Spectral Filtration Sn 150 kV Combined with Advanced Simulated Iterative Reconstruction in Lumbar Computed Tomography Examination
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摘要:
目的：研究能谱纯化（SPS）Sn 150 kV结合高级模拟迭代重建（ADMIRE）在腰椎CT检查中的可行性。方法：行腰椎CT检查的患者88例，年龄在25～65岁，BMI在18.5～25 kg/m2的患者，分成对照组（A组）和试验组（B组），每组44例；A组管电压120 kV，B组管电压Sn 150 kV，其他扫描参数均一致，完成检查并比较两组的图像质量和辐射剂量。结果：A组和B组图像客观评价噪声存在统计学差异，A组图像噪声高于B组；主观评价3位诊断者的ICC为0.769，表示评价一致性较好；B组的辐射剂量低于A组30.31％。结论：采用能谱纯化Sn 150 kV结合ADMIRE，不但能有效减低辐射剂量，还可保证优质的图像质量，值得在成人腰椎CT中推广使用。
Abstract:Objective: To study the feasibility of energy spectrum purification Sn 150 kV combined with Advanced Simulated Iterative Reconstruction (ADMIRE) in computed tomography (CT) examination of the lumbar spine. Methods: A total of 88 patients aged 25-65 years with body mass indexes (BMI) between 18.5~25 kg/m2 were randomly divided into a control group (group A) and an experimental group (group B), with 44 cases in each group. The conventional tube voltage, used for the control group, was 120 kV, while the experimental tube voltage was Sn 150 kV. All other imaging parameters were consistent. After the inspection, the image quality and radiation dose of the two groups were compared. Results: The objective evaluation of noise in group A and group B were statistically different, with the noise of group A higher than that of group B. The ICC of the three diagnosticians in the subjective evaluation was 0.769, indicating a good consistency of evaluation. The radiation dose of group B was 30.31% lower than that of group A. Conclusion: The combination of energy spectrum purification Sn 150 kV and ADMIRE can not only effectively reduce the radiation dose, but can also guarantee a high-quality image, which can be widely used in adult lumbar CT.
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Keywords:
- advanced simulated /
- iterative reconstruction /
- SPS /
- lumbar spine
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肾透明细胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）是成人最常见的肾脏恶性肿瘤，既往采用Fuhrman分级系统进行病理分级，该方法主观性较强、可重复性不佳，诊断标准和预后价值尚存争议[1]。2016年，世界卫生组织（World Health Organization，WHO）推荐采用WHO/国际泌尿病理学会（International Society of Urological Pathology，ISUP）系统对ccRCC进行分级[2]，并被大多数学者接受。研究表明，ccRCC WHO/ISUP分级与患者预后相关性更强[2-3]，治疗前精准预测，对治疗决策的选择和预后判断意义重大。CT增强在肾肿瘤检出、良恶性及病理类型判断、肿瘤分期中广泛运用，既往研究报道[4-6]，CT增强定量参数与ccRCC分级存在相关性，但大多缺少外部验证，研究结果的泛化能力存疑。
本研究收集我院手术病理证实的98例ccRCC患者资料，探讨CT增强定量参数术前预测ccRCC WHO/ISUP分级的价值，并进行外部验证，旨在找寻泛化能力最佳的CT增强定量参数用于临床。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
连续收集2017年2月至2022年7月间于芜湖市第二人民医院行手术治疗的ccRCC患者资料。纳入标准：①术前均行腹部 CT平扫加增强检查（图1），影像资料满足研究要求；②病理证实为ccRCC，并进行WHO/ISUP分级。排除标准：①多发或遗传性 ccRCC；②肿瘤无或少实性成分，影像学评估为Bosniak Ⅲ 型的ccRCC。
