雙能量CT在體外沖擊波碎石術(shù)前測定結(jié)石成分中的應(yīng)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(yī)科大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000；2. 新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 泌尿外科，新疆 烏魯木齊 830000

引言

泌尿系結(jié)石的硬度決定體外沖擊波碎石術(shù)（Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，ESWL）碎石效果，而結(jié)石硬度取決于結(jié)石成分，結(jié)石成分無法在體外獲取。而雙能量CT已被證明在泌尿系結(jié)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(nèi)文獻中廣泛討論了雙能量計算機斷層掃描（Dualenergy Computed Tomography，DECT）的應(yīng)用。雙能量CT的主要優(yōu)點是能夠明確泌尿系結(jié)石的化學(xué)成分。雙能量CT的高診斷價值在國內(nèi)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(zhǔn)確的圖像資料，可初步區(qū)分結(jié)石成分，為泌尿系結(jié)石患者的治療提供較為準(zhǔn)確的參考依據(jù)，可明顯提高體外沖擊波碎石術(shù)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(shù)前測定結(jié)石成分中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀做一綜述。

1 雙能量CT的原理和優(yōu)勢

1.1 雙能量CT的原理

20世紀(jì)70年代初，研究者們開始關(guān)注雙能量CT技術(shù)，因早期CT存在球管技術(shù)落后、掃描時間長、CT值不穩(wěn)定、設(shè)備空間分辨率低等缺點，一直沒能應(yīng)用于臨床[1]。2005年全世界第一臺雙能量CT（Dual Source Computer Tomography，DSCT）系統(tǒng)成功問世，該系統(tǒng)的成功問世消除了傳統(tǒng)CT技術(shù)的缺點，成為CT發(fā)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(tǒng)和兩套探測器系統(tǒng)同時采集人體圖像。通過同步掃描對數(shù)據(jù)進行整合或分離是有利的，它具有掃描時間短、效率高的優(yōu)點，彌補了常規(guī)CT的不足。對于泌尿系結(jié)石化學(xué)成分的定性雙能量CT有一定的優(yōu)勢，為泌尿系結(jié)石患者的治療提供了可靠的依據(jù)。

雙能量CT技術(shù)采用兩套X線管和探測器，兩套系統(tǒng)以90°的角度安裝，DSCT系統(tǒng)在實際操作過程中只需要旋轉(zhuǎn)90°左右，所獲得的圖像數(shù)據(jù)高達(dá)180°范圍內(nèi)所獲得的數(shù)據(jù)。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(xiàn)實，有效的監(jiān)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(shù)，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(shè)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(zhuǎn)的過程中，產(chǎn)生高和低能量的X射線光譜[4-5]。

1.2 雙能量CT的優(yōu)勢

泌尿系CT成像檢查是常規(guī)的臨床檢查方法，對于泌尿系結(jié)石的患者通常用來評估尿路梗阻情況和雙腎功能[6]。其優(yōu)點是：常規(guī)CT診斷泌尿系統(tǒng)結(jié)石能很好的顯示X光線不能顯示的尿路結(jié)石、結(jié)石密度、結(jié)石跟泌尿系統(tǒng)的解剖關(guān)系，不需造影劑，不受腸氣的影響，且具有安全、快捷等優(yōu)點，由于結(jié)石成分的不同，CT值也會發(fā)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(guī)模的篩查，在制定泌尿系結(jié)石病人治療方案上具有一定的局限性[9]。在區(qū)分結(jié)石的化學(xué)成分，尤其是在區(qū)分草酸鈣結(jié)石和磷酸鈣、鳥糞石和胱氨酸結(jié)石靈敏度及特異度不高，臨床上應(yīng)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(tǒng)和兩套探測器系統(tǒng)同時采集人體圖像，這使DSCT具有在常規(guī)CT的檢查功能的基礎(chǔ)上全新的臨床應(yīng)用功能。掃描速度比常規(guī)CT快，耗時短，區(qū)分泌尿系結(jié)石化學(xué)成分的敏感度和特異度高，效率特別高，突破了傳統(tǒng)CT檢查在區(qū)分泌尿系結(jié)石化學(xué)成分，尤其是區(qū)分草酸鈣結(jié)石和磷酸氫鈣結(jié)石、鳥糞石和胱氨酸結(jié)石方面的局限性[10]。

雙能量CT的主要優(yōu)點是基于兩種不同能量的物質(zhì)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域[11]。尿酸結(jié)石和非尿酸結(jié)石通過雙能量CT是能夠很好的被區(qū)分。在制定結(jié)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(shù)之前，對于估計結(jié)石的化學(xué)成分具有特別重要的意義[12]。DSCT目前已經(jīng)發(fā)展成為一種技術(shù)，它可以區(qū)分結(jié)石的成分，并立即區(qū)分出UA和NUA結(jié)石[13-14]。雙能量CT已經(jīng)被證明可有效的用來描述尿路結(jié)石的化學(xué)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(jié)石不可或缺的診斷工具。雙能量CT將取代常規(guī)CT作為標(biāo)準(zhǔn)的成像方式[15]。

