泌尿系结石成分分析的临床应用进展*

叶冬晖，李 虹，王坤杰（四川大学华西医院泌尿外科研究所/泌尿外科修复重建研究室，四川成都610041）

时至今日，尿石症仍是现代社会最常见的疾病之一，在全球的发病率估计在5%～10%[1]。20世纪后期虽在结石的外科治疗上有了突破性的进展，但结石的发病率和复发率却仍居高不下，10年复发率高达50%[2]，这说明结石的预防工作仍有许多待研究改进之处。结石成分分析与预防结石复发密切相关，分析结果为探究结石成因提供线索，也为指导患者的饮食和药物管理、制订合理的预防措施提供重要证据，可显著降低泌尿结石的复发率。

结石成分分析的方法较多，主要包括化学分析法和物理分析法。各种物理分析法在20世纪随着工业矿业技术和分析仪器的发展，被陆续引入泌尿结石的成分分析，包括X射线衍射法、热分析法、红外光谱法、偏光显微镜和扫描电镜、显微CT等。热分析法因实验条件苛刻及精确性不高而应用较少，而X射线衍射技术、扫描电镜和显微CT等因设备成本原因限制了其广泛应用，如今我国临床工作中最常用的方法是化学分析法和红外光谱法。近年出现的双源CT（DSCT），使治疗前即获知体内结石成分成为可能[3]，对正在发病的结石患者也能起到指导作用，对指导治疗方案的选择、避免患者的手术创伤和早期进行针对性干预等方面具有重要意义。本文现就泌尿系结石成分分析的临床应用进展做一综述和展望。

1 化学分析法

化学分析法通过结石样品与化学试剂发生反应来检测结石中所含的离子，从而初步推断结石成分，现有成品的试剂盒可供使用，具有操作简单、快速、廉价等优点，为我国现行指南推荐方法之一[4]，仍在我国基层医院中广泛使用。但化学分析法可能遗漏罕见和未知的结石成分，如2，8-二羟基腺嘌呤[5]和药物性结石[6]，且不能获知结石的结晶相，即无法得知确切的化合物。欧洲泌尿外科协会（EAU）指南根据一项22年的环形对比试验[7]认为化学分析方法的误诊率较高，已为国外多数实验室淘汰，而被更精准的红外光谱法和X射线衍射法所取代[8]。

2 红外光谱法

红外光谱法的原理是因结石中的不同物质分子对红外光的吸收强度不同，在红外光谱图中依据吸收率和波长的关系与标准图谱对照、鉴别特定成分，同时借助对比各组分的吸收峰强度以进行结石混合成分的定量分析。红外光谱法所需结石标本量少，检测速度快，灵敏度高，能在体外精准分析各种晶体、非晶体物质和有机、无机成分，同时对上表所述的各种化合物均能鉴别区分，临床意义大。综合费用、效率、分辨力和准确性，红外光谱法已是当今全球使用最广泛且最理想的结石成分分析法，是成分分析的“金标准”，在我国大型医院中使用较多。

红外光谱法的不足之处在于需将结石样品制成粉末，故难以对混合结石进行全面分析和三维重建，不能获得结石的核心与外壳成分的分布信息，在推知结石的形成过程和始动因素上存在困难。同时，红外光谱法需在结石离体情况下才能进行，对正在发病的患者难以起到指导作用，具有一定滞后性。

3 扫描电镜能谱分析（SEM-EDAX）

SEM-EDAX是研究物质微观结构和元素分布的成熟手段。FAZIL MARICKAR等[9]学者将红外光谱法与SEM-EDAX联合用于结石成分分析，在鉴别结石中化合物种类的同时，SEM-EDAX可显示结石表面和核心的显微结构与元素分布，理想上补充了红外光谱法无法得到的形态学信息，在结石形成的病因研究中发挥重要作用。但该方法耗时较长、设备成本较高、所需检验人员资质要求高，目前尚难以在临床上进行大量推广。

4 显微CT

显微CT是一种非破坏性的3D成像技术，其采用微焦点X射线球管，对结石进行旋转扫描，并能对结石的内部结构进行显微级别的三维重建，分辨率在微米级，可以提供前所未有的成分细节及其在结石内部的分布[10]。不过由于其辐射剂量巨大，扫描范围小、时间长、设备成本高昂等原因，目前仅在国外用于基础研究，未在临床投入应用。