登记患者一般资料，包括性别、年龄、肿瘤发生部位，共纳入ccRCC患者98例。按上述纳排标准另收集皖南医学院弋矶山医院手术治疗的68例ccRCC患者用于外部验证。
1.2 检查方法
运用GE Light Speed 16排或PHILIPS Brilliance 256-iCT扫描仪进行检查。患者取仰卧位，头先进，扫描前行呼吸训练。扫描范围至少包括胸11椎体下缘～腰1椎体下缘。扫描采用自动管电流调控技术（Z-DOM），管电流设定基准值为120 mAs，层厚和间距均为5 mm。均先行平扫，若肿瘤超出扫描范围则需加扫整个肿瘤区域。
增强扫描使用双筒高压注射器（MEDRAD，美国），按1.0 mL/kg体重向肘静脉留置针（20 G×29 mm/Y-G）内以流率2.5～4 mL/s注入非离子型碘对比剂，之后追加30 mL生理盐水进行水化。肾皮质期延迟时间为30～45 s，肾实质期为70～90 s。皖南医学院弋矶山医院检查方法与上述扫描类似。
1.3 病理分级
由一名具20年诊断经验的病理科医师采用盲法，根据2016版WHO/ISUP分级系统对ccRCC根治术后组织切片进行阅片、分析，并做出最终的病理分级诊断。本研究将1级和2级划分为低级别组；3级和4级归为高级别组。
1.4 图像分析与数据测量
两名腹部亚专科医师在不知道病理结果的情况下在PACS工作站进行数据测量，测量平扫、皮质期、实质期ccRCC实性部分CT值，皮质期、实质期患肾皮质CT值。皮质期/实质期净增值=皮质期/实质期ccRCC实性部分CT值 - ccRCC实性部分平扫CT值；皮质期/实质期强化率=（皮质期/实质期ccRCC实性部分CT值）÷（皮质期/实质期CT值）。
测量时多时相综合观察，避开边缘、坏死、钙化、出血及血管等；ccRCC实性部分测量时，感兴趣区（region of interest，ROI）尽可能大，以减少观察者内的差异。ROI在平扫、皮质期和实质期要尽可能放置于相同部位。两者间测量值差异小于10％，则将平均值作为最终结果；差异≥10％，被判断为观察者之间存在分歧，两位放射科医生需重新阅片、达成共识[5]。
1.5 统计学分析
统计学分析运用SPSS 23.0和Med Calc 15.0软件。符合正态分布的计量资料以
$\left(\bar{x}\pm s \right)$ 表示，组间比较采用两独立样本t检验；采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）评价观察者间的一致性；计数资料采用例数（％）表示，组间比较采用$\chi^2$ 检验。采用受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线分析各指标预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级价值，并计算最佳阈值。外部验证组定量参数以实验组最佳阈值为截断值，ROC曲线预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级。AUC值间的比较采用DeLong检验。P＜0.05视作有统计学差异。
2. 结果
2.1 两组一般资料比较
98例ccRCC中，肿瘤最大径1.1～15.9 cm，平均（4.84±2.44）cm；WHO/ISUP分级低级别组76例（1级17例，2级59例），高级别组22例（3级20例，4级2例）。一般资料比较（表1），两组间年龄、性别、肿瘤位置分布差异无统计学意义。
表 1 低级别组和高级别组肾透明细胞癌一般资料比较Table 1. Comparison of general ccRCC characteristics between low- and high-grade groups项目 组别 统计检验 低级别组（n=76） 高级别组（n=22） 统计量 P 年龄/岁 62.54±11.71 62.91±9.17 -0.136 0.892 性别（n（％）） 男性 44（57.89） 17（77.27） 2.726 0.099 女性 32（42.11） 5（22.73） 位置（n（％）） 左肾 46（60.53） 14（63.64） 0.070 0.792 右肾 30（39.47） 8（36.36） 验证组共68例，肿瘤最大径1.4～11.1 cm，平均（4.89±2.12）cm；低级别组53例，高级别组15例。
2.2 CT增强定量参数观察者间的一致性检验和组间比较
皮质期CT值、皮质期净增值、皮质期强化率、实质期CT值、实质期净增值、实质期强化率参数值的观察者间一致性均非常高，ICC依次为0.971、0.965、0.974、0.966、0.958和0.969，P值均小于0.001。低级别组和高级别组ccRCC间CT增强定量参数值组间差异均有统计学意义（表2）。
表 2 低级别组和高级别组肾透明细胞癌CT增强定量参数比较Table 2. Comparison of CT-enhanced quantitative parameters of ccRCC between the low- and high-level groupsCT增强定量参数 组别 统计检验 低级别组（n=76） 高级别组（n=22） t P 皮质期CT值 143.71±32.39 103.27±23.70 6.447 ＜0.001 皮质期净增值 98.24±27.32 61.86±19.64 6.954 ＜0.001 皮质期强化率 1.01±0.24 0.63±0.13 9.823 ＜0.001 实质期CT值 103.91±25.25 87.36±19.78 2.829 0.006 实质期净增值 68.26±22.43 54.64±15.79 2.661 0.009 实质期强化率 0.82±0.22 0.63±0.14 4.736 ＜0.001 2.3 CT增强定量参数诊断效能分析
6个CT增强定量参数均位于无差异线左上方，表明这些参数对ccRCC二分类WHO/ISUP分级具有判别作用（图2）。
