Мочекаменная болезнь (МКБ) – распространенное заболевание, которым страдают 4–20% населения [1]. Более того, за последние 10 лет наметилась тенденция к росту заболеваемости уролитиазом, причем как среди мужчин, так и среди женщин. В частности, это может быть связано с увеличением количества белка в рационе питания [2, 3]. С учетом высокой инцидентности и частоты рецидивов уролитиаза (до 50%) создание и внедрение точных и при этом экономически эффективных методов диагностики МКБ помимо медицинского значения приобретает и социальную значимость [4].

Наиболее часто встречаются мочевые камни (до 90% случаев), состоящие из оксалатов кальция (моно- и дигидратов) и фосфатов. До 10% мочевых камней состоят из солей мочевой кислоты (уратный уролитиаз) [5]. Заметно в меньшем количестве представлены конкременты, состоящие из цистина (1–2%), и камни иного химического состава, в том числе смешанные.

Этиология камнеобразования для каждого химического состава многофакторная. Она определяется уровнем pH мочи, диетой, сопутствующими заболеваниями, нарушениями метаболизма и др. Химический состав камней имеет большое значение при определении этиологии и патогенеза МКБ и, соответственно, выбора метода лечения, а также для метафилактики уролитиаза. Например, в работе [6] была выявлена связь химического состава конкрементов, не содержащих кальций, с соответствующими типами метаболических нарушений, при том что у пациентов с кальциевыми камнями имелись гетерогенные нарушения.

Лечение МКБ в остром периоде при развитии почечной колики (обструкции мочевых путей конкрементом) состоит из терапии (адекватное обезболивание с помощью нестероидных противовоспалительных препаратов, использование α-адреноблокаторов) и инвазивных методов лечения, таких как дистанционная ударно-волновая литотрипсия (ДУВЛ), чрескожная пункционная нефролитотрипсия и уретероскопия (с проведением уретеролитотрипсии и/или уретеролитоэкстракции) [4]. Выбор метода лечения зависит от разных факторов, например от размера и локализации камня. Немаловажен и химический состав мочевого камня.

К примеру, уратные камни, имея сравнительно низкую плотность, хорошо разрушаются с помощью ДУВЛ. При этом в 70–80% случаев они растворяются в ходе перорального хемолиза, что безусловно предпочтительнее, чем применение инвазивных методов лечения [7]. Оксалатные камни также довольно эффективно разрушаются посредством ДУВЛ, а для цистиновых камней и брушитов, имеющих высокую плотность, этот метод лечения не подходит [8].

Точное определение химического состава камней необходимо и при первичной диагностике уролитиаза, и при его рецидивах, так как важно оценить, имеются ли изменения в составе конкремента, – это может повлиять на дальнейшую тактику лечения.

Наиболее важную роль в диагностике МКБ играют методы визуализации.

Цель такой диагностики:

1. обнаружение конкрементов и определение их локализации в мочевой системе;
2. измерение размеров конкрементов;
3. оценка химического состава конкрементов.

