检测肾脏滤过功能的CT测量方法与流程

本发明涉及检测肾脏滤过功能的CT测量方法。

背景技术：

血液经肾小球滤过生成原尿，再经肾小管和集合管吸收其中的部分水份和电解质浓缩成尿液排出，肾脏滤过功能对清除体内的代谢废物、维持水和电解质的平衡至关重要。

通常所说的肾脏滤过功能即单位时间内肾脏滤过血浆的能力，因为滤过过程发生在肾小球，所以称作肾小球滤过率(GFR)，正常成人的GFR为120ml/min，也就是说每分钟会有120ml的血浆经肾小球滤过形成原尿(每侧肾脏约为60ml)，并经过肾小管、集合管系统重新吸收原尿中的绝大多数水分(约98％，即浓缩)最终形成尿液，血浆内的代谢废物随同尿液排出体外，如肾功能受损、GFR下降，代谢废物不能有效清除，就会在体内蓄积形成尿毒症。

GFR是量化评估肾功能的指针。假如某一药物能从肾小球自由滤过，并且在肾小管内不会被重新吸收，也不会有分泌，这个药物的肾脏清除率在数值上等于GFR，这时GFR＝滤过量/(血浆浓度*时间)。在生理学试验中菊粉具有这样的特点因而被用来测量GFR，但是在临床实践中因为注药、抽血、留尿等诸多不便，没有实际应用价值，放射性药物99mTc-DTPA也具有类似特性，同时它在肾脏内的滤过、积聚能够被SPECT等测量装置在体外探测到，因此被用来测量GFR(Gates法)。

大多数CT对比剂如碘普罗胺，碘海醇，等等都俱有类似菊粉的特性，即自由滤过、不会被重吸收和分泌，最终随尿液排出，因此也是良好的GFR测量标记物。并且CT扫描所测得的CT值和组织内的药物(碘)浓度呈线性关系，因此注射对比剂的CT扫描(俗称增强CT)在观察病变形态的同时也可以用来测量GFR，即用来评价肾脏的滤过功能。

然而，已有文献报导的Patlak模式CT测量肾小球滤过率(肾功能)因为种种局限并不能应用于临床。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种方便、快捷地检测肾脏滤过功能的CT测量方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

经注入对比剂后的某个时间t₁进行CT扫描并测量肾脏内对比剂的聚积量，以此聚积量除以总的对比剂的注入量得到肾脏的聚积分数(fractional renal accumulation,FRA)，该FRA可以做为评估肾功能GFR高低的指标；更进一步可以建立简便的数学公式利用FRA来计算GFR。

上述检测肾脏滤过功能的CT测量方法具体包括如下步骤：

将开始注射对比剂作为计时零点，经过规定时间的时刻t₁，对肾脏进行CT扫描得到t₁时刻肾脏的增强CT数据，该数据包括构成肾脏三维图像的所有体素,从中可以得到每个体素的CT值，即代表对比剂浓度，以及所有体素体积之和，即代表肾脏的体积(V)；

根据所述肾脏的增强CT数据和肾脏的体积(V)获得t₁时刻肾脏的对比剂聚积量(Q)；

将所述t1时刻肾脏内对比剂的聚积量(Q)除以总的对比剂注入量，得到肾脏的聚积分数(FRA)；

所述肾脏的聚积分数(FRA)可以直接作为评估肾脏滤过功能高低的指针。

进一步地，所述方法还包括基于肾脏的聚积分数(FRA)建立线性回归模型来计算肾小球滤过率(GFR)。

优选地，根据申请人的大量前期研究，基于肾脏的聚积分数建立线性回归模型来计算肾小球滤过率GFR的模型如式1所示：

GFR＝1416.42×FRA+2.58……(式1)。

优选地，所述时刻t₁的取值范围为注射对比剂后2-3分钟。

更优选地，所述时刻t₁的取值范围为注射对比剂后2.5分钟。

时刻t₁的取值范围选取原则是CT扫描采集数据时对比剂在肾内的聚积数量较大且流出输尿管和膀胱的量较小，此时进行CT扫描采集数据最准确。

优选地，在注射对比剂之前，还包括对肾脏进行CT平扫的步骤，以获得肾脏的平扫CT数据，该数据包括构成肾脏三维图像的所有体素，从中可以得到每个体素的CT值，即对比剂浓度为零时的CT值的本底。

