CT三維紋理分析對(duì)輸尿管結(jié)石激光碎石術(shù)療效的預(yù)測(cè)

王蕊 毛崇文 李松 尤夢(mèng)晶 蘇云杉

目前，臨床治療尿路結(jié)石常用體外沖擊波碎石術(shù)、氣壓彈道碎石術(shù)以及鈥激光碎石術(shù)（1aser lithotripsy，LL）3 種方法[1]。其中，LL 治療輸尿管結(jié)石更為安全、高效，是理想的手術(shù)方法，但在實(shí)際工作中為了保護(hù)輸尿管常需限制激光閾值，不能一次性完全擊碎目標(biāo)結(jié)石，因此探究一種能于術(shù)前對(duì)目標(biāo)結(jié)石行定量參數(shù)分析以客觀預(yù)測(cè)手術(shù)療效的方法極為重要[2-3]。無(wú)創(chuàng)性紋理分析技術(shù)能對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分割、分類(lèi)及量化，從而獲得基于病灶形態(tài)、大小、密度/信號(hào)特點(diǎn)以及與鄰近組織關(guān)系等影像基本信息之外的紋理信息[4]，進(jìn)而反映疾病的定性診斷、治療療效和結(jié)局轉(zhuǎn)歸等。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道診斷尿石癥多采用二維紋理分析，本研究基于常用的CT平掃影像方法，應(yīng)用三維紋理分析預(yù)判LL的療效，以期為臨床選擇手術(shù)方式提供指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性納入云南省第二人民醫(yī)院2016年1月—2018年9月經(jīng)CT診斷并行LL治療的連續(xù)輸尿管結(jié)石病人72例（共80顆結(jié)石），其中男59例，女13例，年齡17～76歲，平均 （45.99±13.23）歲。根據(jù)術(shù)中結(jié)石碎裂情況或拔除雙J管后1周內(nèi)X線或CT復(fù)查結(jié)果，將病人分為2組：①完全擊碎組病人48例（53顆結(jié)石），術(shù)中順利將目標(biāo)結(jié)石完全擊碎，且術(shù)后影像復(fù)查未見(jiàn)明確結(jié)石影像者；②非完全擊碎組病人24例（27顆結(jié)石），目標(biāo)結(jié)石在術(shù)中經(jīng)過(guò)一次或多次擊打后上移至該側(cè)腎盂，或僅部分碎裂且術(shù)后影像復(fù)查仍可見(jiàn)輸尿管殘石。納入標(biāo)準(zhǔn)：①LL術(shù)前CT及術(shù)后1周X線或CT影像資料完整；②不同時(shí)合并腎和膀胱結(jié)石，或同時(shí)合并但在LL術(shù)中僅處理了目標(biāo)輸尿管結(jié)石。排除標(biāo)準(zhǔn)：①影像資料質(zhì)量欠佳；②手術(shù)記錄不完整；③既往有其他結(jié)石治療史，如藥物干預(yù)、體外振波碎石術(shù)等。

1.2 設(shè)備與方法 采用日本Canon 640層Aquilion One CT設(shè)備掃描。病人檢查前空腹8 h，于檢查前飲水500～1 000 mL以充盈膀胱。病人仰臥于檢查臺(tái)，雙上肢置于頭部?jī)蓚?cè)，深吸氣后一次閉氣完成掃描，掃描范圍自腎上極到恥骨聯(lián)合。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，自動(dòng)管電流[自動(dòng)曝光量控制（AEC）參考影像設(shè)置：控制層厚5 mm，SD值7.5]，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/r，采集矩陣 512×512，視野（FOV）45 cm×45 cm，準(zhǔn)直器寬度80×0.5 mm，螺距0.863。采用軟組織函數(shù)重建，重建層厚及層間距均為2 mm。復(fù)查泌尿系X線平片無(wú)特定掃描設(shè)備及參數(shù)要求。

1.3 LL術(shù)及影像學(xué)復(fù)查 LL術(shù)中未使用結(jié)石封堵導(dǎo)絲，在安全能量范圍內(nèi)盡可能使用低能碎石，直到目標(biāo)結(jié)石完全擊碎；若擊打過(guò)程中發(fā)現(xiàn)結(jié)石上移至該側(cè)腎盂則放棄擊打并記錄。采用取石鉗取出輸尿管內(nèi)非粉末化碎石，隨后置入雙J管。于拔除雙J管后1周內(nèi)行CT或X線平片復(fù)查。

