雙能量CT在體外沖擊波碎石術前測定結石成分中的應用進展

阿不都拉·熱合曼，哈木拉提·吐送，蘇比·尼加提，宋光魯

1. 新疆醫科大學，新疆 烏魯木齊 830000；2. 新疆醫科大學第一附屬醫院 泌尿外科，新疆 烏魯木齊 830000

引言

泌尿系結石的硬度決定體外沖擊波碎石術（Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，ESWL）碎石效果，而結石硬度取決于結石成分，結石成分無法在體外獲取。而雙能量CT已被證明在泌尿系結石成分診斷中起著非常重要的作用。在過去的十年中，在國際和國內文獻中廣泛討論了雙能量計算機斷層掃描（Dualenergy Computed Tomography，DECT）的應用。雙能量CT的主要優點是能夠明確泌尿系結石的化學成分。雙能量CT的高診斷價值在國內外之前的研究已被證實過。采用雙能量CT成像能夠獲得較為準確的圖像資料，可初步區分結石成分，為泌尿系結石患者的治療提供較為準確的參考依據，可明顯提高體外沖擊波碎石術的碎石成功率。本文就近年來雙能量CT在體外沖擊波碎石術前測定結石成分中的應用研究現狀做一綜述。

1 雙能量CT的原理和優勢

1.1 雙能量CT的原理

20世紀70年代初，研究者們開始關注雙能量CT技術，因早期CT存在球管技術落后、掃描時間長、CT值不穩定、設備空間分辨率低等缺點，一直沒能應用于臨床[1]。2005年全世界第一臺雙能量CT（Dual Source Computer Tomography，DSCT）系統成功問世，該系統的成功問世消除了傳統CT技術的缺點，成為CT發展歷程上最偉大的一次革命[2]。雙能量CT是一種新的檢查方法，它采用兩套X射線管系統和兩套探測器系統同時采集人體圖像。通過同步掃描對數據進行整合或分離是有利的，它具有掃描時間短、效率高的優點，彌補了常規CT的不足。對于泌尿系結石化學成分的定性雙能量CT有一定的優勢，為泌尿系結石患者的治療提供了可靠的依據。

雙能量CT技術采用兩套X線管和探測器，兩套系統以90°的角度安裝，DSCT系統在實際操作過程中只需要旋轉90°左右，所獲得的圖像數據高達180°范圍內所獲得的數據。安裝的兩個X射線球管能夠分別以單獨的電流和電壓進行工作，工作電壓分別為140 kV和80 kV。使兩種不同能量的X線同時進行掃描成為現實，有效的監測一些特定組織成分在不同能量下的衰變率水平，通過所獲得的雙能量圖像進行組織成分分析[3]。

雙能量計算機斷層掃描（Dual Energy Computed Tomography，DECT）有三種不同的概念，第一個概念是基于兩個X射線管（雙源成像）的技術，同時在64或128排檢測器掃描儀中同時工作。第二種概念是基于使用雙層多探測器掃描配置，一個X射線管在高能量下進行采集，頂層的探測器吸收大部分低能光譜（大約50%的光束），而底部的檢測器層吸收更高的能量光子。第三個概念是基于單個X射線源的使用，在設置兩個（80 kVp和140 kVp）千伏電壓之間的快速切換，在一個單門旋轉的過程中，產生高和低能量的X射線光譜[4-5]。

1.2 雙能量CT的優勢

泌尿系CT成像檢查是常規的臨床檢查方法，對于泌尿系結石的患者通常用來評估尿路梗阻情況和雙腎功能[6]。其優點是：常規CT診斷泌尿系統結石能很好的顯示X光線不能顯示的尿路結石、結石密度、結石跟泌尿系統的解剖關系，不需造影劑，不受腸氣的影響，且具有安全、快捷等優點，由于結石成分的不同，CT值也會發生變化[7-8]。缺點是：CT平掃檢查需要的時間較長，不利于大規模的篩查，在制定泌尿系結石病人治療方案上具有一定的局限性[9]。在區分結石的化學成分，尤其是在區分草酸鈣結石和磷酸鈣、鳥糞石和胱氨酸結石靈敏度及特異度不高，臨床上應用有一定的局限性。

2005年西門子推出全球首臺雙源CT，DSCT是一種新的檢查方法，它采用兩套X射線管系統和兩套探測器系統同時采集人體圖像，這使DSCT具有在常規CT的檢查功能的基礎上全新的臨床應用功能。掃描速度比常規CT快，耗時短，區分泌尿系結石化學成分的敏感度和特異度高，效率特別高，突破了傳統CT檢查在區分泌尿系結石化學成分，尤其是區分草酸鈣結石和磷酸氫鈣結石、鳥糞石和胱氨酸結石方面的局限性[10]。

