双能量CT在体外冲击波碎石术前测定结石成分中的应用进展

阿不都拉·热合曼，哈木拉提·吐送，苏比·尼加提，宋光鲁

1. 新疆医科大学，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 新疆医科大学第一附属医院 泌尿外科，新疆 乌鲁木齐 830000

引言

泌尿系结石的硬度决定体外冲击波碎石术（Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，ESWL）碎石效果，而结石硬度取决于结石成分，结石成分无法在体外获取。而双能量CT已被证明在泌尿系结石成分诊断中起着非常重要的作用。在过去的十年中，在国际和国内文献中广泛讨论了双能量计算机断层扫描（Dualenergy Computed Tomography，DECT）的应用。双能量CT的主要优点是能够明确泌尿系结石的化学成分。双能量CT的高诊断价值在国内外之前的研究已被证实过。采用双能量CT成像能够获得较为准确的图像资料，可初步区分结石成分，为泌尿系结石患者的治疗提供较为准确的参考依据，可明显提高体外冲击波碎石术的碎石成功率。本文就近年来双能量CT在体外冲击波碎石术前测定结石成分中的应用研究现状做一综述。

1 双能量CT的原理和优势

1.1 双能量CT的原理

20世纪70年代初，研究者们开始关注双能量CT技术，因早期CT存在球管技术落后、扫描时间长、CT值不稳定、设备空间分辨率低等缺点，一直没能应用于临床[1]。2005年全世界第一台双能量CT（Dual Source Computer Tomography，DSCT）系统成功问世，该系统的成功问世消除了传统CT技术的缺点，成为CT发展历程上最伟大的一次革命[2]。双能量CT是一种新的检查方法，它采用两套X射线管系统和两套探测器系统同时采集人体图像。通过同步扫描对数据进行整合或分离是有利的，它具有扫描时间短、效率高的优点，弥补了常规CT的不足。对于泌尿系结石化学成分的定性双能量CT有一定的优势，为泌尿系结石患者的治疗提供了可靠的依据。

双能量CT技术采用两套X线管和探测器，两套系统以90°的角度安装，DSCT系统在实际操作过程中只需要旋转90°左右，所获得的图像数据高达180°范围内所获得的数据。安装的两个X射线球管能够分别以单独的电流和电压进行工作，工作电压分别为140 kV和80 kV。使两种不同能量的X线同时进行扫描成为现实，有效的监测一些特定组织成分在不同能量下的衰变率水平，通过所获得的双能量图像进行组织成分分析[3]。

双能量计算机断层扫描（Dual Energy Computed Tomography，DECT）有三种不同的概念，第一个概念是基于两个X射线管（双源成像）的技术，同时在64或128排检测器扫描仪中同时工作。第二种概念是基于使用双层多探测器扫描配置，一个X射线管在高能量下进行采集，顶层的探测器吸收大部分低能光谱（大约50%的光束），而底部的检测器层吸收更高的能量光子。第三个概念是基于单个X射线源的使用，在设置两个（80 kVp和140 kVp）千伏电压之间的快速切换，在一个单门旋转的过程中，产生高和低能量的X射线光谱[4-5]。

1.2 双能量CT的优势

泌尿系CT成像检查是常规的临床检查方法，对于泌尿系结石的患者通常用来评估尿路梗阻情况和双肾功能[6]。其优点是：常规CT诊断泌尿系统结石能很好的显示X光线不能显示的尿路结石、结石密度、结石跟泌尿系统的解剖关系，不需造影剂，不受肠气的影响，且具有安全、快捷等优点，由于结石成分的不同，CT值也会发生变化[7-8]。缺点是：CT平扫检查需要的时间较长，不利于大规模的筛查，在制定泌尿系结石病人治疗方案上具有一定的局限性[9]。在区分结石的化学成分，尤其是在区分草酸钙结石和磷酸钙、鸟粪石和胱氨酸结石灵敏度及特异度不高，临床上应用有一定的局限性。

2005年西门子推出全球首台双源CT，DSCT是一种新的检查方法，它采用两套X射线管系统和两套探测器系统同时采集人体图像，这使DSCT具有在常规CT的检查功能的基础上全新的临床应用功能。扫描速度比常规CT快，耗时短，区分泌尿系结石化学成分的敏感度和特异度高，效率特别高，突破了传统CT检查在区分泌尿系结石化学成分，尤其是区分草酸钙结石和磷酸氢钙结石、鸟粪石和胱氨酸结石方面的局限性[10]。

