熊蝶，刘栋，唐大中，谈小飞，赵凌云，刘琴通信作者)

（华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科，湖北 武汉 430030）

0 引言

肾结石是一种成人常见的泌尿系统疾病，可引发诸如尿路感染、腹痛、肾积水、肾功能降低等并发症。中国成人肾结石患病率为5.8%，且发病率逐年升高[1]。由结石引发的急性肾绞痛是急诊常见病种之一，肾结石在第一次发作后的5年-10 年内有高达50%的病发率，重复手术干预率很高，尤其对于患有胱氨酸尿结石的患者，每个患者的平均干预率将达到10.6 次[2]。

CT 检查是目前原发性及复发性结石诊断的“金标准”，可显示肾脏大小、轮廓、肾结石、肾积水、肾实质病变及肾盂情况，辨认尿路以外引起的尿路梗阻病变的原因，如腹膜后肿瘤、盆腔肿瘤等[3]。随着泌尿系统结石的总体发病率不断提高，加之结石的高复发率及重复干预性，患者及研究人员对使用腹部CT 诊断肾结石引起的辐射暴露的愈加关注，在保证诊断质量的同时，如何尽可能减少结石患者的单次CT 扫描辐射剂量是当前CT 排查泌尿系统结石亟需解决的重点问题。

滤波反投影重建算法(filtered back projection, FBP)是目前CT 扫描最常用的图像重建手段。2011 年，迭代重建(iterative reconstruction, IR)技术开始在CT 扫描仪中应用。与FBP 相比，该重建算法基于模型的本质在算法原理上降低了噪声干扰，使受试者接受的X 线辐射剂量更低，从而在最终图像中达到相似甚至更低的噪声[4]。迄今为止，已有研究人员评估了IR 在CT 诊断结石疾病中的应用。虽然这些研究提供了丰富的信息，但没有适当的图像质量评估方式，或入组病例数较少，亦未按患者体重指数(BMI)或器官特定剂量定量评估受试者辐照剂量的降低，存在各式各样的不足[5-7]。

本研究通过不同方式采集肾结石患者的CT 平扫图像并分为FBP 组和IR 组，根据患者BMI 分析及量化患者接受放射剂量，同时比较主观图像质量，以分析及量化不同重建方式对受试者接受辐照剂量的区别。

1 材料与方法

1.1 一般资料

本研究经本院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书，所有受试者受到的辐射剂量均在允许范围内未受到额外的辐照剂量，回顾性选取2018 年01 月至2020 年12 月腹部平扫病例纳入本研究。

1.2 检查方法

受试者采用脚先进仰卧位；嘱受试者去除扫描范围内金属物体并配合呼吸。通过测量患者体重与身高来计算患者BMI。计算方法为BMI=体重/身高2。

扫描参数：CT 扫描仪采用Philips Brilliance 256 iCT。探测器宽度128×0.625mm，FBP 组管电压120KV，层间距5mm，自动管电流，标准FBP 方式重建。IR 组采用自适应迭代重建技术 (AIDR 3D, Toshiba America Medical Systems,Tustin, CA)扫描，剂量指数采用推荐值。其余技术参数，如矩阵、转速、准直及X 线探测器的性能等由专业工程师设置以得到最优图像。

1.3 纳入病例分组，病例临床及影像数据采集与评价

使用放射科影像报告系统搜索2018 年01 月至2020 年12 月确诊为泌尿系统结石病例，然后收集临床数据，包括体重指数(BMI)、年龄、性别、扫描原因、患者入院状况（住院、门诊和急诊），以及过去3 年在我院行腹部CT 扫描的次数。排除数据不全（无BMI、影像资料不全等）患者。CT 平扫原始数据由PACS 系统导出。