雙能量CT的主要優點是基于兩種不同能量的物質分解，提供了兩種不同kVp的圖像序列。這就可以對圖像進行精確的評估，可以更好地檢測和識別身體的特定病變和組織分化，這些病變可以應用于醫學的許多領域[11]。尿酸結石和非尿酸結石通過雙能量CT是能夠很好的被區分。在制定結石病人的治療方案，尤其是在安排病人進行體外沖擊波碎石術之前，對于估計結石的化學成分具有特別重要的意義[12]。DSCT目前已經發展成為一種技術，它可以區分結石的成分，并立即區分出UA和NUA結石[13-14]。雙能量CT已經被證明可有效的用來描述尿路結石的化學成分，盡管雙能量CT還沒有很好地用于臨床實踐，但DSCT將是尿路結石不可或缺的診斷工具。雙能量CT將取代常規CT作為標準的成像方式[15]。

2 ESWL碎石效果與結石硬度及結石成分的關系

在過去的幾十年里，泌尿系結石的發生率逐漸上升，男性的發生率約為12%，女性為6%[16]。泌尿系結石由多種不同的化學成分組成，其中形成泌尿系結石最常見的化學成分是草酸鈣（70%），磷酸鈣（20%），尿酸（8%）和胱氨酸（2%）[17]。CT確定的結石大小、位置、解剖結構和化學成分，通常在手術決策中起著非常重要的作用[18]。因泌尿系結石結構十分復雜，并且種類較多，臨床上治療方法也比較多樣[19]。其常見的微創手術有體外沖擊波碎石術、經皮腎鏡取石術、輸尿管鏡取石術、逆行腎內手術和腹腔鏡手術等等[20-21]。其中體外沖擊波碎石術是目前治療腎輸尿管結石的首選方法。ESWL有以下幾個優點：創傷小、患者痛苦輕、療效好、術后身體恢復快[22-23]；缺點有：不易擊碎硬度大的結石，焦區大、脈沖時間長、定位方向受到一定的限制、對操作技術要求高；影響體外沖擊波碎石術成功率的因素有患者的病程，結石的負荷、位置、長徑、橫徑、粒數以肥胖患者腹圍。結石負荷大者，結石停留于腎輸尿管內時間就越長，粉碎結石所需要的能量越大，難以達到一次碎石成功；結石成分為二水草酸鈣結石和磷酸銨鎂結石，容易粉碎，尿酸結石可配合溶石療法進行體外沖擊波碎石術，胱氨酸結石和一水草酸鈣結石用ESWL較難粉碎；患者的肥胖可能導致泌尿系結石難以定位在碎石機焦點上，加上脂肪層較厚沖擊波在穿過脂肪層時有部分被其吸收使沖擊波能量衰減，導致ESWL碎石失敗[24]。在制定治療方案前確定結石成分非常重要[25]。

其中結石的化學成分及密度是影響體外沖擊波碎石效果的最重要因素，尿酸鹽結石和尿酸結石一般為非含鈣結石，密度比較低，患者常常伴有高尿酸尿癥。因此，尿液呈酸性是其形成的重要因素，配合溶石療法進行體外沖擊波碎石是目前臨床上治療尿酸類結石的重要治療手段；草酸鈣結石肉眼觀多呈褐色，桑葚狀，在全部泌尿系結石中的發生率最高，由于草酸鈣結石硬度較高，結構致密，ESWL較難將其擊碎。單純成分的羥基磷灰結石比較少見,其中常混有其他成分，形成混合性的結石，因此，ESWL易擊碎這類結石；術前準確了解泌尿系結石的密度及化學成分有利于判斷結石的易碎性，對是否選擇ESWL治療非常重要。

3 雙能量CT預測結石成分的原理及研究現狀

3.1 雙能量CT預測結石成分的原理

雙能量CT有以下兩種方法可分析結石成分：根據雙能量指數（Dual Energy Index，DEI）和根據結石原子序數預測結石成分。根據雙能量指數DEI預測結石成分：應用雙能量CT掃描，獲得140 kV及 80 kV兩組不同能量的融合圖像和薄層圖像，圖像在MMWP工作站進行處理，測量結石在140 kV及80 kV條件下的平均CT值，并計算CT值差值，CT值差值等于80 kV的CT值與140 kV的CT值的差值；同時計算雙能量指數（Dual Energy Index，DEI），DEI等于（CT值80～140 kV）與（CT值8 0 kV+CT值140 kV+2000）的比例。將140 、80 kV薄層圖像調入雙能卡，啟動Kidney Stones應用程序進行結石成分的分析，通過調節藍色斜率曲線，藍色斜線位置調在尿酸點，則尿酸結石標記為紅色，非尿酸結石標記為藍色；如果調節斜率，結石始終標記為藍色，則為草酸鈣結石[26]。