所述t₁时刻肾脏的对比剂聚积量(Q)是通过所述t₁时刻肾脏的增强CT数据中所有体素的平均CT值(HU₁)减去所述平扫CT数据中所有体素的平均CT值(HU₀)，再乘以肾脏的体积(V)得到的，

或者是通过所述t₁时刻肾脏的增强CT数据中每个体素的CT值(HU_i)和其体积(V_voxel)的乘积之和，减去所述平扫CT数据中每个体素的CT值(HU_k)和其体积(V_voxel)的乘积之和得到。

需要说明的是，CT测量数据中有关体素的CT值和体积的统计或计算都是第三方软件完成的，或CT机上的后处理软件完成的，可以由商业软件或CT机生产商配套软件完成。

优选地，当所述CT扫描为双能CT扫描或能谱CT扫描时，所述t₁时刻肾脏的对比剂聚积量(Q)有另外一种计算方法，是通过双能减影或能谱减影得到的，具体为：

双能CT扫描或能谱CT扫描时，不需要在注入对比剂前对肾脏进行平扫，直接由t₁时刻的双能减影或能谱减影得到肾脏内每个体素CT值的增加量(HU_y)，乘以各体素的体积(V_voxel)并求和得到肾脏的对比剂聚积量(Q)，

或者由每个体素CT值的增加量(HU_y)得到肾脏内所有体素CT值的平均增加量(HU_m)，再乘以肾脏的体积(V)得到肾脏的对比剂聚积量(Q)。

优选地，所述总的对比剂注入量是通过对比剂的体积乘以对比剂浓度再乘以对比剂和CT值的转换系数(k)得到的。

优选地，测量方法所使用的对比剂为碘对比剂。

碘浓度和CT值的转换系数k(单位：HU*ml/mgI)，(mgI为毫克碘)，和CT扫描的球管电压值kV有关，球管电压值越高，该转换系数的值越小，当球管电压为某一固定值时，该转换系数相对恒定，可以通过CT体模扫描来测定。

对于确定的管电压和CT扫描仪，该转换系数较稳定，即：

当CT扫描的球管电压为120KV时，碘对比剂和CT值的转换系数为25，单位为HU*ml/mgI，即1mgI相当于25HU*ml；可以理解为1豪克碘可以使1豪升组织的CT值提升25HU。

当CT扫描的球管电压为100KV时，碘对比剂和CT值的转换系数为30，单位为HU*ml/mgI，即1mgI相当于30HU*ml；可以理解为1豪克碘可以使1豪升组织的CT值提升30HU。

另一方面，所述总的对比剂注入量也可以由对比剂的体积和对比剂浓度的乘积来表示，计算聚积分数(FRA)时为了统一量纲，所述肾脏的对比剂聚积量(Q)应当除以转换系数(k)。

此时所述总的碘对比剂注入量的量纲为mgI(豪克碘)，上述对比剂聚积量(Q)的量纲(HU*ml)应当通过除以转换系数k(k的量纲为HU*ml/mgI)换算为mgI(豪克碘)

优选地，对比剂注射所用时间应当控制在一个合理的范围，对比剂注射应当在20秒内完成，更优选地，在15秒内完成对比剂注射。

进一步地，为了避免不同个体间从开始注射对比剂到对比剂出现在主动脉内的时间差别对测量结果的影响，对所述时间t₁的计时零点做如下进一步的规定：

在注射对比剂后，将主动脉内开始出现对比剂作为计时零点，经过时间t₁对肾脏进行CT扫描，得到t₁时刻肾脏的增强CT数据，其余的计算肾脏的聚积分数(FRA)的测量方法及步骤与将开始注射对比剂作为计时零点的测量方法及步骤相同。

这样做不仅可以避免不同个体间从开始注射对比剂到对比剂出现在主动脉内的时间差别对测量结果的影响，并且会增强结果的稳定性和可靠性。但是在注入对比剂后需要进行CT单层动态扫描以追踪主动脉内CT值的变化，确定对比剂出现的时刻，在一定程度上增加了本技术的复杂性。

由于本发明采用影像学的CT扫描测量方法，能够得到每侧肾的CT扫描数据，因此可以用来计算出单侧肾的FRA，进而用来评估单侧的肾功能GFR高低。

根据本发明，提出一种新的检测肾脏滤过功能的CT测量方法，利用常规CT增强扫描的数据资料评估肾脏功能。该方法简单直观，在行常规CT诊断的同时能够量化评估肾脏功能，并且不会额外增加患者的x线辐射量，具有较高的临床应用价值。