选取两名经验丰富的临床放射学家（分别具有10、20 年泌尿系统结石诊断经验）在不知晓重建方式及既往史的前提下对CT 平扫图像分析，回顾性分析入组患者的结石特征，包括总结石面积(mm2)、最大结石大小、积水程度、总结石数目及结石位置等，图像噪声采用三分法评估（1 分=基本无影响诊断的噪声；2 分=噪声在可接受范围内；3 分=图像噪声过高，影响诊断），图像质量采用5 分法评估（1 分=图像质量差，无法诊断；2 分=图像质量不佳，勉强可以诊断；3 分=图像质量较差，对诊断有一定影响；4 分=图像质量良好，基本不影响诊断；5 分=图像质量极好，诊断明确）。当诊断存在异议时，两者协商取得一致结果。

为了计算辐射剂量（具体见下节），由测量扫描范围中段的图像获得患者的前后径和左右径。并记录每个病例的容积剂量指数(CTDIVOL)用于器官特异性剂量的计算。临床数据收集者、放射科医生及放射技师只知晓自己的测量结果。

1.4 辐射剂量的计算

计算完全在扫描范围内的器官的特异性吸收辐射剂量，包括肝脏、膀胱、肾脏、皮肤。器官剂量的测定采用的是经过法医学及辐射计量学研究验证的线性公式[8,9]。根据不同病例的BMI 值及前后、左右径代入公式求得等价的圆形截面积，从而求得有效体径(effective body diameter, EBD)，而后根据扫描所得容积剂量指数计算各个器官的特异性辐射剂量(organ-specific dose, OSD)。

1.5 统计学分析

计量资料以均数±标准差表示，计数资料以例数(%)表示，组间比较采用t检验，Pearson 卡方检验、双尾Fisher 精确检验用于分类变量，Mann-Whitney U 秩和检验用于图像噪声及图像质量的比较，以P<0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般情况

在为期三年的研究中，共有5235 名患者于我院接受CT腹部平扫检查， 2533 例患者诊断报告中包含“结石”，选取320 符合纳入标准患者（存在泌尿系统结石）入组，其中FBP组160 例，IR 组160 例。两组患者在性别、年龄、BMI 等方面差异均无统计学意义，患者平均接受CT 腹部平扫次数为2.58次（表1）。

表1 入组样本基本信息及CT 扫描次数统计表

2.2 结石情况

本研究所纳入病例的结石经CT 平扫鉴别诊断所得：多数结石位于肾脏内（FBP 组87.5%，IR 组88.1%），形态单一（FBP 组77.5%，IR 组78.7%），同一位置的结石大小组间差异无统计学意义。输尿管结石FBP 组（4.55±0.77）mm，IR 组（4.36±0.60）mm 小于肾结石FBP 组（5.65±0.78）mm，IR 组（5.85±0.86）mm。

表2 纳入病例结石位置、大小及形态统计表

2.3 噪声及图像质量

两组间CT 噪声和图像质量差异无统计学意义（表3）。噪声方面，FBP 组1 分样本(67.5%)略低于IR 组(71.3%)，而3 分水平FBP 组(5.6%) 略高于IR 组(4.4%)，这是由于两者在算法上的基本原理所致。在图像质量方面，FBP 组与IR 组在各个评分段上得分差异均无统计学意义，且仅FBP 组有1幅(0.6%)图像质量低于可接受范围。

表3 FBP 组与IR 组噪声与图像质量主观评价统计表

2.4 器官特异性辐射剂量

IR 组CTDIVOL 仅为FBP 组的57%，降低了几乎一半的辐射剂量；各器官OSD，IR 组比FBP 组低47%-56%（表4）。IR 组OSD 值在中小体型( 有效体径20cm-33cm) 病例中比FBP 组平均低64%；肥胖（有效体径>32cm）患者中IR 组比FBP 组平均低45%，说明中小体型病例比大体型患者IR 扫描重建方式能更大程度的降低OSD 值。在肝脏、肾脏及膀胱中，OSD 值随着体径的增加基本呈递减趋势，IR 组OSD 值降低斜率较小，说明FBP 组随着有效体径的增加，电子束的能量衰减较IR 组更加明显（图1）。