2 ESWL碎石效果與結(jié)石硬度及結(jié)石成分的關(guān)系

在過去的幾十年里，泌尿系結(jié)石的發(fā)生率逐漸上升，男性的發(fā)生率約為12%，女性為6%[16]。泌尿系結(jié)石由多種不同的化學(xué)成分組成，其中形成泌尿系結(jié)石最常見的化學(xué)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(jié)石大小、位置、解剖結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，通常在手術(shù)決策中起著非常重要的作用[18]。因泌尿系結(jié)石結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(chuàng)手術(shù)有體外沖擊波碎石術(shù)、經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)、輸尿管鏡取石術(shù)、逆行腎內(nèi)手術(shù)和腹腔鏡手術(shù)等等[20-21]。其中體外沖擊波碎石術(shù)是目前治療腎輸尿管結(jié)石的首選方法。ESWL有以下幾個優(yōu)點：創(chuàng)傷小、患者痛苦輕、療效好、術(shù)后身體恢復(fù)快[22-23]；缺點有：不易擊碎硬度大的結(jié)石，焦區(qū)大、脈沖時間長、定位方向受到一定的限制、對操作技術(shù)要求高；影響體外沖擊波碎石術(shù)成功率的因素有患者的病程，結(jié)石的負(fù)荷、位置、長徑、橫徑、粒數(shù)以肥胖患者腹圍。結(jié)石負(fù)荷大者，結(jié)石停留于腎輸尿管內(nèi)時間就越長，粉碎結(jié)石所需要的能量越大，難以達(dá)到一次碎石成功；結(jié)石成分為二水草酸鈣結(jié)石和磷酸銨鎂結(jié)石，容易粉碎，尿酸結(jié)石可配合溶石療法進行體外沖擊波碎石術(shù)，胱氨酸結(jié)石和一水草酸鈣結(jié)石用ESWL較難粉碎；患者的肥胖可能導(dǎo)致泌尿系結(jié)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(dǎo)致ESWL碎石失敗[24]。在制定治療方案前確定結(jié)石成分非常重要[25]。

其中結(jié)石的化學(xué)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(jié)石和尿酸結(jié)石一般為非含鈣結(jié)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(jié)石的重要治療手段；草酸鈣結(jié)石肉眼觀多呈褐色，桑葚狀，在全部泌尿系結(jié)石中的發(fā)生率最高，由于草酸鈣結(jié)石硬度較高，結(jié)構(gòu)致密，ESWL較難將其擊碎。單純成分的羥基磷灰結(jié)石比較少見,其中?；煊衅渌煞?，形成混合性的結(jié)石，因此，ESWL易擊碎這類結(jié)石；術(shù)前準(zhǔn)確了解泌尿系結(jié)石的密度及化學(xué)成分有利于判斷結(jié)石的易碎性，對是否選擇ESWL治療非常重要。

3 雙能量CT預(yù)測結(jié)石成分的原理及研究現(xiàn)狀

3.1 雙能量CT預(yù)測結(jié)石成分的原理

雙能量CT有以下兩種方法可分析結(jié)石成分：根據(jù)雙能量指數(shù)（Dual Energy Index，DEI）和根據(jù)結(jié)石原子序數(shù)預(yù)測結(jié)石成分。根據(jù)雙能量指數(shù)DEI預(yù)測結(jié)石成分：應(yīng)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(jié)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(shù)（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(diào)入雙能卡，啟動Kidney Stones應(yīng)用程序進行結(jié)石成分的分析，通過調(diào)節(jié)藍(lán)色斜率曲線，藍(lán)色斜線位置調(diào)在尿酸點，則尿酸結(jié)石標(biāo)記為紅色，非尿酸結(jié)石標(biāo)記為藍(lán)色；如果調(diào)節(jié)斜率，結(jié)石始終標(biāo)記為藍(lán)色，則為草酸鈣結(jié)石[26]。

根據(jù)結(jié)石原子序數(shù)預(yù)測結(jié)石成分：能譜分析中的重要參數(shù)之一是DSCT中的有效原子序數(shù)，理論上由于尿酸結(jié)石含有低原子序數(shù)的化學(xué)因素，因此其有效原子序數(shù)值偏低，而非尿酸類結(jié)石含有高原子序數(shù)的化學(xué)因素，因此平均有效原子序數(shù)較高。李小虎等[27]發(fā)現(xiàn)體外尿酸類結(jié)石的有效原子序數(shù)為7.0～7.8；Kulkarni等[28]在體外研究中測得純尿酸結(jié)石有效原子序數(shù)6.2～7.8，而范兵等[29]研究中則以有效原子序數(shù)低于7.96作為診斷尿酸結(jié)石的標(biāo)準(zhǔn)，測得體內(nèi)純尿酸結(jié)石、純非尿酸類結(jié)石及混合成份結(jié)石的平均有效原子序數(shù)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(jié)石中的應(yīng)用價值優(yōu)于普通CT[30]。