Нативная компьютерная томография (КТ) начала постепенно вытеснять обзорную и внутривенную урографию (раньше они были методом выбора), так как она обладает такими преимуществами, как высокая скорость выполнения, отсутствие необходимости применять контрастный препарат, диагностика других заболеваний мочевой системы (к примеру, опухолей и аномалий развития) [9]. Кроме того, КТ характеризуется очень высокой чувствительностью и специфичностью при диагностике мочевых камней: выше 95 и 96% соответственно. Также она позволяет оценивать такие важные характеристики конкрементов, как их размер, форма и локализация в мочевыделительной системе. Эти данные необходимы для определения тактики лечения пациентов [9]. На сегодняшний день КТ стала стандартным методом обследования пациентов с почечной коликой [10]. Хотя стандартная моноэнергетическая КТ показала сравнительно высокую эффективность при определении химического состава камней in vitro (до 80%), в исследованиях in vivo результаты оказались не так хороши [11]. Высокую информативность моноэнергетическая КТ демонстрирует при диагностике камней, состоящих из кальция оксалата моногидрата, брушитовых и цистиновых камней, тогда как при другом химическом составе конкрементов она ниже. В итоге, обладая рядом преимуществ, КТ не позволяет с достаточной точностью определять химический состав мочевых камней. Обычно это делается после оперативного удаления конкрементов. Указанный недостаток в перспективе может нивелировать метод двухэнергетической КТ. Концепция этого метода диагностики, заключающаяся в сканировании на двух энергетических уровнях, возникла еще на заре эры КТ. При этом технология одновременного сканирования получила активное развитие сравнительно недавно [9]. При двухэнергитической КТ сканирование проводится c помощью двух лучевых пучков – низкой и высокой энергии. Далее выполняется процессинг полученных данных, что дает возможность дифференцировать ткани одинаковой электронной плотности за счет разницы в степени абсорбции фотонов [12–14]. Такой подход позволяет помимо стандартной для КТ информации получить сведения о химическом составе мочевых камней. Так, например, по данным двухэнергетической КТ можно дифференцировать уратные и неуратные камни [15]. Есть основания предполагать, что двухэнергетическая КТ в будущем сможет заменить традиционную и станет стандартом в диагностики МКБ [16].

Общие принципы метода двухэнергетической КТ

При проведении обычной моноэнергетической КТ используется единственный лучевой пучок, который передается в пиковых киловольтах (кВп) для последующей интерпретации получаемого изображения. При этом в полученном изображении отражается ослабление уровня сигнала, которое выражается в единицах Хаусфилда как результат воздействия материалспецифичных факторов (атомарный состав, плотность и толщина) [17].

В связи с этим два разных по химическому составу вещества по результатам моноэнергетического исследования могут иметь одинаковые значения коэффициента ослабления сигнала, а это значит, что их невозможно дифференцировать друг от друга. При этом любое вещество будет обладать разным уровнем ослабления сигнала при получении изображения на низком и высоком уровнях кВп. Это приводит к изменениям в ослаблении сигнала в том случае, когда отображение происходит в двух заданных пучках лучевой энергии [15]. Такой эффект связан с тем, что при низком уровне кВп (20–50 кВ) происходит полное поглощение рентгеновских лучей, а это значит, что фотоэлектронный эффект становится главным фактором при определении материала, ослабляющего рентгеновский сигнал. На высоком уровне кВп (50–150 кВ) основное влияние на определение ослабления рентгеновского сигнала оказывает комптоновское рассеивание. Сканирование на двух энергетических уровнях дает возможность получать разные коэффициенты ослабления сигнала, определяя при этом различные химические составы. Регистрация спектра низкой и высокой энергии и реконструкция изображения с двух отдельных слоев позволяют избавляться от необходимости использования двух отдельных лучевых пучков. Разделение спектра между низко- и высокоэнергетическим потоком рентгеновского излучения, точная временная регистрация и пространственная корреляция влияют на степень разделения материалов.

Идея определения химического состава конкрементов при помощи КТ-сканирования на двух энергетических уровнях с процессингом полученных визуальных данных возникла довольно давно. H. Mitcheson и соавт. [18] продемонстрировали эффективность этого метода диагностики для дифференцировки уратных, струвитных и цистиновых мочевых камней.

Исследования in vitro показали хорошие результаты, однако распространению метода помешала повышенная лучевая нагрузка на пациента, так как проводилось два последовательных сканирования, после чего полученные данные объединялись. Ограничивали применение метода и артефакты, которые возникали из-за движения объектов. Техническое совершенствование компьютерных томографов сделало развитие метода двухэнергетической КТ возможным за счет того, что теперь доза облучения практически не превышает таковую при выполнении традиционной моноэнергетической КТ брюшной полости.

