雙能量CT不同卷積函數(shù)對足踝關(guān)節(jié)尿酸單鈉晶體沉積檢測的影響

王萍，黃佳珊，王澤，張玉娟，龔沈初，王林

江蘇省南通市第一人民醫(yī)院/南通大學(xué)第二附屬醫(yī)院 影像科，江蘇 南通 226001

引言

痛風(fēng)是由于嘌呤代謝障礙、尿酸排泄減少、血尿酸（Serum Uric Acid，SUA）持續(xù)升高而導(dǎo)致尿酸單鈉晶體（Monosodium Urate Crystal，MSU）析出并沉積于組織器官而引起的一組臨床綜合征，其中MSU又稱“痛風(fēng)石”，主要臨床表現(xiàn)包括反復(fù)發(fā)作的關(guān)節(jié)腫痛、出現(xiàn)痛風(fēng)石等[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國成人痛風(fēng)總體患病率約1.1%，且呈逐年上升趨勢[2]。雙能量CT（Dual-Energy CT，DECT）作為無創(chuàng)檢查手段，對痛風(fēng)診斷具有較高的敏感性與特異性[3]，《美國風(fēng)濕病學(xué)會/歐洲抗風(fēng)濕病聯(lián)盟痛風(fēng)分類標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》[4]已將其作為痛風(fēng)的診斷標(biāo)準(zhǔn)之一。既往研究表明，CT掃描條件與后處理參數(shù)可影響DECT痛風(fēng)檢測的準(zhǔn)確性；而圖像重建參數(shù)，如重建方法濾波反投影法（Filtered-Back Projection，F(xiàn)BP）、正弦圖確定迭代算法（Sinogram-Affirmed Iterative Reconstruction，SAFIRE）、卷積函數(shù)（kernel）方面，盡管有學(xué)者認(rèn)為圖像重建參數(shù)也是影響痛風(fēng)檢測的重要因素，但并未對其進(jìn)行系統(tǒng)研究[5-7]。本研究主要比較不同重建方法與卷積函數(shù)對足踝部MSU檢測的影響，以期為臨床準(zhǔn)確診斷、評估痛風(fēng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性連續(xù)選取2020年5月至7月于我院臨床診斷為痛風(fēng)的76例住院患者的足踝部CT影像。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 臨床確診為痛風(fēng)；② 完成足踝DECT痛風(fēng)檢測和超聲檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：足踝部外傷、感染、關(guān)節(jié)退變明顯或骨關(guān)節(jié)炎患者。檢測所有入組患者的SUA水平，并記錄患者一般資料。經(jīng)篩選，最終共22例患者納入本研究，其中男16例、女6例，年齡18～74歲，平均年齡（46.18±17.09）歲，平均SUA為（509.00±104.00） μmol/L，平均病程（26.94±6.00）個(gè)月。本組病例CT檢查的容積CT劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）為（3.44±0.15）mGy。本研究經(jīng)南通市第一人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)（2020KT101），所有患者均自愿簽署知情同意書。

1.2 超聲檢查

由1名具有10年骨肌超聲診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師（醫(yī)師A）對所有入組患者行雙側(cè)足踝部超聲檢查（飛利浦EPIQ 7，探頭eL18-4，頻率66 Hz），如出現(xiàn)典型的“雙輪廓”征、“暴雪”征則認(rèn)為存在MSU沉積[8]。參照Strobl等[7]研究，以超聲結(jié)果作為是否存在MSU沉積的參考標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 CT掃描

使用西門子SOMATOM Definition Flash雙源CT行足踝部掃描?；颊呷∑脚P位，足先進(jìn)，足尖向上輕度內(nèi)旋，給予拘束帶固定。掃描范圍自足底至下脛腓聯(lián)合上緣水平。A、B球管管電壓分別為80 kV、Sn 140 kV，參考球管電流依次為100 mAs、50 mAs，準(zhǔn)直0.6 mm，螺距因子0.7 mm，使用CARE Dose 4D管電流自動(dòng)調(diào)制技術(shù)。分別在SAFIRE（強(qiáng)度3）和FBP模式下，按8組不同kernels重建薄層軟組織窗圖像（SAFIRE模式下：Q30、Q34、Q40；FBP模式下：D24f、D30f、D34f、D36f、D40f），重建層厚、層間距均為1.0 mm，將重建圖像傳入后處理工作站（Syngo Via，版本VB10）。

