Quan%fica%on)of)Renal)Stone)Composi%on)in)Mixed)Stones)Using)Dual;Energy)CT)

S)Leng,)AE)Huang,)J)Montoya,)X)Duan,)JC)Williams,)CH)McCollough

Dept.)of)Radiology,)Mayo)Clinic,)Rochester,)MN

Background ▸  Composi%on)informa%on)has)significant)diagnos%c)value)

and)treatment)implica%ons

2

Composi%on UA COX STR

Cause

Metabolic Infec%on

Treatment Dissolve Surgery

UA

non;UA

Coe%et#al.#(1992).%The%pathogenesis%and%treatment%of%kidney%stones.%NEJM,%327(16),%1141=1152.%

▸  80;90%)of)stones)contain)two)or)more)chemical)types

Background ▸  Dual)energy)CT)(DECT))characterizes)composi%on)of)pure)

stones)based)on)CT)number)ra%o)(CTR)

▸  However,)most)studies)focus)on)pure)stones)only

3%

UA

non;UA

Primak%et#al.%(2007).%Noninvasive%DifferenGaGon%of%Uric%Acid%versus%Non=Uric%Acid%Kidney%Stones%Using%Dual=Energy%CT.%Acad#Radiol,%14(12),%1441=1447%

Purpose ▸  Evaluate)the)accuracy)with)which)DECT)can)characterize)

percent)composi%on)of)stones)with)mixed)uric)acid)(UA))and)non;uric)acid)(NUA))components

▸  Determine)the)best)UA)vs.)NUA)threshold)for)a)given)phantom)size)and)tube)poten%al

4%

Methods ▸  Materials

–  24)urinary)stones •  1)pure)UA,)1)pure)NUA •  22)mixed)UA/NUA

– Micro)CT)measurements)=)reference)standard)for)stone)composi%on

5%Zarse,%C.A.%et#al.%(2004).%NondestrucGve%analysis%of%urinary%calculi%using%micro%computed%tomography.%BMC#urology,%4(1),%15.%

Stone%%Sample

Volume%%(mm3)

Diameter%%(mm) %%NUA %%UA

1 130.1 6.3 100 0 2 75.3 5.2 0 100 3 89.4 5.5 57 43 4 139.1 6.4 49 51 5 188.8 7.1 85 15 6 103.2 5.8 88 12 7 251.5 7.8 64 36 8 138.2 6.4 64 36 9 230.3 7.6 82 18 10 239.4 7.7 74 26 11 238.4 7.7 65 35 12 135.6 6.4 71 29 13 319.1 8.5 62 38 14 158.5 6.7 51 49 15 99.2 5.7 50 50 16 239.2 7.7 51 49 17 191 7.1 23 77 18 132.9 6.3 23 77 19 115.2 6 40 60 20 117.6 6.1 22 78 21 187.4 7.1 7 93 22 211.4 7.4 87 13 23 183.7 7.1 7 93 24 133.8 6.3 8 92

Methods ▸  Materials

–  6)water)phantom)sizes)(30,)35,)40,)45,)50,)55)cm)lateral)width))to)represent)abdomen)of)adult)pa%ents)from)slim)to)obese

6%

Methods ▸  Image)acquisi%on)

–  Siemens)Somatom)Force)scanner

–  Scan)at)kV)pair)designated)by)clinical)kidney)DE)Renal)Stone)protocol)based)on)pa%ent/phantom)size

7%

Pa%ent)Lateral)Width)(cm) kV QRM

<35 70/Sn150 875/219

36;40 80/Sn150 500/250

41;45 90/Sn150 350/219

>45 100/Sn150 300/150

Methods ▸  Processing – Analysis)sohware)developed)in)our)lab

– Automa%c)stone)detec%on)and)segmenta%on)with)adap%ve)thresholds

– CT)number)ra%o)(CTR))calcula%on)for)each)pixel)inside)stone)and)compare)to)defined)threshold)to)classify)pixel)as)UA)or)NUA

8%

Methods:)Segmenta%on

9%

Methods:)Processing

10%

2.0%

1.5%

0.5%

1.0%

Micro%CT% DECT%–%low%kV% DECT%–%high%kV%

Segmented%ROI% CTR%map% Pixel%classificaGon%

Methods ▸  Processing:)find)best)threshold)for)each)phantom)size

1)  Stone)composi%on)was)quan%fied)with)threshold)values)between)1.1;1.7)and)compared)to)micro)CT)composi%on)informa%on

2)  CTR)threshold)with)lowest)RMSE)for)all)stones)was)selected

3)  Stone)data)using)the)selected)CTR)threshold)was)reported)and)composi%on)error)calculated)by)comparing)to)micro)CT)data

11%

Methods

1.1,)1.11,)……),1.69,)1.70

CTR)map)from)DECT)image)

Threshold

Composi%on)map

ErrorUA)=)UADECT)–)UAmicroCT)=)) ;46%)))) )))))6% )))))26%

RMSE 27.4 ))11.6 )))16.7

2.0

1.5

0.5

1.0

4%)UA) 96%)NUA

75%)UA) 25%)NUA

55%)UA) 45%)NUA

Repeat)for)all)stones

…

…

…

Micro)CT)values: 49%)UA 51%)NUA

Results ▸  The)op%mal)CTR)threshold)ranged)from)1.27)(55cm)

phantom))to)1.55)(30)cm)phantom),)based)on)phantom)size)and)tube)poten%al)pair

▸  The)RMSE)was)from)9.6%)to)12.9%)for)all)phantom)sizes.