На данный момент двухэнергетическую КТ можно выполнять по трем различным методикам в зависимости от используемого компьютерного томографа [19]. В основе методики, разработанной Siemens Medical Solutions, лежит применение двух рентгеновских трубок (dual source imaging), которые работают одновременно посредством сканирования на двухволновых 64- или 128-срезовых томографах (Somatom Definition и Somatom Definition Flash) с коллиматорами 0,625/1 мм. Эти рентгеновские трубки располагаются под углом 90° относительно друг друга, вследствие чего зона диагностической визуализации получается маленькой – 26 см при использовании аппарата Siemens SOMATOM Definition и 33 см на томографе SOMATOM Definition Flash. Трубки работают в двух режимах: 140/80 и 140/100 кВп.

Вторую методику разработала Philips Healthcare, в ее основе лежит применение компьютерных томографов с двойным слоем детекторов (сэндвич-слой). При этом используется одна рентгеновская трубка, генерирующая высокоэнергетическое излучение (120 или 140 кэВ). Детектор также имеет два уровня: нижний слой поглощает высокоэнергетические фотоны, верхний – основную часть низкого энергетического спектра (примерно 50% луча). Информация из верхнего и нижнего слоев обрабатывается по отдельности, за счет чего формируется два разных изображения. При использовании этого подхода нет нужды в создании низко- и высокоэнергетических лучевых потоков. Двухслойный компьютерный томограф Philips (Brilliance 64) использует 32-срезовый сканер с 64 электронными каналами (по 2 на каждый двухслойный элемент детектора) и характеризуется срезами толщиной 0,625/1 мм и большим по сравнению с первой методикой полем визуализации (50 см).

Третью методику разработала компания GE Healthcare. Она заключается в применении 64-срезовых компьютерных томографов нового поколения. На них используется одна трубка с возможностью быстрого переключения между энергиями в 80 и 140 кВп (срезы толщиной 0,625/1,25 мм). Время переключения составляет примерно 0,4 мс.

Несмотря на то что механизмы работы двухэнергетических КТ различаются, обработка результатов исследования проста и одинакова для всех трех методик. Томограммы, которые получаются в результате исследования, демонстрируют химический состав конкрементов различными цветами. В большинстве случаев мочевые камни, отображающиеся красным цветом, являются уратами, а конкременты синего цвета имеют другой состав.

Роль двухэнергетической КТ при диагностике МКБ по сравнению с моноэнергетической КТ

Выше уже было сказано, КТ на сегодняшний день остается методом выбора при диагностике МКБ. С помощью нативной КТ можно получить данные о плотности конкремента, которая коррелирует с его химическим составом. Однако эта методика не позволяет с достаточной точностью различать камни с разными фенотипическими характеристиками. В работе G. Manglaviti и соавт. [20] показано, что при выполнении КТ камни из мочевой кислоты достоверно отличаются по уровню сигнала от конкрементов другого химического состава, но при этом имеется частичное перекрытие в уровне сигналов с другими фенотипами [20]. E. Wisenbaugh и соавт. также описали подобный феномен и пришли к выводу, что КТ не может использоваться для дифференцирования уратных и неуратных конкрементов, так как в 60% случаев состав определяется неправильно [21]. Помимо этого в исследовании [22] было установлено, что эффективность оценки химического состава мочевых камней определяется, в частности, типом томографа, что в свою очередь объясняет разницу в получаемых с помощью моноэнергетической КТ данных в исследованиях разных авторов.

Вышеперечисленные факторы предрасполагают к активному использованию двухэнергетической КТ для определения химического состава конкрементов. Эффективность такого подхода оценивалась как в исследованиях in vitro и in vivo, так и при прямом сопоставлении результатов моно- и двухэнергетической КТ. В ходе исследований in vitro были получены обнадеживающие результаты. Сначала были получены уровни сигналов для конкрементов разного химического состава. X. Li и соавт. [23] оценили уровни сигналов конкрементов семи фенотипов. Несмотря на то что имелось небольшое перекрытие между уровнями сигналов фосфатов кальция и брушитов, моногидратных и дигидратных оксалатов кальция, струвитных и цистиновых камней, в целом уровень сигналов всех 7 фенотипов конкрементов статистически значимо отличался в том случае, если исследование выполнялось при 50 кэВ. Исследования J. Wang и соавт. [24] продемонстрировали, что чувствительность оценки состава мочекислых камней в фантоме (in vitro) равна 100%, но она сильно снижается, если применять йодсодержащее контрастное вещество.