3.2 DSCT測定體內(nèi)結(jié)石成分在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2005年全球首臺雙能量CT的推出，使CT成像技術(shù)得以進一步發(fā)展。DSCT體內(nèi)結(jié)石化學(xué)成分診斷研究進展：關(guān)于DSCT對體內(nèi)的泌尿系結(jié)石成分分析的研究還比較少，但國內(nèi)外都取得了一定的進展，對了解結(jié)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(nèi)泌尿系結(jié)石53例，分析尿酸結(jié)石的敏感性及特異性分別為89%和98%。結(jié)果顯示，DSCT掃描可以精確地分析體內(nèi)的尿酸結(jié)石和非尿酸結(jié)石。Hidas等[32]采用DSCT掃描27例體內(nèi)泌尿系結(jié)石[33]，通過測量低kV和高kV下的石衰比，認(rèn)為比值在1.24以上為含鈣結(jié)石，比值在1.1～1.24之間為胱氨酸結(jié)石，比值在1.1以下為尿酸結(jié)石。2018年Tim Nestler[12]等通過雙能量CT掃描體內(nèi)泌尿系結(jié)石84例，分析尿酸結(jié)石的敏感性及特異性分別為84.6%和100%，陽性預(yù)測值為100%，陰性預(yù)測值為98.5%。Bonatti等[34]對30例腎結(jié)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(jié)石成分中的準(zhǔn)確性。得到的結(jié)論是DEST在鑒別尿酸與非尿酸結(jié)石中的靈敏度為94%，100%，特異度為72%，94%，陽性預(yù)測值為64%，100%，陰性預(yù)測值96%，96%。證明在體內(nèi)腎結(jié)石的鑒別診斷中，DECT表現(xiàn)明顯優(yōu)于單能量CT。

國內(nèi)關(guān)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(jié)石患者行DSCT雙能量掃描，計算DSCT在體分析尿酸結(jié)石、草酸鈣結(jié)石、胱氨酸結(jié)石及磷酸鹽結(jié)石的靈敏度與特異度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙能量CT能夠準(zhǔn)確的區(qū)分尿酸結(jié)石和非尿酸結(jié)石(靈敏度和特異度均為100%)，較準(zhǔn)確地區(qū)分草酸鈣結(jié)石、磷酸鹽結(jié)石、胱氨酸結(jié)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(rèn)為DSCT技術(shù)可用于尿酸結(jié)石與非尿酸結(jié)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(jié)石與草酸鈣結(jié)石的鑒別指標(biāo)。凃備武等[36]采用DSCT掃描104例泌尿系結(jié)石患者，發(fā)現(xiàn)分析尿酸結(jié)石與草酸鈣結(jié)石的準(zhǔn)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(yù)測值為93.8%、91.7%，陰性預(yù)測值97.9%、100%。認(rèn)為DSCT對尿酸結(jié)石和草酸鈣結(jié)石的定性有很高的準(zhǔn)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(jié)石體內(nèi)外掃描版對比。采用DSCT掃描53例體內(nèi)結(jié)石患者，將術(shù)后得到的69例結(jié)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(nèi)外結(jié)石掃描條件保持一致，將紅外光譜設(shè)為金標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)現(xiàn)DSCT對草酸鈣結(jié)石的準(zhǔn)確性達(dá)95.18。對尿酸結(jié)石，胱氨酸結(jié)石分析準(zhǔn)確性達(dá)100%。通過上述資料可以表明DSCT對結(jié)石成分分析的準(zhǔn)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(jié)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(jié)石成分，具有很高的診斷價值，有助于醫(yī)生做出正確判斷，保證患者得到及時、準(zhǔn)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(jié)石中仍然存在很大的挑戰(zhàn)，雙能量CT在泌尿系結(jié)石的研究中已經(jīng)取得了一定的成果，但DSCT技術(shù)還未很好的應(yīng)用于臨床，故需要更深入臨床研究。

隨著科技發(fā)展浪潮地不斷推進，DSCT技術(shù)也在不斷地進步及發(fā)展，與傳統(tǒng)的CT技術(shù)相比，雙能量CT成像技術(shù)的發(fā)展為分析結(jié)石成分開辟了新的思路。DSCT技術(shù)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(jié)石由于其構(gòu)成成分十分復(fù)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(zhǔn)確的指導(dǎo)作用，有助于預(yù)提高體外沖擊波碎石一次碎石的成功率。