利用DMSA断层显像技术对相对异位肾脏功能进行定量

摘要

基于人工感兴趣区域(ROI)提取的异位肾功能估计可能被认为是耗时的。也可能影响临床解释，从而偏离治疗态度。为此，我们提出了一种先进的工具，通过二巯基琥珀酸(DMSA)肾脏闪烁扫描来评估这种功能。方法．这项研究已经在100例患者中进行(50例正常肾脏和50例异位肾脏)。我们将我们的分割问题作为几个代价函数的优化提出，每个代价函数包含两个术语:(i)一个分布匹配先验，评估分布之间的全局相似性，(ii)一个平滑先验，以避免在解中出现小的、孤立的区域。根据最近的有界松弛结果，成本函数的最优接近实时地产生每个肾脏区域。采用Dice Metric (DM)、Jaccard Index (JI)和相关参数作为验证参数，对分割结果进行评价。然后将获得的双肾相对功能与临床常规评估(平面投影)进行比较，然后通过Bland-Altman图和类间相关系数(ICC)进行统计验证。结果．通过与专家手工肾脏分割结果的比较，判断所得结果具有较高的平均骰子度量值(Mean Dice Metric, MDM)和较高的Jaccard指数(Jaccard Index, JI)，适合临床应用。相对肾功能的评估与临床常用的投影平面法不同。结论．该系统能有效地提取肾脏区域。相对函数估计可以认为是更准确的。事实上，背景噪声校正和衰减现象，可能产生误差测量肾异位，已被避免。我们的临床工作人员已经验证了结果，并建议在他们的临床常规中使用这种工具。

1.导言

肾脏闪烁照相术，也称为肾脏扫描，通常用于探索肾脏的相关功能。它可以用来评估肾脏的解剖结构，判断肾脏是否正常运行。这种方式使用特殊的摄像机、计算机和不同的放射性药物，这些药物可以被定义为少量的放射性物质[1］.然而，这种医学成像技术可以使用几种放射性药物，如锝-99m二巯基丁二酸(99mTc-DMSA)、锝-99m二乙基三胺五乙酸(99mTc-DTPA)、锝-99m巯基乙酰甘油三酯(99mTc-MAG3)、碘- 131原碘hippurate (OIH)、以及最近的锝-99m乙烯基半胱氨酸(99mTc-EC) [2］.事实上，使用DMSA作为静态肾制剂可以被认为是评估相对肾功能的最高可预测方法[3.］.在异位肾脏的情况下，这种探测可能被损坏。实际上，肾异位可以定义为天生异常，其中肾脏可以位于其常规位置的相反侧面。异位肾脏可以被视为出生缺陷，其中肾脏位于异常位置。事实上，胎儿的肾脏首先在骨盆内部的下腹部发展为小芽。在生长的前8周，胎儿的肾脏从骨盆慢慢移动到肋骨附近的骨盆中的正常位置。当肾脏停留在骨盆中，它被称为盆腔肾脏。如果肾脏穿过身体的另一侧，则被称为交叉的肾异位。异位肾脏的人没有投诉。在其他情况下，异位肾脏可能会产生尿液问题，例如尿液堵塞，感染或泌尿石。 One in ninety people could be affected by this anomaly [4］.肾脏闪烁显像可能受到多种因素的干扰，如患者的运动、康普顿扩散和衰减，而衰减被认为是最重要的干扰因素。不幸的是，在异位肾脏的情况下，脊柱和髂骨可以显著减弱发射的光子。因此，通常用来校正这种衰减的几何平均法可能被认为是不够的。另一方面，在肾脏区域记录的活动可以被同化为两种活动的总和:一种是与肾脏中示踪剂的数量有关，另一种是由于肾脏周围结构的背景噪声。因此，相关函数的求值可能会被破坏。为了避免这些局限性，我们提出了一种基于肾脏扫描定量的相对肾功能评价算法。事实上，我们使用了一种分割算法来划分每个感兴趣区域(ROI)，然后进行肾脏计数。根据得到的结果，我们可以计算相对函数。一些研究人员已经研究了使用闪烁扫描来划定肾脏区域。 The authors in [5]提出了一种三维外观引导的可变形边界来提取肾脏区域。Aribi等人改进了一种基于多智能体系统的全自动肾脏区域提取方法[6］.该算法融合了时空点提供的监控agent和探索agent，并利用快速行进的方法实现agent之间的通信。一些研究人员已经采用了阈值技术。单阈值法已被[7，但它只在高对比度的情况下使用。双阈值方法由[8，以便在人工识别中心的基础上识别肾脏区域。Landgren等[9]提出了一种自动阈值算法，专门用于通过闪烁扫描进行肾脏分割。然而，基于阈值的方法在低对比度图像中检测肾脏区域有一些局限性，特别是在肾功能低下患者的情况下。提出了一种半自动ROI检测方法[10］.实际上，每个肾脏的人工矩形ROI和肾脏之间相应的背景区域已经被放置。Tian等人[11]提出了一种半自动的肾脏感兴趣区域方法来评估GRF估计。为了实现准确的ROI检测，避免人为干预，开发了全自动方法。[12[]提出了一种基于形状先验约束水平集算法的全自动肾脏提取方法，以便通过99mTc二乙三胺五乙酸(99mTc- dtpa)核医学成像实现准确的肾小球滤过率(GFR)估计。在分割过程之前有一个预处理步骤。[13]开发了一种基于强度计数时间变化、强度对分布图像对比度增强方法、自适应阈值和形态学操作的全自动肾脏ROI估计系统，可以定位肾脏区域，并从(99m)Tc-DTPA肾图中获得GFR值。在[14[]提出了AUTOROI算法，该算法已经发展到完全自动检测整个肾脏轮廓，并产生肾脏ROI，用于提取定量测量，用于解释tc -巯基乙酰三甘油酯(Tc-MAG3)肾图。