5 DSCT

20世纪末开始的一些研究[11-12]使用单源螺旋CT，根据结石的平均CT值和高低能量下的CT差值等参数对结石的部分成分进行了区分，但因不同结石成分的CT值重叠过大，且单源CT应用不同的能量模式多次扫描时，消除测量误差和人工伪影非常困难[13]，其分析结果的敏感性和特异性不高，难以应用于临床[14]。DSCT双能量成像技术的出现则弥补了以上单源CT的缺陷，在结石成分分析中有很大的应用前景，可实现真正的体内分析。

5.1 工作原理 DSCT使用2套相互垂直的CT球管，扫描时输出2个高低不同的X射线能量（140kV和80kV），同时获取来自每个X射线源的数据并完全对准，以消除累及测量误差和由于患者运动引起的人为因素。尿酸结石中碳、氢、氮、氧元素的原子序数较低，而非尿酸盐结石中含原子序数较高的磷、钙、硫、镁等元素，这些不同元素成分的结石在高、低电压条件下的X射线衰减特性有很大不同，据此可获得2组能量下的CT值及其差值、比值和双能量指数等，再由后续软件算法计算，可分析出结石的化学成分信息。

5.2 研究现状 国内外至今已有许多学者展开了的关于DSCT双能量成像技术对结石成分分析的研究。PRIMAK等[3]利用DSCT对体外模型中的40例结石样本进行了扫描，首次报道了DSCT体外分析尿酸结石和非尿酸结石的准确性为92%～100%。MATLAGA等[15]在体外模型中放入了纯草酸钙、磷酸钙和尿酸结石，发现三组的双能量差值和比值存在统计学差异，认为DSCT在体外还可区分草酸钙和磷酸钙。BOLL等[16]使用了一种新的Slope逐像素算法分析结石的灰度图像，认为DSCT甚至已具备在体外区分尿酸、胱氨酸、磷酸铵镁、草酸钙、磷酸钙和磷酸氢钙结石的能力。

在体外试验已得到初步结论后，一些DSCT体内分析结石成分的试验也被陆续开展。STOLZMANN等[17]通过体内扫描53例结石患者，首次报道了DSCT体内分析尿酸和非尿酸结石的灵敏度、特异度分别为89%和98%。HIDAS等[18]使用DSCT体内扫描了27例结石患者，认为通过双能量比值可体内区分尿酸、胱氨酸和含钙结石，准确率为82%，而对于不同的含钙结石（草酸钙和磷酸钙）与磷酸铵镁结石之间因双能量比值重叠过多而不能进行区分，后续的国内外多数学者也得出了相似的结论[19-21]。而后，ACHARYA等[22]通过对114例体内结石进行扫描，首次提出DSCT对体内含钙结石的亚型也能做到部分区分，能通过双能量比值的统计差异将纯一水草酸钙结石从含钙结石中区分出来。SPEK等[23]通过对255例结石患者的大样本体内DSCT扫描分析，得出根据双能量指数区分含尿酸成分结石与不含尿酸成分结石的灵敏度和特异度分别为98.4%和98.1%，其结果已有相当可靠性，但仍然认为含钙结石的几种亚型之间并不能有效鉴别。国内ZHANG等[24]使用DSCT扫描了81例体内结石，纳入了更多的混合结石成分，得出识别结石主要成分为尿酸、胱氨酸、羟基磷灰石和草酸钙的准确度分别为97.5%、93.8%、80.2%和93.8%。

此外，DSCT的体外研究也在同时进行。DUAN等[25]将第3代DSCT的4种X射线管电压组合（70/150、80/150、90/150、100/150 kV）与以往的标准电压组合80/140 kV进行对比，对体外87例结石模型进行扫描，发现100/150 kV的新组合对草酸钙和磷酸钙结石的区分准确性更高，其诊断模型的曲线下面积为0.80～0.83，高于80/140 kV组合的0.60～0.75，同时对体型偏大的患者模型也有更好的准确性和图像质量。而LENG等[26]首次使用DSCT对体外的混合成分结石进行了定量分析，其通过对扫描平面的图像重建和后处理，将结石图像的每一个像素分别分类为尿酸或非尿酸，以得到混合结石中尿酸成分的二维分布图，并与显微CT的精准切面图像相比误差仅在5%～10%。

