计算机断层扫描治疗尿石症的最新进展:诊断和特征

摘要

目标。批判性地评价目前的文献，努力建立目前的作用，计算机断层扫描(CT)和标准胶片x线摄影诊断和特征尿路结石。结论. 在对接受腔内泌尿外科治疗的患者进行监测时，谨慎使用CT具有重要作用。在这篇文章中，我们概述了有关CT扫描电离辐射影响的基本原理。我们讨论了低剂量CT技术的最新发展，该技术在保持图像质量的同时，显著降低了CT辐射剂量（约为十年前的三分之一）。最后，我们将讨论目前市场上最新一代CT扫描仪的一项重要最新发展，即双能量成像，它有望在尿路成像中作为表征尿路结石成分的一种手段。

1.介绍

自1995年Smith等人首次描述以来，尿路非对比计算机断层扫描（CT）已成为急性肾绞痛患者首选的影像学检查方法[1- - - - - -3.]与平片和静脉尿路造影相比，其检测尿路结石的灵敏度和特异性显著提高，而且其准确描述梗阻性尿路结石大小和位置的能力更高，从而使临床医生能够预测自发通过的可能性[4，5］.

尽管CT在泌尿道内腔治疗后残留结石和小碎片的成像方面非常有价值，但该技术也存在固有的局限性，这在这种情况下是非常重要的。(1）空间分辨率有限:CT空间分辨率有限;因此，完全排除亚毫米结石和小结石碎片的阴性预测值明显小于排除较大结石(>4 mm)的阴性预测值。（2)使用电离辐射：患者可能在年轻时首次出现肾绞痛，25–50%的病例报告在随后几年复发[6- - - - - -8］.在这些患者中重复使用CT可导致大量累积剂量;Ferrandino等人报道，在尿结石患者短期随访中，CT扫描可导致大量累积有效辐射剂量[9］.因此，为了尽量减少电离辐射暴露的可能性，在进行腔内泌尿外科治疗后成像残余结石时，必须明智和知情地使用这种方法。

尽管存在这些挑战，但在对接受腔内泌尿外科治疗的患者进行监测时，谨慎使用CT具有重要作用。在这篇文章中，我们概述了有关CT扫描电离辐射影响的基本原理。我们讨论了低剂量CT技术的最新发展，该技术在保持图像质量的同时，显著降低了CT辐射剂量（约为十年前的三分之一）。最后，我们将讨论目前市场上最新一代CT扫描仪的一项重要最新发展，即双能量成像，它有望在尿路成像中作为表征尿路结石成分的一种手段。

2.电离辐射

与电离辐射暴露相关的最令人恐惧的不良事件之一是致癌作用，这是一种随机效应，也就是说，它是随机的。癌症诱导不表现出发生的上限或下限，并且癌症诱导的概率是可变的[10］.目前，癌症的总体风险被认为是很小的，但关于诊断成像范围内的辐射暴露的一个令人担忧的原因是，没有辐射剂量低于该剂量就不会发生癌症诱发。此外，重要的是要强调，在暴露多年后可能发生癌变，而且人们普遍认为，在生命早期暴露于电离辐射会增加诱发肿瘤的风险[11］.

普通民众越来越意识到并关注与电离辐射相关的潜在健康风险[12］.这是由于最近媒体的广泛报道，强调CT的使用增加可能会增加电离辐射的癌症风险[13］.今天的年轻和受过教育的肾绞痛患者可能特别意识到由于诊断成像而暴露于电离辐射，而癌症诱导是他们主要关注的问题。Ferrandino等人报道了20%的肾绞痛患者在短期随访(<1年)中>50 mSv的大累积有效剂量，他们的担忧并非没有根据[9]之前的研究表明，累积暴露于类似水平的电离辐射（75 来自CT以外来源的mSv可使癌症死亡率增加7.3%[11］.