附图说明

图1是基于本发明的检测肾脏滤过功能的CT测量方法的肾脏CT平扫期的图像。

图2是基于本发明的检测肾脏滤过功能的CT测量方法t₁时刻肾脏增强CT扫描的图像。

图3是基于本发明的检测肾脏滤过功能的CT测量方法t₁时刻增强CT扫描双肾三维重建图像,显示双肾体积和各自平均CT值。

图4是基于体模研究实验得出的碘对比剂浓度与CT值间的线性关系图，CT扫描管电压为100kV，两者的线性关系为y＝30.01x+45.14，据此可以得到对比剂碘浓度与CT值之间的转换系数k＝30(HU*ml/mgI)。

图5是基于FRA和单肾Gates-GFR间的线性相关/回归曲线分析图。

图6是基于单肾CT-GFR与单肾Gates-GFR间的相关性分析。

图7是本发明方法所测得的肾功能(CT-GFR)和同位素肾图测得的肾功能(Gates-GFR)之间结果一致性分析图(Bland-Altman图)，从图中可以得出，两者一致性很高，测量误差小。

具体实施方式

【实施方式】

在本发明的检测肾脏滤过功能的CT测量方法的实施方式中，在注射对比剂之前，对受验者肾脏做CT平扫，然后在注射对比剂之后的排泄期(2.5分钟)，再次进行CT扫描，本申请中称为t₁时刻肾脏增强CT扫描。通过比较t₁时刻肾脏CT值增加量和碘对比剂总的注入量来计算肾小球滤过率GFR。

本实施方式的CT扫描为常规CT扫描，包含平扫和增强。

下面参照图1、2、3，对本发明的第一实施方式进行详细说明。

对受检者实施的具体实施步骤按如下顺序进行。

(平扫)

在对受检者实施静脉注射对比剂之前，先利用CT扫描仪对肾脏(组织)进行平扫，并获得平扫期CT数据。

图1示出了肾脏CT平扫的图像，图中的轮廓线为肾脏的边缘。

(注射对比剂)

在获得肾脏平扫期CT值后，对受检者静脉注射对比剂，这里使用的对比剂为碘对比剂。

(增强扫描)

静脉内注入碘对比剂，动脉期过后随着碘剂滤过并在肾小管、集合管内积聚，肾髓质呈渐进性增强，至排泄期早期(注药后2-3分钟)表现为肾髓质CT值明显高于皮质，部分肾盏和肾盂内也充盈着高浓度的碘剂，这时肾脏的CT增强主要由肾小球的滤过导致。

注药后约2-3分钟，经肾小球滤出的碘剂在肾髓质和肾盂内积聚，尚未明显排入输尿管，这就提供了一个合适的CT扫描时间窗用来测量碘剂的滤过数量，该数量可以由此时的CT强化值(相对于平扫的CT值的增加量)和肾体积(含肾盂)的乘积来描述。

为此，在从开始注射对比剂经过规定时间的t₁时刻，本实施选择注射对比剂后2.5分钟，对肾脏进行增强CT扫描，获得增强CT数据和肾脏的体积V。这里CT扫描模式可以为容积或螺旋式扫描方式，范围致少覆盖双肾。

参照图2，在进行t₁时刻增强CT扫描时，经肾小球滤过的对比剂绝大部分局限于肾脏及肾盂内。

在第一实施方式中，增强CT扫描和平扫CT所采用管电压需相同，范围均需覆盖两侧肾脏，可以设置固定管电流扫描，也可以采用管电流调制(tube current modulation)。

(计算肾脏内对比剂的聚积量)

根据所述单侧肾脏的CT数据和单侧肾脏的体积V获得t₁时刻单侧肾脏的对比剂聚积量Q。

在本实施例中，所述t₁时刻单侧肾脏的对比剂聚积量Q是通过所述t₁时刻单侧肾脏的CT数据中所有体素的平均CT值HU₁减去所述平扫CT数据中单侧肾脏所有体素的平均CT值HU₀，再乘以单侧肾脏的体积V得到的。

或者还可以选择通过所述t₁时刻肾脏的增强CT数据中每个体素的CT值(HU_i)和其体积(V_voxel)的乘积之和，减去所述平扫CT数据中每个体素的CT值(HU_k)和其体积(V_voxel)的乘积之和得到。