本研究的目的是提供一种更准确的相对异位肾功能评估工具，与临床常规方法相比。全自动ROI提取，避免了背景噪声腐蚀和衰减现象，为更好地量化肾脏区域提供了可能。

本研究的主要贡献如下：这是首次通过二巯基琥珀酸（DMSA）肾脏闪烁扫描处理异位肾异常该算法是全自动的，具有良好的性能使用这种算法可以修改要执行的动作

2.材料和方法

2．1.主题

正常50例(男24例，女26例;年龄29 - 60岁)和50例异位患者(男性29例，女性21例;年龄范围，31-55岁)，本研究考虑了那些曾接受99mTc-DMSA肾脏闪烁造影以诊断肾脏疾病的患者。50名患者的扫描结果正常，另外50名患者表现出异位肾脏。

２.２.成像过程

建议在放射性示踪剂注射前后进行良好的水合作用。口服水或静脉给药35分钟后，给予放射性锝99m联合二巯基丁二酸(DMSA)注射。2-6小时后，可以使用伽玛相机进行静态成像。成像可能需要近5-10分钟。在这项工作中考虑了层析成像的获取，因为它允许我们获得三种计划的投影。这样我们就能更精确地分析每个肾上的放射性药物再分配。

２.３.标准方法

在临床常规中，平面定量技术已被采用来计算相对的肾功能通过前和后投影。然而，注册的肾脏计算可以被认为与固定在肾皮质上的实际活动不同。事实上，背景以及由于位于肾脏和伽玛相机探测器之间的结构造成的衰减现象可能是造成这种差异的原因。为此，我们应该认识到一些纠正，以纠正相对肾功能值。

2.3.1。背景噪声校正

肾外成分和肾内成分可以被认为是两个主要的肾背景成分。肾外成分，也称为间质，可能包括血管外和血管内部分。血管内部分可能在注射后的最初几分钟内迅速下降[15］.同时，肾外背景可以适度增长[16］.根据肾外区血管结构的不同，这两种成分可以减少或变平[17］.

如图所示1，在包裹每个肾脏ROI及其相应的背景噪声的前后投影上绘制了人工创建的感兴趣区域(ROI) [18］.问_b代表每个肾脏的总数问_F表示背景噪声计数。

修正后的肾总计数可通过 在哪里表示校正后的总肾计数，代表肾脏计数总计，表示感兴趣肾脏区域的像素数，表示背景区域的像素数，和表示背景区域计数。

2.3.2。衰减校正

左右肾的定位深度不同。一般来说，左肾比右肾更靠近后侧。这种深度差异可能导致受损的相对肾功能定量[19］.在临床常规中，已使用平均几何方法来根据前后投影校正肾脏深度[20.］.经衰减校正后改善的肾脏计数可用 在哪里代表衰减纠正肾核，代表前一个保存的计数，表示后验保存计数，μ软部的衰减系数是不是固定在1.43 cm⁻¹,d是病人肾脏的深度。

肾脏深度(d)，根据肾区重心与两个平均点前后位置之差计算[21］.