3.低剂量CT:最新进展

许多研究已经检验了低剂量CT在肾绞痛诊断中的有效性，各种方案已经描述了从大于10%到95%的有效辐射剂量降低 mSv低至0.5–3.5 mSv[14- - - - - -24］.低剂量CT与图像噪声的增加一致相关，但在肾绞痛患者中，由于肾结石与尿道周围相对低密度的软组织之间固有的高对比度，有助于成功降低剂量。

过去，固定CT设置(如kVp和mAs)导致低衰减区域(如中腹部)与高衰减区域(如骨盆)接受相同的辐射照射。这是一种低效的图像采集和给患者辐射暴露的方法，因为一些区域辐射过度，在图像质量方面没有任何好处，而其他区域可能是曝光不足，增加了图像噪声，降低了图像质量。自动管电流调制(ATCM)是近十年来CT技术的重大发展。在评估ATCM作为优化CT辐射剂量的一种手段的首批主要论文中，有一篇报告称，在使用ATCM的CT检查中，87%的剂量减少了32% [25］.CT剂量的减少必然会导致图像噪声的增加，目前CT辐射剂量优化领域的研究和开发重点是开发降噪算法，以帮助在显著降低辐射剂量的情况下获取的CT图像保持图像质量;迭代重建算法目前代表了CT中最令人兴奋的剂量优化发展[26)(见图1)．不同的CT制造商正在开发和完善各种迭代重建的修改，包括:自适应统计迭代重建(ASIR) (General Electric Healthcare, Milwaukee, Wisconsin)、singram肯定迭代重建(SAFIRE) (Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)、图像空间迭代重建(IRIS) (Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)、自适应迭代剂量减少(AIDR) (Toshiba Medical Systems, Tustin, California)和iDose (Phillips Healthcare, Best, Netherlands)。

新兴的迭代重建算法通常具有噪声效率和计算速度快的特点，迄今为止的研究大多发现图像具有良好的低对比度细节，保留图像质量，并促进各种幻像的剂量减少20 - 60% [27- - - - - -31),在活的有机体内成人(32- - - - - -35]研究[36].迭代重建在尿路低剂量CT中特别有用，因为在这种情况下，图像噪声通常很高。

在显著降低辐射剂量的情况下获得的研究中，优化图像质量的下一步是正在开发高级代迭代重建，如GE医疗正在开发的基于模型的迭代重建(MBIR)。MBIR是一种完全迭代的重建算法，它将CT系统的物理模型集成到重建过程中，以描述数据采集过程，包括噪声、波束硬化和散射。然而，由于计算能力和重建技术的限制，基于模型的迭代方法直到最近才应用于商业CT扫描仪，因为重建时间非常长。

4.尿路残余结石及其碎片的检测

最初比较了尿路非对比CT与平片、超声和静脉尿路造影的研究发现，非对比CT对尿路结石的检出显著增加，导致它立即被作为疑似尿路结石的影像学检查的选择[1，37，38］.研究报告尿路非对比CT的诊断性能，其中一个公认的局限性是选择金标准检查，敏感性和特异性计算是基于此。在许多研究中，假阴性病例的识别依赖于随后的临床随访、尿路造影和/或某些病例的内窥镜检查。这可能会导致假阴性病例的检出率不适当的低，从而导致非对比CT报告的敏感性虚假增加[39］.

对于内镜泌尿外科治疗后完全排除所有残留结石及其小碎片的任务，CT具有局限性。CT具有有限的空间分辨率，具有典型的像素尺寸-轴测量0.7–1 直径mm；典型的切片重建厚度为2–5 mm进一步降低了沿方向的空间分辨率-轴，从而模糊小结石。减少尿路CT造影时的辐射剂量似乎也能降低结石不可见的空间阈值[39，40］.目前，Jin等人的一项尸体研究为准确排除结石提供了最佳的实验证据，他们对14具尸体人体肾脏中3至5颗直径为2.0-4.0 mm的肾结石进行了成像[39］.研究人员发现低剂量(29%的灵敏度)和常规剂量(47% - 59%的灵敏度)CT图像对小于2mm的结石检测都很差。Jin等人的结论是，以前许多研究尿路非对比CT诊断性能的试验可能高估了检测小于2mm尿路小结石的敏感性和阴性预测值。但在低剂量和常规剂量CT中，测量结石大于4mm的病例比例更高(灵敏度为95-100%)[39］.