1.4 CT后處理

使用后處理工作站中Dual-Energy Gout軟件包對所有圖像進(jìn)行處理，重建軸位偽彩圖像（層厚、層間距均為3 mm）及容積再現(xiàn)技術(shù)（Volume Rendering Technique，VRT）圖像。重建參數(shù)如下：Resolution=4，Minimum=150 HU，Iodine Ratio=1.36，Air Distance=5。由 1名具有 5年（醫(yī)師B）和1名具有10年以上（醫(yī)師C）骨肌系統(tǒng)影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師分別對不同kernels的后處理圖像進(jìn)行評估：以超聲結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，分別獨(dú)立對DECT圖像中MSU偽影數(shù)量及導(dǎo)致偽影的原因進(jìn)行評估，意見不一致時(shí)進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商一致后記錄偽影數(shù)量（偽影數(shù)量百分比=觀測到的偽影數(shù)/MSU總數(shù)×100%，其中MSU總數(shù)為MSU晶體數(shù)與偽影數(shù)之和）、部位，并在后處理軟件中剔除偽影部分，記錄MSU數(shù)量與軟件自動(dòng)測得的MSU總體積。參照VRT圖像，在軸位圖像MSU最大層面，沿MSU邊緣手工勾勒感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）如圖1所示，測量其CT值和標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD），測量兩次取平均值，以SD作為圖像的背景噪聲[8]，計(jì)算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）；如MSU未顯示，則該值空缺。同時(shí)記錄CTDIvol。

圖1 痛風(fēng)患者DECT檢測右足橫斷面?zhèn)尾蕡D像（SAFIRE3 Q30重建）

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布表示為±s，不符合正態(tài)分布表示為M（Q1，Q3），分別使用方差分析或秩變換檢驗(yàn)比較不同kernels下MSU體積和數(shù)量、偽影數(shù)量、SD、SNR的差異，兩兩比較采用LSD法。使用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)比較不同kernels下偽影分布的差異。使用Spearman檢驗(yàn)分別比較偽影數(shù)量、MSU體積和數(shù)量與SUA水平、病程的相關(guān)性以及偽影數(shù)量、MSU體積和數(shù)量與SNR間的相關(guān)性，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 痛風(fēng)檢測結(jié)果

超聲檢查顯示22例患者均出現(xiàn)MSU晶體沉積，其中6例沉積于左側(cè)足踝、4例沉積于右側(cè)足踝、12例雙側(cè)足踝均可見MSU晶體沉積；共17個(gè)跖趾關(guān)節(jié)、13處足底肌腱/韌帶、1處跟腱、10個(gè)跖跗關(guān)節(jié)、7處踝關(guān)節(jié)周圍韌帶/肌腱或肌肉內(nèi)可見MSU沉積。以超聲結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，DECT圖像SAFIRE3 Q34和FBP D24f、FBP D34f重建模式下，22例患者均可見MSU晶體沉積，沉積部位與超聲所見一致；在FBP D30f、D36f、D40f和SAFIRE3 Q30、Q40模式下，依次有 3、5、1、6、3例患者未見MSU晶體沉積（圖2）。

2.2 不同kernels下痛風(fēng)檢測圖像結(jié)果分析

不同kernels下測得的MSU體積、MSU數(shù)量、偽影數(shù)量、SD和SNR結(jié)果如表1所示。方差分析結(jié)果顯示，不同kernels下測得的MSU數(shù)量、SD值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；而MSU總體積、偽影數(shù)量、SNR的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。進(jìn)一步的兩兩比較結(jié)果顯示，SAFIRE3 Q34模式下，DECT痛風(fēng)檢測圖像的SNR與FBP D24f比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.099），但優(yōu)于FBP D34f（P=0.011）；SAFIRE3 Q34的MSU偽影數(shù)量少于FBP D24f、FBP D34f（P值均＜0.05）。

