2022年第41期(Radiology)：四种双能CT技术评估肾结石成分的性能对比

Title：Comparison of Four Dual-Energy CT Scanner Technologies for Determining Renal Stone Composition: A Phantom Approach

Year： 2022

Journal Name：Radiology

IF/分区：11.105/Q1

AUC = ROC曲线下面积，COD = 二水草酸钙，COM = 一水草酸钙，DECT = 双能CT

DEI = 双能指数，DEIcs= 可比较谱线中的DEI，DEIms= 最大值谱线中的DEI

dlDECT = 基于双层检测器的DECT，dsDECT = 双源DECT，rsDECT = 快速千伏峰值切换DECT，tbDECT = 双束DECT，Zeff= 有效原子序数

Comments

Helmut Ringl教授和Paul Apfaltrer教授认为单能CT衰减测量对结石成分的估计能力有限，相比之下，双能CT（DECT）利用两种不同的光子能量谱，可以对结石成分进行更详细的评估。DECT主要分为基于源和基于探测器两类，不同厂商提供了多种型号的扫描仪，但是目前缺乏对于不同DECT扫描仪性能的标准化评估。本研究对四种来自不同供应商的DECT技术进行了详细比较，以评估各扫描仪区分不同成分结石的能力，发现了所有DECT扫描仪都可以区分尿酸结石和非尿酸结石，并且在低辐射剂量下也可以保持这一检测能力。然而不同的DECT扫描仪区分非尿酸结石的能力有较大差异。

Introduction

尿石病是一种常见疾病，在美国每11人就有1人患病，且患病率逐年上升、治疗费用昂贵。非增强CT是评估尿石症的首选方式，在确定结石的大小和位置时有很高的准确性。结石成分是确定治疗方案的重要因素，通常使用基于衰减测量的单能CT进行评估。然而，衰减测量的准确度有限（仅为68%-77%），而且很难确定含有多种成分或者很小的结石成分。双能CT（DECT）已被证明对大于3 mm的结石具有很高的准确性，而且对于区分尿酸结石和非尿酸结石特别有帮助。DECT利用不同光子能级下组织的不同衰减结果来提供材料成分的信息，通过获取两个能量谱来进行材料特异性成像。临床实践中商用的DECT技术主要有以下四种：1、基于源的DECT（如双源CT，dsDECT）。dsDECT技术分辨尿酸结石的准确率为93%，并且可以区分胱氨酸结石和鸟粪石结石。2、快速千伏峰值转换DECT（rsDECT）。rsDECT可以区分尿酸结石和其他类型的结石。3、基于检测器的DECT（如基于双层检测器的DECT，dlDECT）。dlDECT技术可区分尿酸结石（准确率100%）、胱氨酸结石（准确率100%）和钙结石（准确率79%）。4、双束DECT（tbDECT）。tbDECT可以区分尿酸结石和其他类型的结石。尽管已有个别对于多种DECT技术评估结石成分的研究，但是缺乏多厂商扫描仪诊断性能的横向比较、以及低辐射剂量的研究。本研究旨在比较四种DECT技术在标准辐射剂量和低辐射剂量成像模式下评估肾结石成分的性能。

Materials and Methods

结石筛选和仿体设计

本研究是体外的仿体研究，共71颗已知成分和有效原子序数（Zeff）的结石用于研究，分为六类：尿酸结石、胱氨酸结石、鸟粪石结石、一水草酸钙（COM）结石、COM/二水草酸钙（COD）混合结石和钙磷石（二水磷酸氢钙）结石，各类结石的数量、大小和Zeff如表1所示。

表1 研究中各类结石成分、性质分布表

所有结石都是通过肾结石切除术或者输尿管镜检查术从患者体内取出，结石成分预先通过半定量偏光显微镜利用红外分光光度法测定。感兴趣的主要成分占90%以上的结石才被纳入在研究内。一位10年经验的放射科医生利用卡尺手动测量结石的最大尺寸。为了模拟体内场景，所有结石先在盐水（0.9% NaCl）中水合24小时后，再被固定到定制的圆柱形仿体中。每个结石被单独放置在充满明胶的有孔塑料托盘上，然后该托盘被固定在充满明胶的32 cm聚甲基丙烯酸甲酯仿体管的中心（如图1所示）。