Необходимо отметить, что, несмотря на то что в исследованиях in vitro показаны высокие уровни чувствительности и специфичности при оценке химического состава мочевых камней, данные исследований in vivo не всегда полностью коррелируют с ними. Поэтому данные исследования in vitro нельзя в полной мере экстраполировать на живой объект.

В последующем в различных работах была продемонстрирована высокая эффективность двухэнергетической КТ и для диагностики in vivo химического состава мочевых камней. G. Hidas и соавт. [12] 27 пациентам, страдавшим МКБ, выполнили предоперационную двухэнергетическую КТ и in vitro рентгенологический дифракционный анализ удаленных мочевых камней. По результатам сопоставлений показано, что двухэнергетическая КТ позволяет определять химический состав камней почек с точностью 82%. Кроме того, было установлено, что данный метод не дает возможности идентифицировать инфекционные конкременты, так как их сигнал пересекается с таковым кальциевых конкрементов. В другой работе [20], в которую вошли 49 пациентов с МКБ, 45 из 49 наблюдений in vivo анализов химического состава конкрементов с помощью двухэнергетической КТ оказались точными. С. И. Жестовской и соавт. [25] с помощью двухэнергетической КТ (сканер Discovery 750 HD) был определен химический состав 15 конкрементов in vivo (после оперативного удаления камней) и проведено сравнение с данными инфракрасной спектрометрии – результаты совпали в 87% случаев. S. Achraya и соавт. [26] провели ретроспективный анализ данных in vivo исследований состава 114 мочевых камней, сделав упор на эффективности дифференцирования разных типов конкрементов, имеющих в своем составе кальций. В работе была продемонстрирована высокая точность выявления мочекислых конкрементов, были оценены кальцийсодержащие и цистиновые конкременты. При этом кальцийсодержащие камни были разделены на моно- и дигидраты оксалата кальция и апатиты. Авторы пришли к выводу, что двухэнергетическая КТ может использоваться для in vivo выявления резистентных к ДУВЛ конкрементов из моногидрата оксалата кальция.

Эффективность двухэнергетической КТ для дифференцировки уратных и неуратных камней определили в своей работе A. Srek и соавт. [27]. Для этого после операции удаленные мочевые камни подвергались контрольной инфракрасной спектроскопии. По результатам исследования 213 мочевых камней чувствительность и специфичность метода составили 98,4 и 98,1% соответственно. Лучевая нагрузка при этом практически не превышала таковую при традиционной КТ, составив в среднем 4,18 мЗв.

В работе [28] оценивали химический состав мочевых камней у пациентов с разной массой тела. Продемонстрировано, что двухэнергетическая КТ дает возможность с точностью 79,1% различать конкременты разного химического состава у больных разных весовых категорий [28].

X. Li и соавт. [23], ретроспективно сравнив традиционную и двухэнергетическую КТ, показали, что при двухэнергетической КТ реже встречается частичное совпадение уровней сигналов у 7 различных типов камней. E. Wisenbaugh и соавт. [21] в слепом проспективном исследовании сравнили точность in vitro оценки фенотипов 32 мочевых камней при помощи моно- и двухэнергетической КТ. Показано, что двухэнергетическая КТ лучше подходит для оценки состава конкрементов, в том числе и для дифференцировки неуратных конкрементов от уратных (точность определения составила 93 и 40% соответственно) [21]. При помощи традиционной моноэнергетической КТ определить состав мочевых камней удалось в 52% случаев, а с помощью двухэнергетической КТ – в 74%.