综上所述，目前DSCT已能在体内将尿酸为主要成分的结石从其他类型结石中精确地区分出来，灵敏度和特异度均接近100%，对混合尿酸结石的定量分析和二维重建在体外研究中也有突破进展。因尿酸结石可选择溶石治疗而避免冲击波或手术损伤，其临床应用价值大。多数学者认为，DSCT对胱氨酸结石的区分准确度也较高。然而对含钙结石的几种亚型及其与磷酸铵镁结石的鉴别仍存一定争议，大多数学者认为，这几种成分的DSCT特性仍有相当多的重叠。在DSCT配套的软件中，一水草酸钙和二水草酸钙均会被归为草酸类结石，磷酸铵镁、碳酸磷酸钙和磷酸氢钙也均会被归为羟基磷酸钙，仅少数学者认为可以通过其他算法进行一定程度的区分[16，22]。与临床指标结合的联合检测手段（如尿代谢评估、肠道菌群、特异基因表达等）可能有助于DSCT对体内结石分析准确性的提高，未来还需更多大样本、高质量的前瞻性研究进一步进行研究，使DSCT双能量成像技术真正为临床医生和患者所认可。

6 其 他

除上述方法外，还有许多学者致力于将结石成分分析向快速化、低成本化的临床应用方向进行研究、拓展。MIERNIK等[27]开发了一个基于拉曼光谱的便携式快速分析仪，其可在外科取石或排石后即刻分析潮湿且未经处理的结石或碎片，免去了红外光谱法所需的干燥和粉碎的过程，且能提供与红外光谱法相当的广泛区分结石晶体相和有机物的能力。其团队而后又尝试将该系统整合到输尿管软镜的钬激光发射纤维上[28]，以达到在输尿管取石术中即时分析结石成分的目的，其产品仍在完善中。同时，DAUDON等[6]和ESTRADE等[29]设计了一种结石成分图像比对卡，详尽总结了各种类型结石在显微镜下和输尿管镜中表面与横截面的形态学特点，包括13种纯结石和7种混合结石，同样帮助外科医生在输尿管镜术中即刻以形态学特征对结石成分进行分类，对术中决策提供参考信息，并在最大程度上减少结石成分分析的成本和时间，辅以相应前瞻性验证后有很大临床应用价值。

7 讨论与展望

在外科治疗手段飞速发展的今天，泌尿系结石的患病率和复发率仍居高不下，如何从病因预防结石的形成和复发是泌尿外科工作者日益重视的问题，而结石成分分析在其中起到了不可替代的作用，作为结石的“病理”，直接指导了结石的病因诊断和后续的防治措施。如今，红外光谱法能对已获得的结石标本进行高质量的定性和定量分析，在各大指南中也对相应成分结石的饮食和药物预防有了详尽的推荐[30-31]，越来越多的学者聚焦于如何在外科治疗结石前就在体内无创鉴别结石成分这个问题，其对结石的治疗方案选择和早期干预有重大意义。影像技术的发展尤其是DSCT的应用为该问题的解决提供了工作方向，并取得了一定的进展，但如何提高其对几种含钙晶体亚型及混合结石的识别准确率仍是今后的工作方向之一。

治疗前对尿酸结石的识别是最有意义的，因其可以选择口服溶石治疗以避免不必要的手术，如今DSCT对体内尿酸类结石的识别已有近100%的准确率。在临床实践中，若在X线平片中为阴性结石且在DSCT下具备尿酸结石特征，则有相当把握可以诊断尿酸结石，可采取枸橼酸钾碱化尿液配合别嘌呤醇的溶石治疗，仅有少数体积巨大或伴有严重尿路梗阻或因混有其他成分导致溶石效果不佳的尿酸结石才需要外科手术。其次，结石晶体成分指示了结石的硬度，故体内分析结果对预测体外冲击波碎石（ESWL）的结局有一定意义。羟基磷酸钙、二水草酸钙等质地疏松，宜选ESWL治疗，可减少患者不必要的手术创伤；而胱氨酸、一水草酸钙、碳酸氢钙结石的结构致密、硬度大，易致ESWL失败[32]，该类患者宜选择经皮肾镜或输尿管镜取石，可避免患者重复治疗的痛苦。相信随着DSCT精准性的提高和辐射剂量的降低，有望成为对结石定位、定性诊断的“一站式”无创性检查，乃至成为高危人群的早期筛查手段得以普遍推广。

此外，还有许多新技术和设备正不断涌现，上述中的拉曼光谱仪和结石比对卡就为取石术中能快速分析结石成分提供了可能，而近年在CT图像后处理技术中新出现的全模型迭代重建（IMR）技术[33]也同样具有吸引力。与传统的滤波反投影算法相比，IMR技术将图像分辨率提升至亚毫米级别，大大提升了小病灶的显示，向体外显微CT的显微级重建逐渐靠拢，且能将辐射剂量降至1 mSv以下，对泌尿系结石的初期诊断和成分分析具有潜在意义。总之，随着结石成分分析技术的不断发展，将有各种精准的技术对结石患者进行个性化的评估，泌尿系结石的防治也将走向精准化、早期化的一天。

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