双能量CT的主要优点是基于两种不同能量的物质分解，提供了两种不同kVp的图像序列。这就可以对图像进行精确的评估，可以更好地检测和识别身体的特定病变和组织分化，这些病变可以应用于医学的许多领域[11]。尿酸结石和非尿酸结石通过双能量CT是能够很好的被区分。在制定结石病人的治疗方案，尤其是在安排病人进行体外冲击波碎石术之前，对于估计结石的化学成分具有特别重要的意义[12]。DSCT目前已经发展成为一种技术，它可以区分结石的成分，并立即区分出UA和NUA结石[13-14]。双能量CT已经被证明可有效的用来描述尿路结石的化学成分，尽管双能量CT还没有很好地用于临床实践，但DSCT将是尿路结石不可或缺的诊断工具。双能量CT将取代常规CT作为标准的成像方式[15]。

2 ESWL碎石效果与结石硬度及结石成分的关系

在过去的几十年里，泌尿系结石的发生率逐渐上升，男性的发生率约为12%，女性为6%[16]。泌尿系结石由多种不同的化学成分组成，其中形成泌尿系结石最常见的化学成分是草酸钙（70%），磷酸钙（20%），尿酸（8%）和胱氨酸（2%）[17]。CT确定的结石大小、位置、解剖结构和化学成分，通常在手术决策中起着非常重要的作用[18]。因泌尿系结石结构十分复杂，并且种类较多，临床上治疗方法也比较多样[19]。其常见的微创手术有体外冲击波碎石术、经皮肾镜取石术、输尿管镜取石术、逆行肾内手术和腹腔镜手术等等[20-21]。其中体外冲击波碎石术是目前治疗肾输尿管结石的首选方法。ESWL有以下几个优点：创伤小、患者痛苦轻、疗效好、术后身体恢复快[22-23]；缺点有：不易击碎硬度大的结石，焦区大、脉冲时间长、定位方向受到一定的限制、对操作技术要求高；影响体外冲击波碎石术成功率的因素有患者的病程，结石的负荷、位置、长径、横径、粒数以肥胖患者腹围。结石负荷大者，结石停留于肾输尿管内时间就越长，粉碎结石所需要的能量越大，难以达到一次碎石成功；结石成分为二水草酸钙结石和磷酸铵镁结石，容易粉碎，尿酸结石可配合溶石疗法进行体外冲击波碎石术，胱氨酸结石和一水草酸钙结石用ESWL较难粉碎；患者的肥胖可能导致泌尿系结石难以定位在碎石机焦点上，加上脂肪层较厚冲击波在穿过脂肪层时有部分被其吸收使冲击波能量衰减，导致ESWL碎石失败[24]。在制定治疗方案前确定结石成分非常重要[25]。

其中结石的化学成分及密度是影响体外冲击波碎石效果的最重要因素，尿酸盐结石和尿酸结石一般为非含钙结石，密度比较低，患者常常伴有高尿酸尿症。因此，尿液呈酸性是其形成的重要因素，配合溶石疗法进行体外冲击波碎石是目前临床上治疗尿酸类结石的重要治疗手段；草酸钙结石肉眼观多呈褐色，桑葚状，在全部泌尿系结石中的发生率最高，由于草酸钙结石硬度较高，结构致密，ESWL较难将其击碎。单纯成分的羟基磷灰结石比较少见,其中常混有其他成分，形成混合性的结石，因此，ESWL易击碎这类结石；术前准确了解泌尿系结石的密度及化学成分有利于判断结石的易碎性，对是否选择ESWL治疗非常重要。

3 双能量CT预测结石成分的原理及研究现状

3.1 双能量CT预测结石成分的原理

双能量CT有以下两种方法可分析结石成分：根据双能量指数（Dual Energy Index，DEI）和根据结石原子序数预测结石成分。根据双能量指数DEI预测结石成分：应用双能量CT扫描，获得140 kV及 80 kV两组不同能量的融合图像和薄层图像，图像在MMWP工作站进行处理，测量结石在140 kV及80 kV条件下的平均CT值，并计算CT值差值，CT值差值等于80 kV的CT值与140 kV的CT值的差值；同时计算双能量指数（Dual Energy Index，DEI），DEI等于（CT值80～140 kV）与（CT值8 0 kV+CT值140 kV+2000）的比例。将140 、80 kV薄层图像调入双能卡，启动Kidney Stones应用程序进行结石成分的分析，通过调节蓝色斜率曲线，蓝色斜线位置调在尿酸点，则尿酸结石标记为红色，非尿酸结石标记为蓝色；如果调节斜率，结石始终标记为蓝色，则为草酸钙结石[26]。

根据结石原子序数预测结石成分：能谱分析中的重要参数之一是DSCT中的有效原子序数，理论上由于尿酸结石含有低原子序数的化学因素，因此其有效原子序数值偏低，而非尿酸类结石含有高原子序数的化学因素，因此平均有效原子序数较高。李小虎等[27]发现体外尿酸类结石的有效原子序数为7.0～7.8；Kulkarni等[28]在体外研究中测得纯尿酸结石有效原子序数6.2～7.8，而范兵等[29]研究中则以有效原子序数低于7.96作为诊断尿酸结石的标准，测得体内纯尿酸结石、纯非尿酸类结石及混合成份结石的平均有效原子序数分别为7.30±0.32、13.32±0.57、12.49±1.14。研究证实双能量CT在ESWL治疗肾输尿管结石中的应用价值优于普通CT[30]。