图1 本研究CT成像方法流程图。所有的结石都先在盐水（0.9% NaCl）中水合24小时，再被固定到定制的圆柱形仿体中。（A）每个结石被单独放置在充满明胶的有孔塑料托盘上。（B）托盘被固定在充满明胶的聚甲基丙烯酸甲酯仿体管（直径16 cm，高度32 cm）的中心。（C）圆柱形仿体使用来自3个供应商的6个不同的CT扫描仪进行扫描。（D）dlDECT工作站创建的结石仿体的3D渲染图。（E）扫描时在每颗结石中心定位最大可能的圆形ROI以获取衰减值以及Zeff。

DECT采集参数

本研究使用来自三个供应商（GE、Siemens和Philips）的六台CT扫描仪对圆柱形仿体进行扫描，GE和Siemens的机器采用基于源的DECT技术，Philips的机器采用基于探测器的DECT技术，其中2台来自GE（一代rsDECT，型号Discovery CT750 HD；二代rsDECT，型号Revolution）、3台来自Siemens（二代dsDECT，型号SOMATOM Definition Flash；三代dsDECT，型号SOMATOM Definition Force；tbDECT，型号SOMATOM Definition Edge）、1台来自Philips（dlDECT，型号IQon Spectral CT）。本研究使用供应商推荐的扫描协议、以及实验室常规低辐射剂量的扫描协议进行扫描。12次扫描的具体参数如表2所示。与供应商协议相比，实验室协议的容积CT剂量指数在一代rsDECT扫描仪中低64%；在二代rsDECT扫描仪中低81%；在二代dsDECT扫描仪中低61%；在三代dsDECT扫描仪中低45%；在tbDECT扫描仪中低61%；在dlDECT扫描仪中低48%。此外本研究通过修改协议进行额外的扫描，以匹配不同DECT扫描技术的容积CT剂量指数，从而生成相似的辐射剂量。在dsDECT中采用修正后的实验室协议进行扫描，三代dsDECT扫描仪采用锡过滤器，管电压为100 kVp和150 kVp；在二代dsDECT扫描仪采用锡过滤器，管电压为100 kVp和140 kVp。在dlDECT中采用修正后的实验室协议进行扫描，管电压为140 kVp。扫描后数据被传到每个供应商的工作站进行数据处理和分析（GE：Advantage Workstation 4.6、Siemens：Syngo.via 2.0、Philips：IntelliSpace Portal 9.0）。

表2 DECT扫描参数表

数据分析

一名6年经验的放射科医师在每颗结石的中心定位最大可能的圆形ROI以获取衰减值（Hounsfield units）以及Zeff。根据供应商的技术规范，在虚拟单能图像上以10 keV为步长记录衰减值，管电压范围如下：40-140 keV（GE）、40-190 keV（Siemens）、40-200 keV（Philips）。计算所有结石的DEIms，参数如下：Hounsfield unit at 40 keV/HU at 140 keV（GE）、Hounsfield unit at 40 keV/HU at 190 keV（Siemens）、Hounsfield unit at 40 keV/HU at 200 keV（Philips）。计算所有供应商的DEIcs，参数为Hounsfield unit at 40 keV/HU at 140 keV。dsDECT和dlDECT扫描仪使用了Zeff、DEIms、DEIcs三种方法，rsDECT扫描仪使用了Zeff、DEIcs两种方法。

统计分析

基于Zeff、DEIms、DEIcs三种方法（n = 53），扫描仪和采集协议的每种组合都会产生一个数值变量。感兴趣的二元结果被定义为从其他所有类型的组合中识别一种结石类型，例如从其他所有类型结石中识别尿酸结石、或从其他所有类型结石中识别钙磷石结石。因为有六种结石类型，所以共定义了六种感兴趣的二元结果。对每种感兴趣的二元结果进行逻辑回归，其中结石的已知成分（参考标准）为因变量，由扫描仪、扫描协议和评估方法组合产生的数值变量为自变量。类似地，利用上述方法区分两种不同的结石类型，例如区分尿酸结石和钙磷石结石、或者区分COM结石和胱氨酸结石。利用FDR方法对所有分析中模型拟合的P-value进行多重比较校正，以平衡灵敏度和功率在多次测试中的调整，显著性标准设置为P < 0.05。对于逻辑模型，选择AUC作为指标对相关内容进行预测。最终共得到53种不同的扫描仪、采集方式以及评估方式的组合。由于共有6种结石类型，所以对该53种预测组合中的每一种都进行了6次逻辑回归，共创建了318个模型。对于区分两种结石类型，共进行了15次回归分析。最后，对AUC与相应的辐射剂量进行皮尔逊相关分析。

