèi)是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，還需下一步臨床分析研究。

總之，能譜CT為腎結(jié)石成分的分析提供了新的工具與思路，寶石能譜單能量45keV及50keV為單一成分腎結(jié)石區(qū)分的最佳keV，與120kVp混合能量相比，單能量CT值可以區(qū)分出體外尿酸類結(jié)石、六水磷酸銨鎂結(jié)石、胱氨酸結(jié)石、碳酸磷灰石結(jié)石及一水草酸鈣結(jié)石。為活體內(nèi)進(jìn)行結(jié)石成分的分析提供了可能，有較大的臨床應(yīng)用價(jià)值，為進(jìn)一步研究結(jié)石的成因、預(yù)防和治療提供影像學(xué)依據(jù)。

1.Bellin MF, Renard-Penna R, Conort P, et al. Helical CT evaluation of the chemical composition of urinary tract calculi with a discriminate analysis of CT-attenuation values and density [J]. Eur Radiol, 2004,14: 2134-2140.

2.Deveci S, Coskun M, Tekin MI, et al.Spiral computed tomography: role in determination of chemical compositions of pure and mixed urinary stones--an in vitro study[J]. Urology, 2004, 64: 237-240.

3.譚孝華，劉凱，鄭聰，等. 兒童泌尿系結(jié)石X線征象與病因分析[J]. 罕少疾病雜志，2008,15（4）：22-24.

4.鄧穗平, 陳德志, 歐陽(yáng)健明. 泌尿系結(jié)石組分分析方法及其研究進(jìn)展[J].光譜學(xué)與光譜分析, 2006, 26: 761-767.

5.Sheir KZ, Mansour O, Madbouly K, et al. Determination of the chemical composition of urinary calculi by noncontrast spiral computerized tomography [J]. Urol Res, 2005, 33:99-104.

6.Heidenreich A, Desgrandschamps F,Terrier F. Modern approach of diagnosis and management of acute flank pain: review of all imaging modalities[J]. Eur Urol, 2002, 41:351-362.

7.Saw KC, McAteer JA, Monga AG, et al.Helical CT of urinary calculi: effect of stone composition, stone size and scan collimation[J]. AJR Am J Roentgenol, 2000, 175: 329-332.

8.Langan DA. Gemstone spectral imaging:GE white paper.Waukesha.Wis:GE Healthcare,2008.

9.Mostafavi MR, Ernst RD, Saltzman B.Accurate determination of chemical composition of urinary calculi by spiral computerized tomography[J].J Urol, 1998, 159: 673-675.

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，醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)，醫(yī)師，主要研究方向?yàn)槊谀蛳到y(tǒng)影像學(xué)

余永強(qiáng) 王明明

2011-04-04