Помимо сравнения эффективности моно- и двухэнергитической КТ оценивались и такие важные показатели, как время, необходимое для обследования пациента, экономическая составляющая, лучевая нагрузка и т.п. Установлено, что по этим показателям двухэнергетическая КТ не уступает традиционной. М. Jepperson и соавт. [30] проанализировали данные 16 пациентов с известным химическим составом конкрементов, при этом интерпретация результатов двухэнергетической КТ выполнена 14 экспертами, обладающими разным уровнем практики. Точность оценки состава конкрементов с помощью двухэнергетической КТ оказалась в два раза выше, чем при оценке с помощью традиционных единиц Хаусфилда, а затрачиваемое на это время примерно в два раза меньше (87 и 45%, 21 и 47 с соответственно). Другим выводом исследования оказалось то, что опыт экспертов, оценивавших результаты исследования, никак не сказался на скорости и точности анализа.

Суммируя имеющиеся данные, можно заключить, что двухэнергетическая КТ – высокоэффективный метод определения химического состава мочевых камней, при этом простой в освоении. И несмотря на большую точность методики, интерпретация полученных результатов занимает меньше времени, чем при традиционной КТ. Кроме того, методика позволяет анализировать химический состав мочевых камней врачам, обладающим разным опытом.

Проблемы, возникающие при проведении двухэнергетической КТ для определения состава мочевых камней

Использование двухэнергетической КТ в диагностике уролитиаза в течение последних 10 лет позволило собрать данные, указывающие на ограничения метода, из-за которых возникают диагностические ошибки. M. Jepperson и соавт. [31] провели анализ более чем 1200 случаев применения двухэнергетической КТ у пациентов, страдающих МКБ, поставив задачу выявить ограничения метода и разработать способы их преодоления. Постпроцессинговая обработка результатов двухэнергетической КТ почек выполнена с помощью программы Syngo (VE36A, «Siemens Healthcare»). Среди ограничений использования метода при МКБ отмечены неполная характеристика конкрементов диаметром менее 3 мм; маленькая зона визуализации; неточная характеристика окружающих материалов и изображения дренажных устройств, что может оказать влияние на результат исследования и привести к получению неверного результата. Авторы заключили, что с помощью двухэнергетической КТ можно оценить состав мочевых камней и на основании этого выбрать оптимальную тактику лечения пациента. «Подводные камни» встречались нечасто, а при наличии понимания со стороны диагноста их количество и вовсе может быть сведено к минимуму. Возможно, что при дальнейшем развитии метода можно будет полностью справиться с этими ограничениями и недостатками [30].

I. Ограничения по размеру камней

Выше уже было показано, что двухэнергетическая КТ дает возможность с высокой точностью, близкой к 100%, определять химический состав мочевых камней в том случае, если их размер превышает 3 мм. При этом имеются факторы, способные снижать специфичность исследования. Наиболее важные из них – избыточная масса тела и размеры конкремента менее 3 мм [32]. Так, при определении химического состава мочевых камней размером менее 3 мм in vitro в большом фантоме специфичность метода двухэнергетической КТ составила 82% [33]. Необходимо сказать, что эти работы выполнялись на двухэнергетических КТ-сканерах первого поколения. С появлением сканеров второго поколения точность метода повысилась, но даже с учетом этого 100%-ной точности для камней размером менее 3 мм достичь не удается. С другой стороны, конкременты такого размера редко вызывают обструкцию мочевых путей, обычно не требуя выполнения инвазивного лечения [34]. Знать об этих ограничениях двухэнергетической КТ при определении состава маленьких конкрементов очень важно.

