双能量CT不同卷积函数对足踝关节尿酸单钠晶体沉积检测的影响

王萍，黄佳珊，王泽，张玉娟，龚沈初，王林

江苏省南通市第一人民医院/南通大学第二附属医院 影像科，江苏 南通 226001

引言

痛风是由于嘌呤代谢障碍、尿酸排泄减少、血尿酸（Serum Uric Acid，SUA）持续升高而导致尿酸单钠晶体（Monosodium Urate Crystal，MSU）析出并沉积于组织器官而引起的一组临床综合征，其中MSU又称“痛风石”，主要临床表现包括反复发作的关节肿痛、出现痛风石等[1]。据统计，目前中国成人痛风总体患病率约1.1%，且呈逐年上升趋势[2]。双能量CT（Dual-Energy CT，DECT）作为无创检查手段，对痛风诊断具有较高的敏感性与特异性[3]，《美国风湿病学会/欧洲抗风湿病联盟痛风分类标准（2015版）》[4]已将其作为痛风的诊断标准之一。既往研究表明，CT扫描条件与后处理参数可影响DECT痛风检测的准确性；而图像重建参数，如重建方法滤波反投影法（Filtered-Back Projection，FBP）、正弦图确定迭代算法（Sinogram-Affirmed Iterative Reconstruction，SAFIRE）、卷积函数（kernel）方面，尽管有学者认为图像重建参数也是影响痛风检测的重要因素，但并未对其进行系统研究[5-7]。本研究主要比较不同重建方法与卷积函数对足踝部MSU检测的影响，以期为临床准确诊断、评估痛风提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

前瞻性连续选取2020年5月至7月于我院临床诊断为痛风的76例住院患者的足踝部CT影像。纳入标准：① 临床确诊为痛风；② 完成足踝DECT痛风检测和超声检查。排除标准：足踝部外伤、感染、关节退变明显或骨关节炎患者。检测所有入组患者的SUA水平，并记录患者一般资料。经筛选，最终共22例患者纳入本研究，其中男16例、女6例，年龄18～74岁，平均年龄（46.18±17.09）岁，平均SUA为（509.00±104.00） μmol/L，平均病程（26.94±6.00）个月。本组病例CT检查的容积CT剂量指数（Volume CT Dose Index，CTDIvol）为（3.44±0.15）mGy。本研究经南通市第一人民医院医学伦理委员会批准（2020KT101），所有患者均自愿签署知情同意书。

1.2 超声检查

由1名具有10年骨肌超声诊断经验的医师（医师A）对所有入组患者行双侧足踝部超声检查（飞利浦EPIQ 7，探头eL18-4，频率66 Hz），如出现典型的“双轮廓”征、“暴雪”征则认为存在MSU沉积[8]。参照Strobl等[7]研究，以超声结果作为是否存在MSU沉积的参考标准。

1.3 CT扫描

使用西门子SOMATOM Definition Flash双源CT行足踝部扫描。患者取平卧位，足先进，足尖向上轻度内旋，给予拘束带固定。扫描范围自足底至下胫腓联合上缘水平。A、B球管管电压分别为80 kV、Sn 140 kV，参考球管电流依次为100 mAs、50 mAs，准直0.6 mm，螺距因子0.7 mm，使用CARE Dose 4D管电流自动调制技术。分别在SAFIRE（强度3）和FBP模式下，按8组不同kernels重建薄层软组织窗图像（SAFIRE模式下：Q30、Q34、Q40；FBP模式下：D24f、D30f、D34f、D36f、D40f），重建层厚、层间距均为1.0 mm，将重建图像传入后处理工作站（Syngo Via，版本VB10）。

1.4 CT后处理

使用后处理工作站中Dual-Energy Gout软件包对所有图像进行处理，重建轴位伪彩图像（层厚、层间距均为3 mm）及容积再现技术（Volume Rendering Technique，VRT）图像。重建参数如下：Resolution=4，Minimum=150 HU，Iodine Ratio=1.36，Air Distance=5。由 1名具有 5年（医师B）和1名具有10年以上（医师C）骨肌系统影像诊断经验的医师分别对不同kernels的后处理图像进行评估：以超声结果作为参考标准，分别独立对DECT图像中MSU伪影数量及导致伪影的原因进行评估，意见不一致时进行协商，协商一致后记录伪影数量（伪影数量百分比=观测到的伪影数/MSU总数×100%，其中MSU总数为MSU晶体数与伪影数之和）、部位，并在后处理软件中剔除伪影部分，记录MSU数量与软件自动测得的MSU总体积。参照VRT图像，在轴位图像MSU最大层面，沿MSU边缘手工勾勒感兴趣区（Region of Interest，ROI）如图1所示，测量其CT值和标准差（Standard Deviation，SD），测量两次取平均值，以SD作为图像的背景噪声[8]，计算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）；如MSU未显示，则该值空缺。同时记录CTDIvol。

