冲击波碎石术治疗前后肾结石自动体积分析的效用

The utility of automated volume analysis of renal stones before and after shockwave lithotripsy treatment.Urolithiasis volume 49, pages219–226 (2021)Cite this article本研究旨在评估使用计算机断层扫描 (CT) 图像与手动测量相比，使用冲击波碎石术 (SWL) 估计结石体积的自动化方法的额外效用。效用被评估为准确测量 SWL 治疗前后结石负荷的能力，以及结石体积是否比结石直径更能预测 SWL 结果。包括 72 名接受 SWL 治疗的肾结石患者，这些患者在治疗前后都有可用的 CT 扫描。将使用椭圆体方程的结石轴测量和体积估计与使用结石图像的 CT 纹理分析 (CTTA) 的软件进行的体积估计进行比较。手动和 CTTA 估计的结石体积之间存在很强的相关性（r > 0.8）。CTTA 测量的结石体积在二元逻辑回归分析中显示出成功 SWL 结果的最高预测值 (r2 = 0.217)。最初根据手动轴测量被归类为“无结石且残留碎片无临床意义”的三个病例实际上比基于 CTTA 估计的剩余最小碎片更大的结石体积为“非无结石”病例。该研究表明，客观测量结石总量可以改善治疗前后结石负荷的估计。当前基于残余碎片大小的手动测量的无结石状态定义不准确，可能会低估治疗后的剩余结石负荷。未来关于不同结石治疗效果的研究应考虑使用基于 CT 图像分析的客观结石体积测量作为无结石状态的结果测量。肾道结石管理的当前证据和治疗指南，包括美国泌尿学协会 (AUA)、欧洲泌尿学协会 (EAU) 和英国 NICE 的建议，均以诊断时结石的大小和剩余结石的大小为指导初始治疗后的碎片。然而，在如何测量结石轴长或结石体积以及应使用哪种成像方式来可视化结石大小方面，没有统一的标准方法来定义结石大小 [1,2,3,4]。先前调查不同治疗方式对肾结石疗效的研究表明，用于定义治疗结果的方法存在很大的异质性，包括成像方式的选择、测量结石负荷的方法以及“临床上无意义的残留碎片”或“残余碎片”的大小定义CIRF [5, 6]。最近 NICE 指南的证据审查表明，当“无结石”的定义因研究而异时，比较不同结石治疗方式之间的结果存在困难[7]。大多数研究确实将 CIRF 的存在作为治疗后的“无结石”结果，并且选择体外冲击波碎石术 (SWL)、逆行肾内手术 (RIRS) 或经皮肾镜取石术 (PCNL) 的建议是基于这些无结石率.然而，对于是否所有 CIRF 均显着且因此仅应将完全“无结石”作为治疗的成功结果应包括在内，或者根据未来症状和需要的风险，某些残留碎片是否可能比其他碎片更重要，尚无一致意见进行再治疗[8]。结石体积现在被认为是一种更准确、更可靠的测量结石负荷的方法，随着肾输尿管和膀胱计算机断层扫描 (CT KUB) 和超低剂量 CT KUB 的使用增加，这种方法也变得更加可行。9]。然而，使用 3D 重建和使用轴测量手动计算结石体积都不是常规执行的 [10]。结石负荷的单轴测量仍然是临床实践中的规范，并形成了肾结石管理的研究和指南的基础 [11, 12]。关于测量残留结石的体积如何影响我们对 CIRF 的理解知之甚少。本研究比较了使用半自动软件工具评估结石体积的 CT KUB 图像上的结石负荷测量与使用手动轴测量估计结石大小的传统方法，无论是在 SWL 治疗前后。还评估了结石体积有助于预测 SWL 结果的能力，以及基于结石轴与体积测量的残余碎片的重要性。患者和方法对 2010 年至 2014 年间在单一机构接受过 SWL 的连续患者的回顾性数据收集进行了筛选。纳入标准为接受 SWL 治疗的成人肾结石患者，在 SWL 治疗前后进行 CT KUB。这与 Christiansen 等人之前的研究中使用的队列相同。[13]。人工测量结石尺寸CT KUB DICOM 文件使用 MicroDICOMviewing 软件进行分析。测量工具用于手动测量石轴长度。选择主观上面积最大的轴向切片，并使用x和y垂直轴上的最大直径以及冠状视图上的x轴。对于椭圆体的体积，根据以下三个方程估计结石体积的手动计算：斜角椭圆体公式（π/6 × a × b × c）、扁椭圆体公式（π/6 × a × a × c）长椭球公式 (π/6 × a × b × b)，其中 a 是赤道直径，b 是极径，c 是第三个可测量直径 [10]。结石尺寸的半自动测量DICOM 文件也使用专有 CT 纹理分析 (CTTA) 软件（StoneChecker Software Limited，Radstock，UK）进行分析 [14]。该软件半自动地在所有包含结石的轴向图像上填充与结石相关的感兴趣区域 (ROI)。这是通过设置 Hounsfield 单位 (HU) 阈值来执行的，该阈值将区分可以代表结石而不是周围组织或尿液的任何像素。包含在包含结石的所有图像切片的 ROI 中的像素用于计算结石负荷的度量，包括长横轴长度、长纵轴长度、最大切片的横截面积、每块结石的体积和总存在的像素数（图 1）。软件通过计算为宝石绘制的所有 ROI 中的所有可用像素并将其乘以从 DICOM 元数据获得的像素大小和切片厚度来估计体积。