1.4 CT值測(cè)量 2名影像診斷醫(yī)師（1名工作經(jīng)驗(yàn)10年的副主任醫(yī)師，1名工作5年的住院醫(yī)師）在影像歸檔和通訊系統(tǒng)（PACS）工作站觀察CT平掃影像，選取目標(biāo)結(jié)石最大層面，測(cè)量并記錄其CT值，測(cè)量區(qū)域在不超過(guò)結(jié)石邊界的前提下盡可能大。

1.5 三維紋理分析 采用MaZda紋理分析軟件（版本4.6，波蘭科技大學(xué)開(kāi)發(fā)[5]）分析所有受試者的CT平掃影像。在二維橫斷面多層影像（≥2層）上連續(xù)手動(dòng)勾畫(huà)ROI，盡可能包括全部輸尿管結(jié)石，最后將多個(gè)層面融合生成三維ROI（圖1）。由2名影像診斷醫(yī)師對(duì)每個(gè)三維ROI進(jìn)行紋理分析，提取包括三維形狀特征、直方圖特征與游程長(zhǎng)矩陣特征在內(nèi)的15項(xiàng)參數(shù)：①形狀特征，即體積；②直方圖特征，包括均值、方差、偏度、峰度以及反映影像直方圖歸一化的第1百分位數(shù) （perc.01%）、第10百分位數(shù)（perc.10%）、第 50百分位數(shù)（perc.50%）、第 90百分位數(shù)（perc.90%）和第99百分位數(shù)(perc.99%)進(jìn)程參數(shù)；③Z軸游程長(zhǎng)矩陣特征，包括游程不均勻性、灰度不均勻性、長(zhǎng)游程增強(qiáng)、短游程增強(qiáng)及行程比。計(jì)算2名醫(yī)師所測(cè)參數(shù)的平均值。

圖1 輸尿管結(jié)石病人，男，46歲。平掃CT三維ROI提取影像。A圖，未勾畫(huà)ROI的三維影像；B圖，已勾畫(huà)ROI的單層二維影像；C圖，三維影像上勾畫(huà)的ROI。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用MedCalc15.6.1統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，2組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；非正態(tài)分布的計(jì)量資料以中位數(shù) （四分位距）[M（P25，P75）]表示，2 組間比較采用 Mann-Whitney U 檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以例（%）表示，2組間比較采用χ2檢驗(yàn)。對(duì)2組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)建立受試者操作特征 （ROC）曲線，并計(jì)算ROC曲線下面積（AUC），0.5＜AUC＜0.7 為診斷效能一般，0.7≤AUC≤0.9為診斷效能較好，AUC＞0.9為診斷效能顯著。根據(jù)最大約登指數(shù) （約登指數(shù)=敏感度+特異度-1）確定閾值，評(píng)價(jià)所有參數(shù)對(duì)鑒別完全擊碎組與非完全擊碎組的特異度與敏感度。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2組病人一般資料比較 2組病人性別、年齡差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），見(jiàn)表1。

2.2 2組結(jié)石CT值及各三維紋理特征參數(shù)比較 非完全擊碎組的CT值、體積、直方圖方差、Z軸游程不均勻性及Z軸灰度不均勻性均高于完全擊碎組，而直方圖偏度、峰度低于完全擊碎組（均P＜0.05）。2組間其余參數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），見(jiàn)表2。

2.3 ROC曲線分析 灰度不均勻性的AUC值最大，直方圖偏度的AUC值最小，CT值和6項(xiàng)紋理參數(shù)的診斷效能均較好 （AUC：0.734～0.851）；CT 值和直方圖方差的敏感度最高，直方圖偏度和峰度的敏感度最低；直方圖峰度的特異度最高，CT值的特異度最低。體積、Z軸游程不均勻性、Z軸灰度不均勻性的AUC值大于CT值的。詳見(jiàn)圖2、表3。

表1 2組病人一般資料比較

3 討論

輸尿管結(jié)石是目前泌尿外科常見(jiàn)疾病之一，早期診斷及治療對(duì)提高病人生活質(zhì)量尤為重要，LL已成為目前治療輸尿管結(jié)石首選方式之一[2]。在臨床上基于對(duì)患側(cè)輸尿管保護(hù)及受激光碎石能量限制，在術(shù)中往往不能一次性完全碎石，術(shù)后定期行影像學(xué)復(fù)查可見(jiàn)殘留結(jié)石，故需后期結(jié)合其他手術(shù)治療[3]。因此，術(shù)前對(duì)輸尿管結(jié)石病人的目標(biāo)結(jié)石進(jìn)行較為敏感的定量化參數(shù)分析，以客觀預(yù)估其是否能一次性完全碎石尤顯重要。