表1 不同卷積函數(shù)重建圖像各觀測指標(biāo)匯總

2.3 MSU偽影分布

所有kernels下DECT圖像均存在不同程度的MSU偽影，其數(shù)量和位置分布如表2和圖3所示，MSU偽影以韌帶/肌腱、甲床、肌肉內(nèi)較為多見。不同kernels下重建圖像的皮膚表面?zhèn)斡?、韌帶/肌腱偽影和肌肉內(nèi)偽影數(shù)量存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（H=17.545、68.245、42.841，P=0.014、＜0.001、＜0.001），進(jìn)一步兩兩比較結(jié)果顯示，SAFIRE3 Q34模式下肌肉內(nèi)偽影、韌帶/肌腱偽影數(shù)量與FBP D24f相當(dāng)（校正后的P=0.093、1.000），且少于FBP D34f（校正后的P=0.004、＜0.001）；三者皮膚表面?zhèn)斡皵?shù)量無顯著差異（校正后的P值范圍：0.589～1）。

圖3 痛風(fēng)患者雙側(cè)足踝DECT檢測VRT圖像

表2 不同卷積函數(shù)下DECT足踝部痛風(fēng)檢測偽影分布（個(gè)）

2.4 MSU體積、數(shù)量、偽影的相關(guān)性分析

本組病例的偽影數(shù)量、MSU體積、MSU數(shù)量與血SUA水平、病程時(shí)間未見明確相關(guān)性（r=-0.177、-0.237、-0.335，P=0.431、0.289、0.127；r=0.152、0.058、0.053，P=0.498、0.798、0.816）；偽影數(shù)量與SNR呈負(fù)相關(guān)（r=-0.157，P=0.049），而MSU體積、MSU數(shù)量與SNR間未見明顯相關(guān)關(guān)系（r=0.008、-0.028，P=0.917、0.732）。

3 討論

偏光鏡下顯示關(guān)節(jié)液中MSU晶體是診斷痛風(fēng)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但該檢查為有創(chuàng)檢查，且存在一定的假陰性結(jié)果[9]，因此臨床多采用ACR/EULAR痛風(fēng)循證建議推薦的評分標(biāo)準(zhǔn)[4,10-12]進(jìn)行診斷。DECT和超聲顯示MSU晶體沉積是其重要的評分內(nèi)容[4,11-12]。DECT使用兩種不同能量的X線進(jìn)行掃描，利用組織密度不同進(jìn)行物質(zhì)衰減差異分析，并通過圖像后處理顯示MSU沉積，其診斷痛風(fēng)的敏感性為78%～100%、特異性為89%～100%[10]。

然而，DECT顯示MSU晶體沉積也存在誤判，一方面可因掃描或后處理參數(shù)設(shè)置不當(dāng)產(chǎn)生偽影[8]，影響MSU體積測量的準(zhǔn)確性；另一方面則存在因未能顯示痛風(fēng)石而導(dǎo)致漏診的潛在風(fēng)險(xiǎn)[13-15]。近年來，已有DECT掃描、后處理參數(shù)等對MSU檢測影響的研究報(bào)道：Jeon等[5]認(rèn)為相對于80/140 kV球管電壓而言，使用80/Sn150 kV球管電壓有助于減少M(fèi)SU偽影；Kotlyarov等[6]比較了單源DECT設(shè)置不同球管電流對痛風(fēng)檢測的影響，認(rèn)為球管電流比在2～4之間為宜；Strobl等[7]建議將Gout后處理軟件中痛風(fēng)石閾值下限從150 HU調(diào)整為120 HU有助于MSU晶體的顯示，且測得痛風(fēng)石體積更加準(zhǔn)確。