(计算肾脏内对比剂的聚积分数)

将所述肾脏内对比剂的聚积量Q除以总的对比剂注入量(I)，得到肾脏的聚积分数FRA。

所述总的对比剂注入量是通过对比剂的体积乘以对比剂碘浓度再乘以对比剂和CT数据的转换系数k得到的。

本实施例中，如图4所示，为体模研究实验得到的碘对比剂浓度与CT扫描值间的线性关系图。从图中可以看出：当确定CT扫描的球管电压为100KV时，碘对比剂和CT值的转换系数k为30HU*ml/mgI。

(计算每侧肾脏的肾小球滤过率GFR)

如图5所示，基于肾脏的聚积分数建立线性回归模型来计算肾小球滤过率(GFR)的模型如式1所示：

GFR＝1416.42×FRA+2.58……(式1)。

本实施中所采集的CT数据来自一位患有右肾肾盂积水的病人，图3是基于本发明的检测肾脏滤过功能的CT测量方法t₁时刻增强CT扫描该病人的双肾三维重建图像,具体的数据和计算过程如下：

碘对比剂注入体积＝64mL

碘对比剂浓度＝370mgI/mL

球管电压＝100kV

碘对比剂和CT值的转换系数＝30.00(HU*ml/mgI)

左肾

体积＝179.7ml

HU₀＝40.3Hu

HU₁＝189.8Hu

右肾

体积＝144.3ml

HU₀＝32.5Hu

HU₁＝111.8Hu

FRA的计算过程如下：

FRA(左)＝(体积×HU₁–体积×HU₀)/(碘对比注入体积×碘对比剂浓度×碘对比剂和CT值的转换系数)

＝(179.7×189.8–179.7×40.3)/(64×370×30.00)

＝0.0378

FRA(右)＝(体积×HU₁–体积×HU₀)/(碘对比注入体积×碘对比剂浓度×碘对比剂和CT值的转换系数)

＝(144.3×111.8–144.3×32.5)/(64×370×30.00)

＝0.0161

GFR的计算公式为：CT-GFR＝1416.42×FRA+2.58

左肾GFR的计算过程如下：

CT-GFR(左)＝1416.42×FRA(左)+2.58

＝1416.42×0.0378+2.58

＝56.12(ml/min)

右肾GFR的计算过程如下：CT-GFR(右)＝1416.42×FRA(右)+2.58

＝1416.42×0.0161+2.58

＝25.38(ml/min)

【对比实施方式】

以放射性同位素药物99mTc-DTPA作为对比剂，以SPECT进行肾脏动态扫描，用Gates法来计算肾功能(Gates-GFR)。具体的操作过程参见文章Determination of Glomerular Filtration Rate with CT Measurement of Renal Clearance of Iodinated Contrast Material versus 99mTc-DTPA Dynamic Imaging"Gates"Method:A Validation Study in Asymmetrical Renal Disease.Radiology 2016Aug 24:160425.Yuan X,Zhang J,Tang K等着。

【第一实施方式与对比实施方式的实验结果分析】

下面参照图6-7比较本发明的检测肾脏(滤过)功能的CT测量方法(CT-GFR)与临床常规使用的同位素肾图Gates法(Gates-GFR)以验证CT-GFR的准确性。

图6是基于单肾CT-GFR与单肾Gates-GFR间的相关性分析。该散点图证实两者之间具有高度的相关性(r＝0.924,p<0.001)。

从图6的分析结果中可以得出：CT-GFR的结果和Gates-GFR高度相关。

图7是CT-GFR和Gates-GFR结果一致性分析图(Bland-Altman图)。横坐标表示两种测量结果的均数，纵坐标表示两种测量结果的差值，该图显示两种测量结果的差值被控制在合理的范围内(分布在两条横向虚线之间)。

从图7的分析结果中可以得出：CT-GFR和Gates-GFR测理偏差小，一致性高。

本发明通过提出一种新的检测肾脏滤过功能的CT测量方法，利用常规CT增强扫描的数据资料评估肾脏功能。该方法可以得到碘对比剂在肾脏的聚积分数FRA，该FRA可以直接作为评估肾脏滤过功能GFR高低的指针，或者在FRA的基础上建立线性回归模型来计算肾小球滤过率GFR。该方法简单直观，在行常规CT诊断的同时能够量化评估肾脏功能，并且不会额外增加患者的x线辐射量，在临床上有非常重要的价值。