图1 痛风患者DECT检测右足横断面伪彩图像（SAFIRE3 Q30重建）

1.5 统计学分析

使用SPSS 22.0软件进行数据分析。数据符合正态分布表示为±s，不符合正态分布表示为M（Q1，Q3），分别使用方差分析或秩变换检验比较不同kernels下MSU体积和数量、伪影数量、SD、SNR的差异，两两比较采用LSD法。使用Kruskal-Wallis检验比较不同kernels下伪影分布的差异。使用Spearman检验分别比较伪影数量、MSU体积和数量与SUA水平、病程的相关性以及伪影数量、MSU体积和数量与SNR间的相关性，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 痛风检测结果

超声检查显示22例患者均出现MSU晶体沉积，其中6例沉积于左侧足踝、4例沉积于右侧足踝、12例双侧足踝均可见MSU晶体沉积；共17个跖趾关节、13处足底肌腱/韧带、1处跟腱、10个跖跗关节、7处踝关节周围韧带/肌腱或肌肉内可见MSU沉积。以超声结果作为参考标准，DECT图像SAFIRE3 Q34和FBP D24f、FBP D34f重建模式下，22例患者均可见MSU晶体沉积，沉积部位与超声所见一致；在FBP D30f、D36f、D40f和SAFIRE3 Q30、Q40模式下，依次有 3、5、1、6、3例患者未见MSU晶体沉积（图2）。

2.2 不同kernels下痛风检测图像结果分析

不同kernels下测得的MSU体积、MSU数量、伪影数量、SD和SNR结果如表1所示。方差分析结果显示，不同kernels下测得的MSU数量、SD值无统计学差异（P＞0.05）；而MSU总体积、伪影数量、SNR的差异有统计学意义（P＜0.05）。进一步的两两比较结果显示，SAFIRE3 Q34模式下，DECT痛风检测图像的SNR与FBP D24f比较，差异无统计学意义（P=0.099），但优于FBP D34f（P=0.011）；SAFIRE3 Q34的MSU伪影数量少于FBP D24f、FBP D34f（P值均＜0.05）。

表1 不同卷积函数重建图像各观测指标汇总

2.3 MSU伪影分布

所有kernels下DECT图像均存在不同程度的MSU伪影，其数量和位置分布如表2和图3所示，MSU伪影以韧带/肌腱、甲床、肌肉内较为多见。不同kernels下重建图像的皮肤表面伪影、韧带/肌腱伪影和肌肉内伪影数量存在统计学差异（H=17.545、68.245、42.841，P=0.014、＜0.001、＜0.001），进一步两两比较结果显示，SAFIRE3 Q34模式下肌肉内伪影、韧带/肌腱伪影数量与FBP D24f相当（校正后的P=0.093、1.000），且少于FBP D34f（校正后的P=0.004、＜0.001）；三者皮肤表面伪影数量无显著差异（校正后的P值范围：0.589～1）。

图3 痛风患者双侧足踝DECT检测VRT图像

表2 不同卷积函数下DECT足踝部痛风检测伪影分布（个）

2.4 MSU体积、数量、伪影的相关性分析

本组病例的伪影数量、MSU体积、MSU数量与血SUA水平、病程时间未见明确相关性（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）；伪影数量与SNR呈负相关（r=-0.157，P=0.049），而MSU体积、MSU数量与SNR间未见明显相关关系（r=0.008、-0.028，P=0.917、0.732）。

3 讨论

偏光镜下显示关节液中MSU晶体是诊断痛风的“金标准”，但该检查为有创检查，且存在一定的假阴性结果[9]，因此临床多采用ACR/EULAR痛风循证建议推荐的评分标准[4,10-12]进行诊断。DECT和超声显示MSU晶体沉积是其重要的评分内容[4,11-12]。DECT使用两种不同能量的X线进行扫描，利用组织密度不同进行物质衰减差异分析，并通过图像后处理显示MSU沉积，其诊断痛风的敏感性为78%～100%、特异性为89%～100%[10]。