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图 2 实验组CT增强定量参数预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的ROC曲线Figure 2. ROC curve of ccRCC secondary classification based on WHO/ISUP grading scheme predicted by CT-enhanced quantitative parameters in the experimental group皮质期CT值、皮质期净增值、皮质期强化率、实质期CT值、实质期净增值、实质期强化率预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的AUC值分别依次为：0.834、0.871、0.900、0.707、0.678和0.762，差异均有统计学意义（表3）。；上述参数的临界值分别依次为：123.5 HU、71 HU、0.73、87.5 HU、54 HU、0.67。皮质期强化率ROC曲线下面积最大，AUC为0.900，敏感度为0.842，特异度为0.864。皮质期强化率与皮质期CT值、皮质期净增值、实质期CT值、实质期净增值、实质期强化率DeLong检验结果：Z值分别为1.739（P=0.082）、0.732（P=0.464）、3.121（P=0.002）、3.650（P＜0.001）、3.374（P=0.001）。皮质期强化率诊断效能优于实质期CT值、实质期净增值、实质期强化率，差异有统计学意义。
表 3 肾透明细胞癌CT增强定量参数诊断效能Table 3. Diagnostic efficacy of CT-enhanced quantitative parameters for ccRCCCT增强定量参数 AUC 95％CI P 敏感度/％ 特异度/％ 皮质期CT值 0.834 0.741～0.927 ＜0.001 0.658 0.909 皮质期净增值 0.871 0.782～0.960 ＜0.001 0.816 0.818 皮质期强化率 0.900 0.840～0.959 ＜0.001 0.842 0.864 实质期CT值 0.707 0.582～0.832 0.003 0.763 0.727 实质期净增值 0.678 0.558～0.799 0.011 0.776 0.545 实质期强化率 0.762 0.655～0.868 ＜0.001 0.737 0.773 2.4 皮质期CT增强定量参数外部验证
以实验组皮质期CT增强参数诊断阈值为截断值，外部验证组皮质期CT值、皮质期净增值、皮质期强化率预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的AUC值分别依次为：0.735（P=0.006），0.709（P=0.014），0.867（P＜0.001）（图3）。
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图 3 外部验证组预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的ROC曲线Figure 3. ROC curve of the external validation group for predicting the WHO/ISUP classification of ccRCC外部验证结果显示皮质期强化率诊断效能优于皮质期CT值、皮质期净增值，Z值分别为2.134（P=0.032），2.417（P=0.016）。
3. 讨论
ccRCC WHO/ISUP分级与肿瘤侵袭性、淋巴结及远处转移、预后分层密切相关[7]，术前准确、无创评估临床意义重大。我们的研究结果表明，CT增强定量参数可用于预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级，皮质期定量参数诊断价值更大，其中皮质期强化率AUC值最大，为0.900。外部验证皮质期强化率以最佳阈值（0.73）为临界值时，预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的诊断效能最高，AUC值为0.867，明显优于皮质期CT值和皮质期净增值，有力地证明了皮质期强化率为泛化能力最佳的定量参数。
张庆林等[8]研究发现，CT增强定量参数可用于鉴别良恶性肾肿瘤。陈天昱等[9]研究表明肿瘤最大径、浸润性生长、肿瘤液化坏死、边缘规则或有假包膜在ccRCC二分类WHO/ISUP分级中有显著性差异，总体预测模型准确率：86.79％，灵敏度为：89.66％，特异度为：71.43％。刘阳等[10]利用超声造影建立Logistic回归模型，术前预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的ROC曲线下面积为0.824。Gao等[11]研究发现，高级别组SUVmax显著高于低级别组，SUVmax定量参数值预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级的曲线下面积为0.89。近年来研究多集中在利用影像组学模型预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级中，取得了不错的分类效果，AUC值均达0.8以上[12-14]。
临床实践证明术前影像学方法预测ccRCC WHO/ISUP分级是可行的，CT增强相比PET/CT、超声造影检查临床应用更加广泛，其定量参数容易获取，比超声造影、影像组学方法能更加直观反应肿瘤血供特点。
据报道，影像增强定量参数值与肿瘤微血管密度（microvessel density，MVD）相关[15]，MVD是肿瘤生成的组织学标志，CT增强程度越高，表明肿瘤血供越丰富，肿瘤的血管性越强。我们的研究结果表明，ccRCC WHO/ISUP分级高，强化程度反而降低，出现此现象合理的解释为肿瘤内部存在组织学坏死，它不同于肉眼可见的大体坏死，存在这些坏死细胞团和片的肿瘤区域MVD通常较低，血供较少，而在CT增强图像中无法直观识别，增强扫描时表现为相对低强化，CT值上升较少。Sengupta等[16]回顾2445例ccRCC病理资料发现，690例（28％）中出现组织学坏死，ccRCC组织学坏死与无组织学坏死患者的死亡风险比为5.27，这充分说明ccRCC组织学坏死同WHO/ISUP高分级一样，是患者不良预后的重要预测因素。