3.2 DSCT测定体内结石成分在国内外研究现状分析

2005年全球首台双能量CT的推出，使CT成像技术得以进一步发展。DSCT体内结石化学成分诊断研究进展：关于DSCT对体内的泌尿系结石成分分析的研究还比较少，但国内外都取得了一定的进展，对了解结石成因、制定治疗方案具有很重要的价值。

2010年Stolzmann等[31]通过双能量CT扫描体内泌尿系结石53例，分析尿酸结石的敏感性及特异性分别为89%和98%。结果显示，DSCT扫描可以精确地分析体内的尿酸结石和非尿酸结石。Hidas等[32]采用DSCT扫描27例体内泌尿系结石[33]，通过测量低kV和高kV下的石衰比，认为比值在1.24以上为含钙结石，比值在1.1～1.24之间为胱氨酸结石，比值在1.1以下为尿酸结石。2018年Tim Nestler[12]等通过双能量CT扫描体内泌尿系结石84例，分析尿酸结石的敏感性及特异性分别为84.6%和100%，阳性预测值为100%，阴性预测值为98.5%。Bonatti等[34]对30例肾结石患者进行研究，通过比较单能量CT和双能量CT (DECT)在鉴定肾结石成分中的准确性。得到的结论是DEST在鉴别尿酸与非尿酸结石中的灵敏度为94%，100%，特异度为72%，94%，阳性预测值为64%，100%，阴性预测值96%，96%。证明在体内肾结石的鉴别诊断中，DECT表现明显优于单能量CT。

国内关于DSCT的研究起步较晚，但研究方法比较丰富，研究成果与国际研究成果互补。范璐等[35]对226例泌尿系结石患者行DSCT双能量扫描，计算DSCT在体分析尿酸结石、草酸钙结石、胱氨酸结石及磷酸盐结石的灵敏度与特异度，结果发现双能量CT能够准确的区分尿酸结石和非尿酸结石(灵敏度和特异度均为100%)，较准确地区分草酸钙结石、磷酸盐结石、胱氨酸结石，其灵敏度分别为89.03%、67.28%、73.56%，其特异度分别为85.62%、90.71%、93.43%。认为DSCT技术可用于尿酸结石与非尿酸结石的鉴别，灵敏度和特异度很高，均为100%。同时，DEI值的差异可以作为磷酸盐结石与草酸钙结石的鉴别指标。凃备武等[36]采用DSCT扫描104例泌尿系结石患者，发现分析尿酸结石与草酸钙结石的准确性为97.3%、92.9%，灵敏度为88.2%、100%，特异度为99.0%、66.7%，阳性预测值为93.8%、91.7%，阴性预测值97.9%、100%。认为DSCT对尿酸结石和草酸钙结石的定性有很高的准确性，误诊率和漏诊率很小。江杰[37]采用了不同的研究方法，进行上尿路结石体内外扫描版对比。采用DSCT扫描53例体内结石患者，将术后得到的69例结石置于新鲜猪肾后盛满NaCl溶液的纸盒中进行DSCT双能量扫描，使体内外结石扫描条件保持一致，将红外光谱设为金标准。发现DSCT对草酸钙结石的准确性达95.18。对尿酸结石，胱氨酸结石分析准确性达100%。通过上述资料可以表明DSCT对结石成分分析的准确性很高，与国外的同类研究基本一致。

4 双能量CT成像对泌尿系结石研究的限度和研究展望

双能量CT双能量成像可有效诊断出泌尿系结石成分，具有很高的诊断价值，有助于医生做出正确判断，保证患者得到及时、准确的治疗，为患者选择合理的治疗措施提供重要参考信息。DSCT双能量成像在检测混合成分结石中仍然存在很大的挑战，双能量CT在泌尿系结石的研究中已经取得了一定的成果，但DSCT技术还未很好的应用于临床，故需要更深入临床研究。

随着科技发展浪潮地不断推进，DSCT技术也在不断地进步及发展，与传统的CT技术相比，双能量CT成像技术的发展为分析结石成分开辟了新的思路。DSCT技术也是CT改革史上重要的一次变革，为后期深入研究提供了很大的参考价值。虽然泌尿系结石由于其构成成分十分复杂且种类较多，治疗方法上存在较多的差异，但在制定患者的治疗方案上起着更好、更准确的指导作用，有助于预提高体外冲击波碎石一次碎石的成功率。