3.1 臨床特點(diǎn) 本研究中完全和非完全擊碎2組病人的平均年齡和性別差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可基本排除年齡、性別因素對(duì)預(yù)判LL療效的影響。但各組內(nèi)男性占比（分別為81.25%、83.33%）均高于女性（分別為18.75%、16.67%），表明男性比女性更易患輸尿管結(jié)石病。Maalouf等[6]研究表明雌激素可增加尿液中枸櫞酸鹽含量，利于減少尿鈣、尿酸及草酸鹽排泄，亦可減弱胰島素抵抗，抑制結(jié)石形成，使女性較不易患尿石癥，本研究數(shù)據(jù)與之相符。

3.2 三維紋理參數(shù)分析 紋理分析是一種通過(guò)提取圖像ROI的紋理特征參數(shù)來(lái)獲取定量或定性信息的圖像處理技術(shù)[7]。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維紋理分析，三維紋理分析能提供更為豐富的圖像特征信息[8]。MaZda紋理分析軟件具有應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可重復(fù)性更好等特點(diǎn)，且勾畫(huà)三維ROI功能也較突出，優(yōu)于目前已發(fā)布的其他軟件。因此，本研究應(yīng)用該軟件對(duì)目標(biāo)結(jié)石影像進(jìn)行分析，通過(guò)形狀特征、直方圖及游程長(zhǎng)矩陣特征三類(lèi)分析方法提取CT影像紋理特征，旨在通過(guò)敏感的定量化參數(shù)差異客觀預(yù)測(cè)LL療效。

表2 2組輸尿管結(jié)石CT值及各紋理參數(shù)比較

圖2 CT值及紋理參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)石易碎性的ROC曲線

形狀特征是描述ROI大小以及ROI與球體相似程度的特征，本研究中僅對(duì)體積特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示非完全擊碎組較完全擊碎組的目標(biāo)結(jié)石體積更大，因?yàn)轶w積大的結(jié)石完全擊碎時(shí)消耗的能量更多，因而也更難擊碎。直方圖特征即一階直方圖特征分析，可描述與ROI內(nèi)體素強(qiáng)度分布有關(guān)的特征，本研究分別提取結(jié)石的直方圖均值、方差、偏度、峰度及一系列用于反映圖像直方圖歸一化的進(jìn)程百分位數(shù)，結(jié)果顯示非完全擊碎組的方差較完全擊碎組大，偏度及峰度較完全擊碎組小。方差反映直方圖的穩(wěn)定性，非完全擊碎組中該值較大，即結(jié)石紋理穩(wěn)定性越高越不易被擊碎。偏度反映圍繞平均值的不對(duì)稱程度，非完全擊碎組中該值較小，即結(jié)石紋理特征越對(duì)稱越不易被擊碎。而峰度可反映結(jié)石內(nèi)不同密度組分異質(zhì)性，若峰度值越大，說(shuō)明結(jié)石內(nèi)紋理異質(zhì)性越大，本研究中非完全擊碎組該值較小，其異質(zhì)性較小，樣本結(jié)石內(nèi)部紋理較均勻，因此更難被擊碎。Xun等[11]對(duì)行體外震波碎石術(shù)病人輸尿管結(jié)石易碎性的研究表明，同時(shí)滿足峰度＜-0.95且CT值＞857 HU的結(jié)石較難擊碎，本研究結(jié)果與其相符。游程長(zhǎng)矩陣特征即二階直方圖或紋理特征分析，可描述體素空間分布強(qiáng)度等級(jí)特征，是對(duì)在某特定方向上相鄰且具有相同灰度或同在某一灰度范圍中的像素個(gè)數(shù)的高階統(tǒng)計(jì)[9]。Xu等[10]研究表明，游程長(zhǎng)矩陣特征中的Z軸矩陣代表層與層之間的信息。因此，本研究選取Z方向?yàn)槊繉覴OI平面的垂直方向提取相應(yīng)參數(shù)，結(jié)果表明非完全擊碎組的Z軸游程不均勻性、Z軸灰度不均勻性均大于完全擊碎組。Z軸游程不均勻性，可描述圖像游程長(zhǎng)度相似性，若結(jié)石內(nèi)圖像游程長(zhǎng)度較為相似，則該值較小，即結(jié)石紋理均勻，本研究顯示非完全擊碎組該值較大，表明其結(jié)石內(nèi)圖像游程長(zhǎng)度相似性較小，結(jié)石紋理較完全擊碎組更不均勻。Z軸灰度不均勻性，可描述結(jié)石內(nèi)灰度相似性，若結(jié)石內(nèi)某種灰度出現(xiàn)較少，則該值較小，即結(jié)石內(nèi)灰度分布越不均勻，本研究結(jié)果顯示非完全擊碎組該值較大，表明其結(jié)石內(nèi)某種灰度出現(xiàn)較多，圖像灰度分布較完全擊碎組更均勻。