使用 StoneChecker 软件生成计算机断层扫描纹理分析变量的示例。绿色区域代表软件生成的半自动感兴趣区域SWL治疗SWL 治疗由经验丰富的泌尿科医生或泌尿放射科医生使用 Medical Modulith® SLX F2（瑞士 Storz Medical AG）碎石机进行。在手术过程中，透视和/或超声检查用于使用“扩展焦点”设置进行结石定位。冲击波的能量从 1.0 J 开始，然后缓慢增加到最大能量水平 6.0 J，具体取决于结石。传递的冲击波数量从 800 到 4000 不等，具体取决于治疗时在成像上看到的反应。大多数患者接受了 2000-3000 次频率为 1.0-1.5 Hz 的冲击波。SWL的结果根据临床团队的定义，SWL 的结果基于治疗后 CT KUB 成像和使用手动测量或 CTTA 软件观察到的任何剩余碎片的测量。“无结石”被定义为在后续 CT KUB 成像中 SWL 后没有残留结石。CIRFs 被主办机构定义为碎片 ≤ 4 mm。主办机构没有规定测量残留碎片大小的方法[10]。统计分析使用 Pearson r 相关性评估手动与半自动结石负荷测量之间关系的强度。对由不同结石负荷测量解释的 SWL 治疗结果的变异程度进行二元逻辑回归。所有分析均使用 IBM SPSS Statistics for Windows 版本 24 进行。结果患者特征72 名接受 SWL 的患者被纳入本研究进行分析，如表 1 所述。69/72 (96%) 的 SWL 治疗是针对同一位置的 1 块结石。中位长轴长度为 6.92 mm（IQR = 5.7-8.9），中位体积为 113 mm3（IQR = 62-276）。大多数结石位于下极（45.8%）和肾盂（40.3%）。大多数患者 (83.3%) 只需要一次 SWL。在 CT KUB 随访成像中定义为“完全无结石”的 SWL 成功率为 44.4%。在最后一次 SWL 治疗后的中位时间为 61 天（IQR = 42-76）时，进行随访 CT KUB 以确定 SWL 的结果。11/72 (15%) 的病例需要额外治疗，其中 10 例需要 RIRS，1 例需要 PCNL。Table 1 Demographic and clinical outcome表 1 人口统计学和临床结果From: The utility of automated volume analysis of renal stones before and after shockwave lithotripsy treatmentTotalOutcomeCompletely stone-freeStone-free with CIRFsNot stone-freeNo. treated cases7232 (44)37 (51)35 (49)No. male (%)42/72 (58.3)20/32 (62.5)25/37 (67.6)18/35 (51.4)No. left side (%)34/72 (47.2)15/32 (46.9)19/37 (51.4)16/35 (45.7)No. stone location (%)Upper pole2/72 (2.8)2/32 (6.3)2/37 (5.4)Midpole7/72 (9.7)4/32 (12.5)4/37 (10.8)5/34 (14.7)Lower pole33/72 (45.8)18/32 (56.3)21/37 (56.8)15/35 (42.9)Renal pelvis29/72 (40.3)8/32 (25.0)10/37 (27.0)14/35 (40.0)Missing1/72 (1.4)1/35 (2.9)Measures of stone burdenNo. of stones169/72 (96)32/32 (100)36/37 (97.3)33/35 (94.3)23/72 (4)1/37 (2.7)2/35 (5.7)Stone axis lengthMajor axis length; mma6.9 (5.7–8.9 [3.4–20.1])6.2 (5.2–8.1 [3.4–11.8])6.3 (5.2–8.1 [3.4–13.8])7.7 (6.0–10.8 [3.9–20.1])Vertical axis