根據結石原子序數預測結石成分：能譜分析中的重要參數之一是DSCT中的有效原子序數，理論上由于尿酸結石含有低原子序數的化學因素，因此其有效原子序數值偏低，而非尿酸類結石含有高原子序數的化學因素，因此平均有效原子序數較高。李小虎等[27]發現體外尿酸類結石的有效原子序數為7.0～7.8；Kulkarni等[28]在體外研究中測得純尿酸結石有效原子序數6.2～7.8，而范兵等[29]研究中則以有效原子序數低于7.96作為診斷尿酸結石的標準，測得體內純尿酸結石、純非尿酸類結石及混合成份結石的平均有效原子序數分別為7.30±0.32、13.32±0.57、12.49±1.14。研究證實雙能量CT在ESWL治療腎輸尿管結石中的應用價值優于普通CT[30]。

3.2 DSCT測定體內結石成分在國內外研究現狀分析

2005年全球首臺雙能量CT的推出，使CT成像技術得以進一步發展。DSCT體內結石化學成分診斷研究進展：關于DSCT對體內的泌尿系結石成分分析的研究還比較少，但國內外都取得了一定的進展，對了解結石成因、制定治療方案具有很重要的價值。

2010年Stolzmann等[31]通過雙能量CT掃描體內泌尿系結石53例，分析尿酸結石的敏感性及特異性分別為89%和98%。結果顯示，DSCT掃描可以精確地分析體內的尿酸結石和非尿酸結石。Hidas等[32]采用DSCT掃描27例體內泌尿系結石[33]，通過測量低kV和高kV下的石衰比，認為比值在1.24以上為含鈣結石，比值在1.1～1.24之間為胱氨酸結石，比值在1.1以下為尿酸結石。2018年Tim Nestler[12]等通過雙能量CT掃描體內泌尿系結石84例，分析尿酸結石的敏感性及特異性分別為84.6%和100%，陽性預測值為100%，陰性預測值為98.5%。Bonatti等[34]對30例腎結石患者進行研究，通過比較單能量CT和雙能量CT (DECT)在鑒定腎結石成分中的準確性。得到的結論是DEST在鑒別尿酸與非尿酸結石中的靈敏度為94%，100%，特異度為72%，94%，陽性預測值為64%，100%，陰性預測值96%，96%。證明在體內腎結石的鑒別診斷中，DECT表現明顯優于單能量CT。

國內關于DSCT的研究起步較晚，但研究方法比較豐富，研究成果與國際研究成果互補。范璐等[35]對226例泌尿系結石患者行DSCT雙能量掃描，計算DSCT在體分析尿酸結石、草酸鈣結石、胱氨酸結石及磷酸鹽結石的靈敏度與特異度，結果發現雙能量CT能夠準確的區分尿酸結石和非尿酸結石(靈敏度和特異度均為100%)，較準確地區分草酸鈣結石、磷酸鹽結石、胱氨酸結石，其靈敏度分別為89.03%、67.28%、73.56%，其特異度分別為85.62%、90.71%、93.43%。認為DSCT技術可用于尿酸結石與非尿酸結石的鑒別，靈敏度和特異度很高，均為100%。同時，DEI值的差異可以作為磷酸鹽結石與草酸鈣結石的鑒別指標。凃備武等[36]采用DSCT掃描104例泌尿系結石患者，發現分析尿酸結石與草酸鈣結石的準確性為97.3%、92.9%，靈敏度為88.2%、100%，特異度為99.0%、66.7%，陽性預測值為93.8%、91.7%，陰性預測值97.9%、100%。認為DSCT對尿酸結石和草酸鈣結石的定性有很高的準確性，誤診率和漏診率很小。江杰[37]采用了不同的研究方法，進行上尿路結石體內外掃描版對比。采用DSCT掃描53例體內結石患者，將術后得到的69例結石置于新鮮豬腎后盛滿NaCl溶液的紙盒中進行DSCT雙能量掃描，使體內外結石掃描條件保持一致，將紅外光譜設為金標準。發現DSCT對草酸鈣結石的準確性達95.18。對尿酸結石，胱氨酸結石分析準確性達100%。通過上述資料可以表明DSCT對結石成分分析的準確性很高，與國外的同類研究基本一致。

4 雙能量CT成像對泌尿系結石研究的限度和研究展望

雙能量CT雙能量成像可有效診斷出泌尿系結石成分，具有很高的診斷價值，有助于醫生做出正確判斷，保證患者得到及時、準確的治療，為患者選擇合理的治療措施提供重要參考信息。DSCT雙能量成像在檢測混合成分結石中仍然存在很大的挑戰，雙能量CT在泌尿系結石的研究中已經取得了一定的成果，但DSCT技術還未很好的應用于臨床，故需要更深入臨床研究。

隨著科技發展浪潮地不斷推進，DSCT技術也在不斷地進步及發展，與傳統的CT技術相比，雙能量CT成像技術的發展為分析結石成分開辟了新的思路。DSCT技術也是CT改革史上重要的一次變革，為后期深入研究提供了很大的參考價值。雖然泌尿系結石由于其構成成分十分復雜且種類較多，治療方法上存在較多的差異，但在制定患者的治療方案上起著更好、更準確的指導作用，有助于預提高體外沖擊波碎石一次碎石的成功率。