2.3.3。相对肾功能定量

经衰减校正(AC)后，相对肾功能定量计算如下: 在哪里和分别为衰减校正后的右肾计数和左肾计数。

2.4。平面投影限制

几何平均法对于平面投影是不方便的。事实上，这种方法假定两个肾脏的横贯结构始终是均匀的和相同的。这种假设可能被认为是不恰当的，特别是在异位肾脏的情况下。事实上，骨骼结构(髂骨和腰椎)比柔软部分更为脆弱[22］.此外，这项技术估计，发射光子穿过的后深度总是相同的(腹部深度)，对两个肾脏。而盆腔异位肾则不能满足这一条件。这就是为什么我们可以得出结论，在异位肾脏的情况下，平均几何技术是不可靠的。为此，我们采用了一种新的技术来评估相对肾功能，基于ct扫描肾区提取。事实上，这种方法可以消除平面投影的限制，从而提供更准确的诊断。

2．5．ROI提取

所提出的分割方法已经用于二维和三维的脑肿瘤分割[23]及3D [24磁共振成像。在本工作中，我们采用该算法从闪烁扫描图像中提取肾脏区域。

该算法不需要过多的训练。它只利用图像信息。我们定义作为包括肾脏区域在内的整个图像域的一个片段。数字2举例说明一个典型的例子表示包含肾脏和肾脏的区域肾脏周围组织，其强度分布最符合定义的模型D．所得到的区域代表肾脏区域的补体 ，因此，肾脏区域是我们的目标。我们将问题描述为包含（1）强度分布匹配术语的能量功能优化，该强度分布匹配项在非参数分布之间计算全局相似性，并且（2）用于抑制结果中的有限隔离区的开发的平滑度术语。算法需要很少的迭代来收敛，从而提供几乎实时的仿真。

为了定义和 ，我们应该把图像分成两部分。用户应仅在三个选项中进行选择：“右肾”、“左肾”和“两个肾”。对于第一个和第二个选项，使用垂直线将图像分成两个不同部分，以定义包含肾脏的区域和仅包含安全部分的区域。对于最后一个选项，选择了一条水平线。分割过程已根据用户选择自动实现，如图所示3.．

数字4说明了通过DMSA断层闪烁成像方式提取肾脏区域所提出算法的流程图。

2.6。配方

我们考虑 表示固定域的图像函数 ． 表示图像中包含肾脏区域的一部分(对应于图中的左边部分)2)．让米为整个图像域。我们可以定义 的补充区域的在米．D表示内部图像数据的分布核密度估计表示如下: 在哪里表示区域中的像素数 和通常是高斯内核功能：

我们可以考虑作为狄拉克函数，以获得归一化直方图。D表示先验模型，该模型包含不包含肾脏的部分的全部统计信息。该算法的主要步骤是检测内部（即，不包含肾脏的部分）区域E其强度分布最接近模型D（图中右侧2)．这样的区域提供安全组织在而且，作为我们目标的肾脏区域。

这个问题可以表述为有利于二进制标记的离散函数的最小化 ，的可变划分的 匹配安全组织和它在 ， 对应于肾脏区域。

为了获得最优标记，我们应该最小化一个全局代价函数，该函数包括基于Bhattacharyya测度的分布匹配约束和平滑度约束。为了引入成本函数，我们应该建议任何二进制标记的后续符号 ：（一世）E是否由提供变量区域 ．(2) 可以定义为区域内图像数据分布的核密度估计(KDE) (3) Bhattacharyya系数用于评估两个不同分布之间的重叠量f和 ：

该算法在于检测最佳标记使所提出的成本函数最小化： 与

年代可定义为通过负Bhattacharyya系数获得的分布匹配约束：

是为了最小化边界划分长度而使用的正则化先验[25］. 与

N可以定义为包含所有对的邻域系统{我，j中相邻元素的} ．正则化优先防止了解决方案中小的孤立区域的发展。表示调整相对分布匹配贡献和正则化项的正常量。然后产生一个最佳边界平滑区域， ，其强度分布最接近D。得到的最优区域对应于组织区域 ．因此，肾脏区域最终可以从如下:

3.结果

3．1.定量评价

一位在肾脏评估方面有多年经验的资深临床医生在常规的临床程序中手工绘制感兴趣区域(ROI)。这种人工分割被认为是基本真理。为了验证所获得的结果，已经进行了定量评估和统计分析，以评估所建议工具的性能。实际上，我们已经使用Dice Metric (DM)参数和Jaccard Index (JI)将得到的分割结果与专家提供的人工ROI提取进行了比较。