然而，DECT显示MSU晶体沉积也存在误判，一方面可因扫描或后处理参数设置不当产生伪影[8]，影响MSU体积测量的准确性；另一方面则存在因未能显示痛风石而导致漏诊的潜在风险[13-15]。近年来，已有DECT扫描、后处理参数等对MSU检测影响的研究报道：Jeon等[5]认为相对于80/140 kV球管电压而言，使用80/Sn150 kV球管电压有助于减少MSU伪影；Kotlyarov等[6]比较了单源DECT设置不同球管电流对痛风检测的影响，认为球管电流比在2～4之间为宜；Strobl等[7]建议将Gout后处理软件中痛风石阈值下限从150 HU调整为120 HU有助于MSU晶体的显示，且测得痛风石体积更加准确。

尽管Mallinson等[16]认为卷积函数可能是影响DECT痛风检测结果的重要因素之一，但未对其做进一步研究。使用西门子Flash DECT行痛风检测时，可供选择的kernels包括D系列（不使用迭代的FBP重建）、I系列（双能量扫描使用迭代重建）和Q系列（双能量扫描SAFIRE迭代重建定量测量）等，kernel字母后的不同数字表示不同的分辨率和锐利度[17]。合适的卷积函数与重建方法应尽量避免MSU漏诊、抑制伪影、提高图像质量。本研究中，尽管不同kernels下DECT检出的MSU数量无统计学差异（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检出MSU晶体沉积，存在漏诊的风险。同时，不同kernels会显著影响痛风石体积的定量测量（P=0.016），因临床实际中很难在病理下测量全部MSU晶体的真实体积，故本研究未进一步比较何种kernel下测得的MSU体积更准确。本研究结果表明，在临床疗效评估或病情监测中，应选择同一kernel完成DECT检查，避免对痛风石定量测量的影响。

MSU伪影一直是影响DECT痛风检测准确性的重要因素[18]。不少学者已对伪影的类型进行归纳，提出相应的解决方法[14,16,18]，但实际效果有待进一步验证。在临床工作中，对伪影的鉴别仍主要依靠阅片者的经验，本研究参照Strobl等[7]的方法，选择超声作为显示痛风石的参考标准以尽可能的鉴别伪影。本研究结果显示，在所有kernels下均可见不同数量的MSU伪影，且以韧带/肌腱、甲床、肌肉内伪影多见，与既往研究结果一致[14,16,19]；伪影数量与SNR呈负相关。在抑制背景噪声、提高图像质量方面，SAFIRE迭代算法理论上比传统的FBP法更具优势。相对于FBP D34f，SAFIRE3 Q34的SNR更高，且MSU伪影总数少于FBP D24f、FBP D34f；在韧带/肌腱、肌肉内等伪影常见部位，SAFIRE3 Q34的伪影数量亦小于FBP D34f。

本研究的创新性包括以下几点：① 提出适用于西门子Flash CT痛风检测的重建参数：SAFIRE3 Q34；② 不同kernels对痛风石数量无影响，但对痛风石体积、伪影数量等有影响，因此在需要对痛风石进行定量测量的应用场景（如疗效评估、病情监测等），前后数次DECT检测应选择同一kernel进行；③ 不同kernels对足踝部分MSU伪影的位置分布有影响；④ 痛风石体积、数量及MSU伪影数量与SUA、病程无明显相关性。同时，本研究也存在以下不足：① 本研究为单中心研究，样本量较小；② 研究仅在单一品牌型号的CT扫描仪上进行，且并未涵盖所有的卷积函数；③ 研究对象为临床诊断痛风患者，未采用痛风诊断金标准，而以超声作为显示MSU沉积的参考标准，超声检查依赖于操作者的经验和技术水平，可能对研究结果产生影响；④ 尽管引入两名影像诊断医师，且以超声结果作为参照，对MSU伪影的辨识仍不可避免地存在主观因素，近年来有学者提出即使存在于甲床等部位的伪彩阳性亦不能简单地判定为伪影[20]，故对MSU伪影的鉴别仍值得持续关注。

4 结论

本研究分析了不同卷积函数重建图像对DECT痛风检测的影响，结果表明应用西门子DECT（Flash）的SAFIRE3 Q34进行重建图像可以准确显示痛风石，并减少伪影干扰、提高图像质量。