表4 器官特异性辐射剂量统计表

图1 器官特异性辐射剂量示意图

3 讨论

目前最常用的减少受试者所接受辐射剂量的方式是降低X 线电子束强度，称之为低剂量FBP 扫描[10]。FBP 算法是建立在傅立叶变换理论基础之上的一种空域处理技术，在反投影前将每一个采集投影角度下的投影进行卷积处理，从而改善点扩散函数引起的星状伪影，重建的图像质量较好[11]。但由于其非基于模型的算法本质导致没有数据处理软件来衡量重建模型的特性，因此需要更多的光子（更高的剂量）来维持适当的噪声水平。这种扫描方式从很大程度上降低了受试者所接受的辐射剂量，但低能量电子束在诊断小结石方面存在较多的漏诊现象（约30%），尤其对于BMI 指数较高(BMI>30kg/m2)的肥胖患者，其检查效果及图像质量会急剧下降[12]。与此同时，低剂量CT 带来的另一个影响是图像噪声的增加，这给结石的鉴别诊断尤其是微小结石的检出增加了难度。有多中心研究表明，对于可疑的泌尿系统结石患者，低剂量FBP 扫描方案是不适用的，在确诊结石诊断准确性与特异度层面无法满足临床需求。本研究采用较新的迭代重建技术，研究结果表明在不明显降低图像质量及增加图像噪声的前提下，IR 技术可大幅度降低受试者所接受辐射剂量，这与已报道的IR 技术在其他疾病上的研究结果类似。此外，研究还发现对于中小体型受试者IR 技术可更大程度的降低受试者所接受的辐射剂量。

现有的肾结石CT 辐射剂量的研究，基本采用容积剂量指数(CTDIVOL)或剂量长度乘积(DLP)来判定受试者所接受的辐射剂量，其模型基于体径32cm 体模所得，这样对于小体型受试者（体径<32cm）所接受的辐射剂量被高估，而大体型受试者（体径>32cm）所接受的辐射剂量被低估。本研究通过换算所得每个受试者的有效体径计算器官特异性辐射吸收剂量，可以更精确的反应辐射剂量在不同体型受试者的变化趋势，为临床根据不同体型选择合适的扫描及重建方式提供了应用基础。

此外，本研究以盲法评估不同扫描及重建方式对图像质量、图像噪声和器官特异性剂量的影响。我们发现IR 技术和FBP 技术在图像噪声和主观图像质量方面没有显著差异。与此同时，本研究在同样kVp、同样管电流调制及层厚的前提下，IR 组比FBP 组具有更少的噪声。

当然，本研究仍有一定的局限性：首先，没有同一患者同时接受FBP 和IR-CT 检查的图像直接进行比较；根据国际放射放护委员会(ICRP)提出的辐射防护实践正当性原则，同一患者接受非必要的射线辐射是不符合医学伦理要求的，我们的研究通过加大样本量以减少此因素造成的误差。其次，本研究纳入病例均为阳性结果，这就限制了我们比较两种重建技术类型的诊断能力；我们通过随机分配患者到不同扫描组以减少此误差。第三，本研究没有涉及IR-CT 对其他类型的腹部或盆腔疾病的诊断能力。最后，本研究无法评论这两种方式在预防泌尿系统结石漏诊的能力。

本研究通过对320 例确诊结石患者队列进行回顾性分析，得出接受IR-CT 检查的患者与接受FBP-CT 队列的患者相比，可减少皮肤和内脏（肝脏、膀胱、肾脏）约50%-60%的辐射剂量。在图像质量和噪声相似的前提下，低剂量CT 应采用IR 等重建算法取代FBP-CT 作为尿路结石CT 成像的标准，以降低此人群的终生辐射风险。