３．２．骰子规

对于分割结果的评价，采用骰子度量(Dice Metric, DM)作为验证参数。在文献中，DM常用来衡量自动分割结果与参考(ground truth或expert manual segmentation)之间的贴近度[26，27］.DM可以定义如下： 在哪里 ， ，和分别表示自动分割区域、专家手工分割区域和它们之间的交集。DM的值为[0,1]。1表示两段完全相似。较高的DM值验证了算法的性能。

３．３．Jaccard指数系数

为了评估所提出的分割算法的性能，本文采用了第二个验证参数。贾卡德指数(JI) [28]通常用来衡量得到的结果与人工分割的相似度和重叠度。它可以定义为 在哪里和表示自动分割区域和专家手工分割。Jaccard Index (JI)的值可以在[0,1]中。1表示两段完全匹配。较高的Jaccard指数(JI)肯定了算法的性能。

3．4．统计分析

相关性[29在手动分段和所获得的结果之间进行了评估，以验证所提出的方法的性能。Bland-Altman [30.]图，并计算类间相关系数(Interclass Correlation Coefficient, ICC)，以比较获得的相对异位肾功能与临床常规中通常采用的平面定量计算的相对异位肾功能。

本研究使用MedCalc软件进行统计分析。

3.5. 异位肾分割

在本节中，我们报告了应用所提出的方法在临床数据集上获得的分割结果。通过不同的异位肾脏扫描的几个视觉典型插图也将被提出。采用平均骰子度量(Mean Dice Metric, MDM)、平均Jaccard指数(Mean Jaccard Index, MJI)和相关性作为验证参数，评价算法的性能。

数字5显示异位肾脏病人的手术结果。蓝色曲线为得到的右肾边界，红色曲线为左肾边界，黄色曲线为专家手工分割。所得到的考虑ROI的二进制掩模如图所示5 (c)．ROI的提取如图所示5 (d)将用于评估相对异位肾功能。该算法只需要4次迭代，在0.35 s内实现自动分割。

数字6图示一例异位肾积水病人。蓝色曲线为得到的右肾边界，红色曲线为左肾边界，黄色曲线为专家手工分割。所考虑的ROI的二进制掩码如图所示6 (c)和6（g）．ROI提取如图所示6 (d)和6（h）将用于评估相对异位肾功能。所提出的算法只需要三个迭代，并在0.25秒内进行自动分割。

我们可以得出结论，所提出的算法需要很少的迭代（小于5）来处理接近实时的肾脏扫描（小于0.5秒）。

桌子1通过临床病例(50例正常和50例异位)不同的右肾，说明平均骰子指数(Mean Dice Metric, MDM)和平均雅卡指数(Mean Jaccard Index, MJI)。

我们计算得到的结果与所有切片上每个患者的分割结果之间的Dice Metric (DM)参数和Jaccard Index (JI)，然后评估患者总数(50例正常患者和50例异位患者)的平均值。我们可以注意到，该方法表现出了良好的性能，因为MDM在正常患者和异位患者中分别为0.9874和0.9725。正常患者MJI为0.9741，异位患者MJI为0.9654，验证了算法的有效性。

桌子2通过临床病例(50例正常和50例异位)不同的左肾显示平均骰子指数(Mean Dice Metric, MDM)和平均雅卡指数(Mean Jaccard Index, MJI)。

我们计算得到的结果的Dice Metric (DM)参数和Jaccard Index (JI)，并对每个患者在所有切片上进行手工分割，然后评估患者总数(50例正常患者和50例异位患者)的平均值。我们可以看到，该方法表现出了良好的性能，MDM在正常患者和异位患者中分别为0.9877和0.9791。正常患者MJI为0.9798，异位患者MJI为0.9685，验证了算法的有效性。

为了评估所提出的分割算法的性能，我们计算了所获得的结果与手动分段之间的相关性。我们选择了中央切片，我们已经计算了ROI部分中的强度。

正常患者右肾人工分割和自动分割得到的ROI强度散点图如图所示7．这两种方法之间的相关性被发现是y= 0.975−0.00755 (r= 0.97)。

正常患者左肾人工分割和自动分割得到的ROI强度散点图如图所示8．这两种方法之间的相关性被发现是y= 1.007x−1.037 (r = 1).

使用手动分段和异位患者右肾的自动化方法获得的ROI强度的散点图如图所示9．这两种方法之间的相关性被发现是y= 1.000x−0.981 (r = 1).

异位患者左肾人工分割和自动分割得到的ROI强度散点图如图所示10．这两种方法之间的相关性被发现是y = 0.997x − 0.173 (r = 1).