length; mma7.5 (5.7–10.5 [2.6–21.0])6.7 (5.3–8.1 [3.7–12.7])6.8 (5.0–8.6 [3.7–12.7])9.0 (6.0–11.4 [2.6–21.0])Stone volume(s); mm3a113 (62–276 [21–1820])74 (56–141 [21–350])80 (58–168 [21–518])199 (77–396 [8–1820])Total no. of pixelsa220 (139–485 [30–3224])190 (131–391 [65–966])200 (142–446 [65–1615])238 (133–511 [30–3224])No. SWL sessions160/72 (83.3)30/32 (93.8)35/37 (94.6)27/35 (77.1)210/72 (13.9)1/32 (3.1)1/37 (2.7)7/35 (20.0)31/72 (1.4)≥ 41/72 (1.4)1/32 (3.1)1/37 (2.7)1/35 (2.9)CIRFs，临床上无意义的残留碎片；CT KUB，计算机断层扫描肾脏输尿管膀胱；SWL，冲击波碎石术a 使用 StoneChecker 软件测量值。“CIRF 无结石”是指完全无结石的患者或治疗后有 CIRF 的患者。“完全无结石”是“带有 CIRF 的无结石”的子集，仅适用于完全无结石的患者。“非无结石”是指治疗后残留碎片大于 CIRF 的患者。“总计”包括“无结石 CIRF”和“非无结石”患者的总和全尺寸表CT KUB 上结石负荷的手动与半自动测量使用 StoneChecker 软件进行半自动体积估计与人工估计结石体积的比较表明，所有结石大小和体积变量（跨越用于椭球体积计算的三个方程）在这两种方法之间显示出很强的正相关性（表 2），皮尔逊相关系数为 r > 0.8。更具体地说，基于椭球的扁圆和斜角石公式的手动结石体积计算显示与软件估计体积 r > 0.9 的相关性。Table 2 Correlation between a manual versus semi-automated method of measuring stone size 表 2 手动与半自动测量宝石尺寸的方法之间的相关性From: The utility of automated volume analysis of renal stones before and after shockwave lithotripsy treatmentVariablesManual methodSemi-automated methodPearson r correlationMajor horizontal axis length (mm)a6.6 (5.4–9.0 [3.0–20.8])6.9 (5.7–8.9 [3.4–20.1])0.97Major vertical axis length (mm)a7.2 (4.7–9.3 [2.6–16.3])7.5 (5.7–10.5 [2.6–21.0])0.88Manual volume estimation using different equations for the volume of an ellipsoidOblate161 (71–379 [13–3347])113 (62–276 [21–1820])0.94Scalene100 (40–247 [10–1420])0.94Prolate65 (24–181 [1–1172])0.83Values are median (IQR [range])aValues were measured from the largest cross-sectional slice of the stone manually. The manual method of calculating stone volume used the following formulas for an ellipsoid: oblate ellipsoid (π/6 × a × a × c), scalene ellipsoid (π/6 × a × b × c) and prolate ellipsoid (π/6 × a × b × b)a 值是从宝石的最大横截面手动测量的。手动计算结石体积的方法使用以下公式计算椭圆体：扁椭圆体 (π/6 × a × a × c)、不等角椭圆体 (π/6 × a × b × c) 和扁长椭圆体 (π/6 × a × b × b)CIRFs 通常手动与半自动尺寸测量的分类基于使用后续 CT KUB 图像的手动结石轴测量的原始分类，SWL 的结果被分为三类之一：“完全无结石”、“无结石并带有 CIRF”和“无结石”。