Results

尿酸结石 vs 非尿酸结石

所有扫描仪都可以区分尿酸结石和非尿酸结石（AUC = 0.71-0.99），最高AUC是在两个dsDECT扫描仪中得到的，除tbDECT扫描仪外，其他扫描仪的AUC均大于0.95。在rsDECT和dlDECT扫描仪中，与DEIms、DEIcs两种方法相比，Zeff方法得到的AUC更高，且只有Zeff方法的AUC超过了0.95。tbDECT扫描仪得到的AUC在所有扫描仪中是最低的，其AUC范围从0.73（DEIcs）到0.81（Zeff）。两台dsDECT（二代和三代）均表现良好（AUC = 0.84-0.99）。在供应商推荐的设置中，三代dsDECT中DEIms、DEIcs两种方法的AUC最高，为0.99；二代dsDECT中Zeff、DEIcs两种方法的AUC最高，为0.99（如表3、表4所示）。

表3 在供应商推荐设置下的扫描中，扫描仪和剂量的各种组合区分尿酸结石和非尿酸结石的性能

表4 在剂量优化设置下的扫描中，扫描仪和剂量的各种组合区分尿酸结石和非尿酸结石的性能

不同供应商、方法和辐射剂量对非尿酸结石的区分结果

在区分非尿酸结石时，tbDECT扫描仪只能用Zeff方法区分出COM结石（AUC = 0.79），用DEI方法（DEIms和DEIcs）区分出钙磷石结石（AUC = 0.63）。其他扫描仪都能够至少区分出一种组合中的结石（如表5所示）。

表5 不同扫描仪、扫描协议和评估方法的组合区分钙磷石结石、鸟粪石结石、胱氨酸结石和混合钙结石的性能

鸟粪石结石在从其他结石中区分鸟粪石结石时，rsDECT扫描仪的AUC范围为0.84-0.92。二代rsDECT扫描仪只能用DEIcs方法区分出鸟粪石结石（AUC = 0.93），Zeff方法得到的AUC无显著差异。一代rsDECT扫描仪用DEIcs方法区分出鸟粪石结石的AUC为0.86-0.92，用Zeff方法区分出鸟粪石结石的AUC为0.84-0.86。 胱氨酸结石在从其他结石中区分胱氨酸结石时，三代dsDECT和dlDECT扫描仪用Zeff方法得到的AUC分别为0.81和0.79。 钙结石（钙磷石结石、COM结石、COM/COD混合结石）在钙结石中，区分COM/COD混合结石的AUC最高（AUC范围：0.72-0.94），区分COM结石的AUC次之（AUC范围：0.70-0.83），区分钙磷石结石的AUC最低（AUC范围：0.57-0.76）。一代rsDECT扫描仪不能区分钙磷石结石，二代rsDECT扫描仪只能用供应商推荐的采集参数区分钙磷石结石（AUC = 0.64），而dlDECT和dsDECT区分钙磷石的AUC为0.59-0.72。此外，只有rsDECT可以区分COM/COD混合结石：一代rsDECT扫描仪可以用DEIcs和Zeff方法区分，AUC分别为0.94和0.77；二代rsDECT扫描仪只能用DEIcs方法区分，AUC为0.72-0.84。所有扫描仪都可以区分COM结石（AUC = 0.71-0.83，P < 0.05）：二代rsDECT扫描仪用DEIcs方法的AUC为0.71-0.78，用Zeff方法的AUC为0.74和0.78；其他所有扫描仪只能用Zeff方法才能区分（AUC = 0.71-0.83），其中dlDECT的AUC最高，为0.83（如表5所示）。

不同结石类型的区分结果

为了区分不同结石类型，本研究共进行了15次比较。区分原子序数差异最大的结石时得到了较高的AUC。区分尿酸结石和钙磷石时得到了最高的AUC，为0.99。区分尿酸结石与COM结石、尿酸结石与COM/COD混合结石、钙磷石与鸟粪石的AUC均超过了0.95（如表5所示）。

不同扫描仪、评估方法和辐射剂量的对比

扫描仪与其他扫描仪相比，tdDECT扫描仪的AUC最低。一代rsDECT扫描仪的AUC比二代rsDECT扫描仪高。二代和三代dsDECT扫描仪的AUC差不多。dlDECT扫描仪的AUC为0.83。 评估方法Zeff方法的平均AUC比DEIms方法高，DEIcs方法的平均AUC为0.80。 辐射剂量在所有扫描仪中，不同的辐射剂量与对应的AUC值无明显相关。