3.6。相对功能评价

如前一节所述，相关功能评价可能影响临床预后，尤其是异位肾。在这一部分，我们介绍了应用所提出的方法所获得的价值和平面量化方法所提供的结果。

使用MedCalc软件进行了统计分析，以评估所提出的方法的性能，特别是在异位肾的情况下。实际上，已绘制出与平面定量计算结果比较的Bland-Altman图。类别间相关系数(ICC) [31，以便将所得的相对函数与平面定量计算得到的相对函数进行比较。

数字11图示50例正常人右肾的Bland-Altman图。我们可以注意到所获得的相对函数和通过平面定量方法获得的相对函数可以被认为是相似的。

桌子3.给出了50例正常人右肾的类间相关系数(Interclass Correlation Coefficient, ICC)和平面定量方法。ICC值接近1，可以验证所考虑的值之间的相似性。

数字12说明了在五十个正常情况下为左肾的平坦altman图。我们可以注意到所获得的相对函数和通过平面定量方法获得的相对函数可以被认为是相似的。

桌子4给出了50例正常人左肾的类间相关系数(Interclass Correlation Coefficient, ICC)和平面定量方法。ICC值接近1，可以验证所考虑的值之间的相似性。

数字13说明了50个异位病例中右肾的平坦-Altman图。我们可以注意到所获得的相对函数和通过平面定量方法获得的那些可以被认为是不同的，这可以改变在临床常规中进行的作用。

桌子5给出了50例异位右肾的类间相关系数(Interclass Correlation Coefficient, ICC)和平面定量方法。ICC值不接近1，可以确定得到的结果与平面量化方法得到的值的差异。

数字14说明了50个异位病例中右肾的平坦-Altman图。我们可以注意到所获得的相对函数和通过平面定量方法获得的那些可以被认为是不同的，这可以改变在临床常规中进行的作用。

桌子6给出了50例异位左肾的类间相关系数(Interclass Correlation Coefficient, ICC)和平面定量方法。ICC值不接近1，可以确定得到的结果与平面量化方法得到的值的差异。

我们可以注意到得到的值与平面定量结果之间的差异。这种差异可以解释该方法的优势。实际上，由于不受背景噪声和衰减现象的影响，它提供了更准确的评价。

4.讨论

在这项工作中，我们采用了校正的断层扫描肾脏扫描。事实上，在采集过程中，每个患者都获得了一个特定的衰减系数卡。在临床常规中，平面定量已被用于计算正常和异位肾的相对肾功能。它采用了前向投影和后向投影，并用平均几何方法进行了校正。为了降低误差值，提出了考虑衰减现象和背景校正的方法。我们的临床工作人员提供了平面定量技术计算的相对肾功能，以便进行对比研究。然而，平均几何方法假设横贯前后厚度(腹部厚度)可以认为是相似的两个肾脏。认为衰减系数为常数，则衰减系数为 ．这种情况只适用于正常患者，当肾脏位于原来的位置时。因此，通过平面定量计算相对肾功能是可以接受的(表)3.和4)．然而，由于前后光子穿过的结构厚度是不均匀的，两个肾脏的结构厚度并不相同，因此这种方法不会在异位肾脏的情况下进行5和6)．病例3表现为右肾异位积水。放射性尿淤积使散射和背景噪声值显著增加。该方法与平面定量法的数值相差近7%。这种差异可能会改变治疗态度。我们可以得出这样的结论:基于闪烁扫描分割的方法比临床常规使用的平面定量方法更有优势，因为它有助于避免衰减现象和减少背景噪声。因此，我们建议在临床常规中使用该技术，特别是在异位甚至肾积水的情况下。

5.结论

在这项工作中，我们提出了一种通过99mTc-DMSA断层扫描近实时评估相对肾功能的先进方法。分割结果已由我们的临床工作人员验证。采用平均骰子度量（MDM）参数和平均Jaccard指数（MJI）来比较手动专家分割和获得的结果。为了从统计上验证所获得的分割结果，计算了相关参数。因此，较高的MDM、较高的MJI和较高的相关值可以验证所提出的分割算法的性能。该算法的目的是在不受衰减现象和背景噪声影响的情况下计算相对肾功能，背景噪声是临床常用的平面定量技术中的误差源。获得的结果已通过Bland–Altman图和类间相关系数（ICC）计算进行了统计验证。使用这种算法可以改变治疗态度，特别是在异位甚至肾积水的情况下。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢Khalil Chtourou教授（Habib Bourguiba SFAX医院）的宝贵支持和援助。

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