对于结果为“CIRF 无结石”和“非无结石”的病例，使用 StoneChecker 软件估计任何剩余碎片的总体积。根据使用 StoneChecker 进行的体积估计，“非无结石”组和“无结石与 CIRF”组之间的结石体积存在重叠（表 3）。有 3 颗最初被归类为“无结石并带有 CIRF”的结石，随后发现其总结石体积大于“非无结石”组中发现的最小碎片的体积 (8.34 mm3)。这表明，最初将治疗结果分类为“CIRF 无结石”可能低估了某些病例的总剩余结石负担。相反，长轴长度的测量显示，原始结果为“非无结石”的三个病例的长轴直径小于 4 毫米，因此有资格获得“无结石且 CIRF”的结果。表 3 使用 StoneChecker 软件测量的“非无结石”组（a）和“无结石带 CIRF”组（b）中剩余的五个最小结石碎片的主要水平长度和体积。(b) 部分的粗体结果表明，3 例被归类为“无结石并 CIRF”的病例的体积大于“非无结石组”中最小的体积来自：冲击波碎石术治疗前后肾结石自动体积分析的效用(a) Post-SWL remaining stone size and volume in the 'not stone-free’ groupMajor horizontal length (mm)Volume (mm3)2.3878.342.53510.613.51610.784.23816.184.38619.11(b) Post-SWL remaining stone size and volume in the 'stone-free with CIRFs’ groupMajor horizontal length (mm)Volume (mm3)1.6422.382.3047.053.51610.303.67211.733.85426.07CIRF, clinical insignificant residual fragment; SWL, extracorporeal shock wave lithotripsy用于预测无结石结果的体积与轴长传统上，主要水平轴长度用作 SWL 结果的预测参数。正如可以预期的那样，本研究中显示“完全无结石”结果的病例总体上比具有“非无结石”治疗结果的病例具有更小的长横轴长度。使用二元逻辑回归对 SWL 结果的结石大小变量进行分析表明，StoneChecker 测量的结石体积、长轴长度、垂直轴长度、切片面积等变量有显着贡献；以及手动测量的短轴长度和结石体积变量的显着贡献（表 4）。然而，与其他参数相比，CTTA 测量的结石体积具有最高的统计预测值（Nagelkerke R square = 0.217）。这表明结石体积变量可以解释有无结石结果的 21.7% 的方差。相比之下，使用 StoneChecker 测量的主轴长度显示能够解释无结石或无结石结果中 9.9% 的差异。表 4 使用 StoneChecker 生成的体积和结石轴测量结果对体外冲击波碎石术后“无结石”结果的预测能力比较From: The utility of automated volume analysis of renal stones before and after shockwave lithotripsy treatmentVariablesSigExp (B)95% CI for Exp (B)Nagelkerke R SquareLowerUpperMajor axis length (mm)0.0360.8060.660.9860.099Vertical axis length (mm)0.0340.8280.6960.9860.100Area of largest slice/ROI (mm2)0.0140.9640.9360.9930.156Stone volume (mm3)0.0080.9940.990.9990.217The higher value of Nagelkerke R Square indicates better prediction of stone-free rate outcomeCI, confidence interval; ROI, region of interest讨论在这项研究中，使用客观的半自动 CTTA 软件程序测量结石体积，提供了更多关于 SWL 治疗前后结石负荷的信息。治疗前，结石体积比轴测量更能预测成功的 SWL 结果。SWL 后，如果仅基于碎片的轴测量，可能会低估结石负荷。碎片的总体积可能更有助于确定任何残留碎片是否显着并可能需要再处理。随着 CT 成为诊断肾道结石的标准成像方式，使用 CT 软件测量结石体积的实用性越来越被认为对于规划治疗和预测治疗结果很重要。