本研究ROI测量的不是整个肿瘤，排除大体坏死、出血、大血管和钙化，最大限度测量肿瘤实体部分；并利用肾皮质强化代表肾动脉供血区碘负荷，来纠正肿瘤增强的固有偏差。首先，ccRCC是一种异质性肿瘤，坏死、纤维化、出血和钙化常见，CT值差别较大，测量整个肿瘤可能会导致内部成分CT值相差较大的物质被“平均”，我们聚焦肿瘤的实体成分，以确保测量结果的稳定性[5]。其次，CT机型、性别、年龄、体表面积、BMI、血液循环和基础疾病等均可对增强CT值产生影响[17]，实际工作中上述影响因素客观存在。
对于常规肾脏增强扫描，我们通常使用较低浓度碘对比剂（浓度范围280～300 mgI/mL），部分临床拟行保留肾单位手术的患者，临床侧重于评估肾段、亚段血管，可能会使用较高浓度的碘剂，不同造影剂浓度可能对肿瘤供血血管、肿瘤实质的强化产生影响[18]；此外，部分患者例行检查时偶然发现肾占位，其扫描方法与肾脏增强扫描存在差异性，例如肝脏增强扫描注射造影剂后延迟时间比肾脏早5～10 s；再者，部分高龄、心功能不全者，造影剂注射速率控制在3 mL/s以下。
实际工作中，不同单位、个体，CT造影剂使用、检查方案存在差异性，找寻诊断效能高、泛化能力强的定量参数有重要临床意义，本研究结果表明，皮质期强化率为术前预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级泛化能力最佳的定量参数。
研究的不足：①样本量小，高级别ccRCC占比较低，可能出现选择偏倚；②未包括其他亚型肾癌，CT增强定量参数与其他亚型肾癌组织病理学间的关系还需深入研究；③CT增强定量参数测量为手动勾画完成，使用自动分割软件进行勾画在提高工作效率的同时是否会提高诊断效能尚未可知。
综上，本研究结果表明，CT增强定量参数在术前预测ccRCC二分类WHO/ISUP分级中价值较高；皮质期强化率为泛化能力最佳的定量参数，可能为ccRCC患者管理提供依据。
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图 1 管电压120 kV下CT值和噪声测量及矢状位重组图（重组层厚1 mm、间隔0.6 mm）
Figure 1. CT value, noise measurement, and sagittal position recombination at 120 kV tube voltage (recombination layer thickness 1 mm, interval 0.6 mm)
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图 2 管电压Sn 150 kV下CT值和噪声测量及矢状位重组图（重组层厚1 mm、间隔0.6 mm）
Figure 2. CT value, noise measurement, and sagittal position recombination at tube voltage Sn 150 kV (recombination layer thickness 1 mm, interval 0.6 mm)
表 1 A组和B组图像质量客观评价表
Table 1 Objective evaluation of image quality in groups A and B
项目 组别 统计检验 A组 B组 Z P 腰大肌/HU 53.00（48.70～56.00） 47.90（43.70～51.00） 2.741 0.016 SD1 5.73（4.83～6.83） 5.09（4.69～5.24） 1.904 0.057 竖脊肌/HU 52.00（46.2～55.00） 43.50（38.20～51） 3.511 <0.001 SD2 5.41（5.27～5.98） 4.56（3.62～5.63） 3.964 <0.001 SNR 9.12（7.88～10.51） 9.86（7.95～10.02） -0.693 0.488 
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表 2 3位诊断医师的主观评分统计分析表
Table 2 Statistical analysis of the subjective scores from the three doctors interpreting the computed tomography images
指标 组别 P A组 B组 椎间盘 2.00±0.00 2.00±0.00 >0.999 椎间孔 1.98±0.15 1.98±0.15 0.156 黄韧带 1.95±0.21 2.00±0.00 0.562 硬膜囊 1.98±0.15 1.95±0.21 >0.999 小关节图像 2.00±0.00 2.00±0.00 0.320 整体图像质量 2.00±0.00 2.00±0.00 >0.999
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表 3 A组和B组辐射剂量统计表
Table 3 Radiation dose in groups A and B
项目 组别 统计检验 A组 B组 Z P mAs 333.00（300.00～362.00） 237.50（222.00～261.00） 7.885 <0.001 CTDIvol 14.75（13.65～16.00） 6.57（5.20～7.23） 8.015 <0.001 DLP 413.60（351.00～425.50） 280.13（230.89～327.20） 6.946 <0.001 ED 4.55（3.86～4.68） 3.08（2.54～3.60） 6.946 <0.001
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