▸  Minimum)absolute)UA)errors)ranged)from)0.04%)to)1.2%,)and)maximum)absolute)UA)errors)ranged)from)22.1%)to)35.5%.)

13%

Threshold)analysis:)30cm)phantom

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

1.1% 1.2% 1.3% 1.4% 1.5% 1.6% 1.7%

RMSE%(%

)%

CTR%Threshold% t*#=#1.55#

Threshold)analysis:)All)phantoms

0%

10%

20%

30%

40%

50%

1.1% 1.2% 1.3% 1.4% 1.5% 1.6% 1.7%

RMSE%(%

)%

CTR%Threshold%

30cm%=%70/Sn150%35cm%=%70/Sn150%40cm%=%80/Sn150%45cm%=%90/Sn150%50cm%=%100/Sn150%55cm%=%100/Sn150%

Results ▸  The)op%mal)CTR)threshold)ranged)from)1.27)to)1.55,)

based)on)phantom)size)and)tube)poten%al

▸  The)RMSE)was)from)9.6%)to)12.9%)across)phantom)sizes

▸  Minimum)absolute)UA)errors)ranged)from)0.04%)to)1.2%,)and)maximum)absolute)UA)errors)ranged)from)22.1%)to)35.5%.)

16%

Results ▸  The)op%mal)CTR)threshold)ranged)from)1.27)to)1.55,)

based)on)phantom)size)and)tube)poten%al

▸  The)RMSE)was)from)9.6%)to)12.8%)for)all)phantom)sizes.

▸  Minimum)absolute)error)in)UA)percent)composi%on)ranged)from)0.04%)to)1.2%,)and)maximum)absolute)error)in)UA)percent)composi%on)ranged)from)22.1%)to)35.5%.)

17%

Results

Size%(cm) kV Best%CTR%threshold%t*

Error%analysis%using%t*

RMSE%(%) Min%(%) Max%(%)

30% 70/Sn150 1.55 11.6 0.07 32.7

35 70/Sn150 1.54 12.9 0.8 35.5

40 80/Sn150 1.37 11.7 1.2 32.5

45 90/Sn150 1.29 9.8 0.6 28.5

50 100/Sn150 1.27 9.6 0.3 22.9

55 100/Sn150 1.28 10.9 0.04 22.1

Analysis ▸  Paired)t;tests)showed)no)significant)difference)in)the)stone)

composi%on)percentages)es%mated)by)DECT)and)microCT)(p)values)ranged)from)0.20)to)0.96).

19%

%%UAMicroCT% %%UADECT%

Analysis:)30cm)phantom)with)t*

=30%

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

40%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

Compo

si.o

n#Error#(%)#

Stone#Sample#

Analysis:)All)phantoms)at)t*

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

40%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

Compo

siGon

%Error%(%

)%

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

40%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

40%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

Compo

siGon

%Error%(%

)%

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

40%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

=30%

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

Compo

siGon

%Error%(%

)%

=30%

=20%

=10%

0%

10%

20%

30%

1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%

Stone%Sample% Stone%Sample%

30cm# 35cm#

45cm#40cm#

50cm# 55cm#

Limita%ons ▸  In&vitro)phantom)study)with)all)stones)placed)in)phantom)

for)each)scan,)which)is)not)representa%ve)of)stone)loca%on)and)orienta%on)in)pa%ents

▸  Small)stone)sample

▸  Only)focused)on)UA/NUA)differen%a%on,)and)with)larger)sample)size,)could)inves%gate)quan%fica%on)of)NUA)subtypes)such)as)cysteine,)calcium)oxalate,)and)apa%te

22%

Conclusion ▸  Accurate)quan%fica%on)of)UA)and)NUA)components)in)

mixed)stones)using)DECT)and)a)3rd)genera%on)dual;source)CT)system)is)possible)in&vitro

▸  Due)to)the)high)prevalence)of)urinary)stones)with)more)than)one)chemical)component,)quan%fica%on)of)mixed)stone)composi%on)is)essen%al)for)clinical)applica%on)of)DECT)to)stone)analysis

23%

hnp://mayoresearch.mayo.edu/ctcic