以前的研究使用了几种不同的方法来通过 CT 图像估计结石体积，包括对结石进行 3D 重建以测量轴长，然后应用椭球公式 [9, 15]；使用第三方 CT 软件估算体积 [10, 16]；并使用 HU 阈值和体素计数技术 [17]。使用结石体积代替轴向测量可能是治疗结果的更好预测指标，因为手动轴测量的微小差异可能会导致更大的体积变化 [9, 16]。正如 Finch 等人发现的那样，这可能更适用于增大结石尺寸。[10]。随着最大结石直径的增加，使用椭球体积方程的结石体积估计变得不太准确 [10]。这些结果反映了我们的发现，如椭球方程体积估计与半自动体积估计的表 2 所示。我们研究中的手动体积估计值因使用的方程而异，尽管手动方法和自动方法之间的关系在所有方程中都很强 [10]。本研究中的技术还采用了体素计数以及基于 HU 阈值的感兴趣区域的自动选择。与需要手动绘制感兴趣区域或手动测量轴长度的其他技术相比，这具有优势，这些技术可能不准确且可重复性较差 [16]。先前的研究表明，在其他结石和患者相关因素中，结石大小是 SWL 结果的强预测因子 [18,19,20,21,22,23]。在几乎所有的研究中，都使用了结石轴直径的测量值。我们的研究支持先前的证据，即结石体积比轴长更能预测 SWL 结果 [9]。在二元逻辑回归中，使用 StoneChecker 测量，结石体积比长轴长度解释了更多的无结石或非结石 SWL 治疗结果的变化（长轴长度的 Nagelkerke R 平方为 0.099，而结石体积为 0.217） .尽管使用 CTTA 软件估计的体积确实与手动估计的体积高度相关 (r > 0.9)，但使用软件体积计算可能不如手动测量 3 个石轴长度那么费力，我们的分析表明 CTTA 估计的体积是对结果的预测比手动估计的体积略高。这种技术对于轮廓不规则的大石头或不止一颗石头的情况可能特别有用，因为该软件可以将所有要处理的石头的体积相加。已经认识到使用结石体积测量来计划治疗的重要性 [24]。然而，关于治疗后残留碎片体积测量的研究较少。在这项研究中，最初被归类为“无结石并带有 CIRF”的三颗结石的总结石体积实际上大于“非无结石组”中最小残留碎片的体积。这表明将结石结果归类为“CIRF 无结石”可能会导致一些结石的错误分类，这些结石实际上比归类为“非无结石”的那些结石大。准确测量残留碎片的结石体积可能在确定结石治疗结果方面更有价值 [17, 25]。该研究显示，分类为“无结石且 CIRF”和“非无结石”的病例之间结石体积重叠，即治疗后残留碎片 > 4 mm，因此不是 CIRF。例如，“非无结石”病例中的一个残留碎片的主要水平长度为 4.238 毫米，结石体积为 16.18 毫米 3，而“无结石并带有 CIRF”的病例的主要水平长度为3.854 毫米和更大的石头体积 26.07 立方毫米。一些人主张根据“完全无结石”或“非无结石”来定义结石治疗的结果，以减少对 CIRF 一词使用的混淆 [26]。然而，对 SWL 和 RIRS 后 CIRF 自然史的研究表明，大多数 CIRF（约 56-78%）会自发通过或不需要进一步治疗 [8, 26,27,28,29]。这仍然有很大一部分（大约 29-50%）需要重新处理。最近的一项研究对 232 名 RIRS 后有任何大小残留碎片的受试者进行了 12 个月的随访，并进行了后续成像。结果发现，29% 的受试者在随访期间需要干预，并且根据碎片大小可以预测再次干预的可能性 [27]。鉴于大多数病例不需要对 CIRF 进行再干预，完全删除该术语可能无助于临床决策，即哪些患者在初始 SWL 后可能需要二次干预。残留碎片的大小与再干预的需要之间可能存在密切的关系，因此准确测量残留碎片的大小很重要。这有助于比较结石干预研究中的治疗结果，并为预测哪些残留碎片可能需要进一步治疗的进一步研究提供信息。作者承认这项研究存在局限性。首先，这项研究本质上是回顾性的，只能包括在 SWL 治疗前后都进行过 CT 的患者。这可能偏向于包括 SWL 成功率较低的患者群体，因为大多数直接的 SWL 病例在治疗后通常不需要 CT。因此，治疗后 CT 的时间没有标准化，残留结石碎片的存在和大小会受到 SWL 治疗后时间的影响。然而，这并没有改变测量 SWL 后剩余结石碎片的方法。其次，临床团队原有的 CIRF 测量方法缺乏标准化，导致治疗后结石负荷估计的不准确度被夸大。第三，本研究的样本量较小，因为该单一中心的数据可用。很难就其他中心如何估计结石大小得出结论以了解这些结果的适用性。然而，在文献中的结石研究中，结石尺寸测量通常没有作为标准化方法在方法论中报告。结论本研究显示了在 SWL 治疗前后使用半自动方法客观测量结石负荷的潜在益处。这种测量结石体积的方法比手动方法耗时更少，并且提供了一种更标准化的方法来比较不同结石治疗的功效，作为临床试验的一部分。