盡管Mallinson等[16]認(rèn)為卷積函數(shù)可能是影響DECT痛風(fēng)檢測結(jié)果的重要因素之一，但未對其做進(jìn)一步研究。使用西門子Flash DECT行痛風(fēng)檢測時(shí)，可供選擇的kernels包括D系列（不使用迭代的FBP重建）、I系列（雙能量掃描使用迭代重建）和Q系列（雙能量掃描SAFIRE迭代重建定量測量）等，kernel字母后的不同數(shù)字表示不同的分辨率和銳利度[17]。合適的卷積函數(shù)與重建方法應(yīng)盡量避免MSU漏診、抑制偽影、提高圖像質(zhì)量。本研究中，盡管不同kernels下DECT檢出的MSU數(shù)量無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.636），但除 SAFIRE3 Q34和 FBP D24f、FBP D34f外，其余kernels下均有部分病例未能檢出MSU晶體沉積，存在漏診的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，不同kernels會顯著影響痛風(fēng)石體積的定量測量（P=0.016），因臨床實(shí)際中很難在病理下測量全部MSU晶體的真實(shí)體積，故本研究未進(jìn)一步比較何種kernel下測得的MSU體積更準(zhǔn)確。本研究結(jié)果表明，在臨床療效評估或病情監(jiān)測中，應(yīng)選擇同一kernel完成DECT檢查，避免對痛風(fēng)石定量測量的影響。

MSU偽影一直是影響DECT痛風(fēng)檢測準(zhǔn)確性的重要因素[18]。不少學(xué)者已對偽影的類型進(jìn)行歸納，提出相應(yīng)的解決方法[14,16,18]，但實(shí)際效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在臨床工作中，對偽影的鑒別仍主要依靠閱片者的經(jīng)驗(yàn)，本研究參照Strobl等[7]的方法，選擇超聲作為顯示痛風(fēng)石的參考標(biāo)準(zhǔn)以盡可能的鑒別偽影。本研究結(jié)果顯示，在所有kernels下均可見不同數(shù)量的MSU偽影，且以韌帶/肌腱、甲床、肌肉內(nèi)偽影多見，與既往研究結(jié)果一致[14,16,19]；偽影數(shù)量與SNR呈負(fù)相關(guān)。在抑制背景噪聲、提高圖像質(zhì)量方面，SAFIRE迭代算法理論上比傳統(tǒng)的FBP法更具優(yōu)勢。相對于FBP D34f，SAFIRE3 Q34的SNR更高，且MSU偽影總數(shù)少于FBP D24f、FBP D34f；在韌帶/肌腱、肌肉內(nèi)等偽影常見部位，SAFIRE3 Q34的偽影數(shù)量亦小于FBP D34f。

本研究的創(chuàng)新性包括以下幾點(diǎn)：① 提出適用于西門子Flash CT痛風(fēng)檢測的重建參數(shù)：SAFIRE3 Q34；② 不同kernels對痛風(fēng)石數(shù)量無影響，但對痛風(fēng)石體積、偽影數(shù)量等有影響，因此在需要對痛風(fēng)石進(jìn)行定量測量的應(yīng)用場景（如療效評估、病情監(jiān)測等），前后數(shù)次DECT檢測應(yīng)選擇同一kernel進(jìn)行；③ 不同kernels對足踝部分MSU偽影的位置分布有影響；④ 痛風(fēng)石體積、數(shù)量及MSU偽影數(shù)量與SUA、病程無明顯相關(guān)性。同時(shí)，本研究也存在以下不足：① 本研究為單中心研究，樣本量較?。虎?研究僅在單一品牌型號的CT掃描儀上進(jìn)行，且并未涵蓋所有的卷積函數(shù)；③ 研究對象為臨床診斷痛風(fēng)患者，未采用痛風(fēng)診斷金標(biāo)準(zhǔn)，而以超聲作為顯示MSU沉積的參考標(biāo)準(zhǔn)，超聲檢查依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，可能對研究結(jié)果產(chǎn)生影響；④ 盡管引入兩名影像診斷醫(yī)師，且以超聲結(jié)果作為參照，對MSU偽影的辨識仍不可避免地存在主觀因素，近年來有學(xué)者提出即使存在于甲床等部位的偽彩陽性亦不能簡單地判定為偽影[20]，故對MSU偽影的鑒別仍值得持續(xù)關(guān)注。

4 結(jié)論

本研究分析了不同卷積函數(shù)重建圖像對DECT痛風(fēng)檢測的影響，結(jié)果表明應(yīng)用西門子DECT（Flash）的SAFIRE3 Q34進(jìn)行重建圖像可以準(zhǔn)確顯示痛風(fēng)石，并減少偽影干擾、提高圖像質(zhì)量。