表3 CT值及紋理參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)石易碎性的診斷效能

3.3 不同紋理參數(shù)的診斷效能 本研究中CT值以及體積、直方圖方差、偏度、峰度、Z軸游程不均勻性、Z軸灰度不均勻性6項(xiàng)紋理參數(shù)的AUC值均在0.7～0.9范圍內(nèi)，診斷效能均較好。其中灰度不均勻性的診斷效能最高，表明結(jié)石圖像中的灰度相似性可最大程度影響碎石療效；而直方圖偏度所對(duì)應(yīng)的結(jié)石紋理特征不對(duì)稱性的影響作用相對(duì)較小。CT值和直方圖方差對(duì)預(yù)判LL療效的敏感度最高，可能與結(jié)石內(nèi)部構(gòu)成成分的密度特征及紋理穩(wěn)定性有關(guān)。而直方圖峰度的特異度最高，亦可反映結(jié)石內(nèi)不同密度組分的異質(zhì)性很大程度有助于減少LL結(jié)果錯(cuò)誤預(yù)判的概率。

結(jié)石CT值是既往臨床常用來(lái)預(yù)估目標(biāo)結(jié)石易碎性的指標(biāo)，本研究結(jié)果顯示，非完全擊碎組的CT值高于完全擊碎組，表明CT值較大的目標(biāo)結(jié)石不易被完全擊碎。Gupta等[12]研究表明以CT值750 HU為臨界值，結(jié)石CT值較小者易碎，本研究結(jié)果與其基本相符；而El-Assmy等[13]及Cui等[14]的研究表明CT值不可預(yù)測(cè)碎石術(shù)的療效，與本研究結(jié)果相悖。因此，CT值作為臨床預(yù)估結(jié)石易碎性的指標(biāo)具有不穩(wěn)定性，可能與CT值的測(cè)量易受掃描設(shè)備及參數(shù)的影響以及CT值不能具體反映結(jié)石內(nèi)部高低密度組分分布情況等因素有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，體積、Z軸游程不均勻性、Z軸灰度不均勻性3項(xiàng)三維紋理分析參數(shù)的AUC值均較CT值高，表明3項(xiàng)三維紋理參數(shù)較CT值對(duì)預(yù)測(cè)LL療效更具價(jià)值。Caramella等[15]研究還表明上述3項(xiàng)紋理指標(biāo)在CT紋理參數(shù)基礎(chǔ)研究中均具有較強(qiáng)抗CT噪聲影響能力。綜上，部分三維紋理分析參數(shù)較CT值對(duì)預(yù)判目標(biāo)結(jié)石易碎性更具價(jià)值，可作為客觀量化其是否能完全擊碎的預(yù)測(cè)指標(biāo)。

3.4 局限性 本研究尚存在一定局限性：①本研究為單中心回顧性研究，樣本量較小，需在后續(xù)工作中通過(guò)多中心大樣本得到進(jìn)一步驗(yàn)證；②研究未對(duì)結(jié)石具體成分信息分析，由于目前常用的紅外線光譜結(jié)石分析儀僅能確定結(jié)石的成分類(lèi)別，而未能精確于某種成分具體總含量、比率或結(jié)構(gòu)情況，今后可以進(jìn)一步選擇更高級(jí)、全面的結(jié)石成分分析儀以完善分析內(nèi)容。

3.5 小結(jié) 本研究應(yīng)用三維紋理分析對(duì)行激光碎石術(shù)的輸尿管結(jié)石病人的非增強(qiáng)CT影像進(jìn)行紋理特征參數(shù)提取，結(jié)果顯示體積、直方圖方差、直方圖偏度、直方圖峰度、Z軸游程不均勻性、Z軸灰度不均勻性6項(xiàng)參數(shù)在完全與非完全擊碎組間存在顯著差異，其中體積、Z軸游程不均勻性和Z軸灰度不均勻性的預(yù)測(cè)價(jià)值大于既往常用指標(biāo)CT值。由此可見(jiàn)，三維紋理分析參數(shù)有助于術(shù)前客觀預(yù)測(cè)輸尿管結(jié)石激光碎石術(shù)的療效。