其他作者发现，当使用低剂量CT技术时，检测小结石(<3 mm)的敏感性和特异性降低[14- - - - - -24，40，41］.尽管结果根据所达到的剂量减少程度而有所不同，但大多数研究表明，大多数低剂量成像方案都有可能排除直径为>4 mm的结石[14- - - - - -24，40，41］.

5.尿路结石的特征

不同亚型肾结石的衰减值在常规单能量CT数据集上有较大的重叠[42，但在高能CT和低能CT成像时衰减值差异显著。尿酸结石主要由低分子量元素(氧、碳和氮)组成，在高能和低能CT下，与其他类型的肾结石(如草酸钙、羟基磷灰石或半胱氨酸结石)相比，具有不同的x射线衰减特性。这些结石是由高分子量元素(磷、钙和硫)组成的，因此，在低能量CT下具有较高的Hounsfield单位值。

这是双能量成像衰减的特征差异（即80和120的同时CT扫描）−140 Kv）可能允许准确测定结石成分，这可能有助于对可能受益于药物治疗的含尿酸（UA）结石患者以及对冲击波碎石更具抵抗力的胱氨酸和某些钙结石患者进行更适当的治疗[43)(见图2- - - - - -3.)．

双能量CT的研究已经证明了该技术在两方面的准确性前女友和在活的有机体内研究[44- - - - - -46］.

然而，双能量成像的准确性似乎也取决于石头的大小。在一个在活的有机体内Manglaviti等人的研究，双能CT测定的尿路结石化学成分分析与晶体学测定的实际成分不一致，每例结石直径均小于1cm;在每个不同的病例中，混合尿酸结石和羟基磷灰石在双能CT上被误分类为胱氨酸结石和羟基磷灰石[46］.

还应该承认，目前双能成像与单能CT相比，电离辐射剂量更高[47］.然而，目前正在进行减少与双能量成像相关的辐射暴露的工作，Thomas等报道，在非肥胖患者中，钙化、尿酸和含胱氨酸结石的有效剂量可与静脉肾小球造影相比较(2.7 mSv) [45］.结石的靶向双能量扫描可以以一种剂量高效的方式纳入标准的非对比CT扫描，方法如下:先对整个尿道进行单高能低剂量扫描，然后对结石所在区域进行靶向低能量扫描。使用诸如此类的成像策略已被证明会降低有效剂量，但早期结果表明，与低剂量单能量CT单独相比，剂量持续增加(59%)[48］.

另一种方法是使用CT来确定草酸钙结石的相对脆性。Zarse等人描述了在评估结石是否适合冲击波碎石术时，使用微ct来描绘结石的内部结构，而不是简单的Hounsfield测量。他们的研究表明，成分相同的草酸钙结石患者从碎石术治疗中获益的可能性小于那些在微ct上显示结石内部结构的患者。后一组患者被发现有易于接受药物治疗的结石，而不是具有同质内部结构的抗碎石结石。作者继续建议，预处理CT可以用来评估结石的脆性，结石的形态，而不是x射线衰减，与整体的脆性有更好的相关性[49］.

6.结论

由于本文概述的CT剂量减少措施，一开始很小的癌症风险正在被系统地降低[50]。与尿路结石的尿路CT扫描相关的平均辐射照射量可能进一步降低，并可能最终达到与目前在迭代图像重建和其他技术的帮助下在平片摄影中遇到的剂量相似的剂量。与执行cli相关的统计风险因此，临床显示的CT将减少，但仍需要进行CT检查的个人理由。

非对比CT仍是检出尿路结石的最佳影像学方式，在排除大于4mm的结石方面具有较高的阴性预测价值。遗憾的是，它的空间分辨率，特别是在制定低剂量CT协议时，表明它不适合完全排除尿腔内结石术后患者的亚毫米结石和小结石碎片。

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