II. Зона визуализации

При выполнении двухэнергетической КТ необходимо получение данных от высоко- и низкоэнергетического пучков. Одним из технических ограничений исследования при помощи двух источников излучения является то, что зона визуализации в трубке B составляет 33 см, что меньше аналогичного показателя в трубке А, равного 50 см. Для того чтобы выполнить точный анализ, важна минимальная зона перекрытия между показателями высокой и низкой энергии. Вследствие этого периферическая часть зоны визуализации трубки B «вырезается», при этом анализируется область на 5 мм меньше, чем реальный размер зоны трубки В [35]. В результате те конкременты, которые попадают в периферию зоны визуализации трубки B, проанализировать не представляется возможным. Сканеры первого поколения обладали зоной визуализации от 26 см, из-за чего возникали некоторые сложности в правильном расположении пациента, чтобы в зону исследования попали интересующие органы [35]. На сканерах второго поколения предполагалось наличие такой же проблемы, однако исследование [30] показало, что при имеющемся размере зоны визуализации искажение клинического диагноза оказывается минимальным. Расстояние между почками практически всегда составляет 33 см, не завися при этом от окружности талии пациента. В связи с этим одним из ключевых моментов при проведении двухэнергетической КТ являются корректная центровка пациента внутри томографа, а также контроль над тем, чтобы почки находились в зоне сканирования на момент начала исследования.

III. Ошибки в характеристике камней и их мимикрия

Неточности и ошибки при использовании двухэнергетической КТ могут возникать в тех случаях, если у пациента установлен мочеточниковый стент или же нефростома. Тем не менее имеющиеся алгоритмы двухэнергетической КТ дают возможность представить стенты одним цветом, а конкременты – другим [16]. Такая возможность дает двухэнергетической КТ преимущество перед традиционной КТ в том, что касается наблюдения за пациентами, страдающими уролитиазом. Метод делает возможным выявление небольших фрагментов конкрементов на фоне установленных мочеточниковых стентов или нефростром. Однако, чтобы при определении характеристик стентов не возникали неточности, необходима оптимизация постпроцессинговой настройки оборудования. Если аппаратура настроена неверно, при определении химического состава конкрементов на фоне стента в процесс компьютерной обработки могут вовлекаться и материалы самого стента, что может стать причиной получения ошибочных данных. К примеру, некоторые фрагменты могут оказаться «замаскированными» стентом, а это в свою очередь может сильно повлиять на тактику лечения.

В работе [16] примерно у 5% пациентов были установлены мочеточниковые стенты, у половины из них по ходу стента имелись резидуальные фрагменты камня. Ошибки при анализе этих конкрементов с помощью двухэнергетической КТ были отмечены в 8% исследований. Своевременная проверка и оценка параметров аппаратуры позволяют нивелировать данный недостаток, исключив необходимость повторных КТ-обследований пациента. Помимо вышеуказанных недостатков нефростомические трубки и мочеточниковые стенты могут включать в свой состав рентгеноконтрастные материалы, вследствие чего они могут быть визуализированы в цвете, характерном для конкрементов из мочевой кислоты. В связи с этим необходимо с особым вниманием проводить двухэнергетичекую КТ у пациентов, которым установлены мочеточниковые стенты или нефростомические дренажи (или при наличии каких-то других инородных тел).

IV. Высокая доза облучения

Проведение двухэнергетической КТ сопряжено и еще с одной проблемой – увеличением лучевой нагрузки на пациента. Однако доза облучения зависит от использования различных технических средств (томограф с переключением киловольтажа обеспечивает более низкую лучевую нагрузку, чем детекторы с двойным слоем), протоколов и продолжительности сканирования. Имеющиеся на данный момент сведения не позволяют сделать окончательный вывод о величине лучевой нагрузки при выполнении двухэнергетической КТ. Это связано с тем, что во многих работах доза облучения указывалась без учета таких важнейших факторов, как дозопродолжительный результат, нормализация качества изображения, соотношение сигнал/помехи [36]. В работе [21] в среднем доза облучения при выполнении двухэнергетической КТ брюшной полости оказалась равной 13 мГр, что не превышает этот показатель при традиционной КТ. Что касается сканеров с переключением киловольтажа, то для них средняя лучевая нагрузка превысила 17,5 мГр. По сравнению с рутинной КТ брюшной полости доза облучения при двухэнергетической КТ на 20% выше, однако это значение не выходит за пределы норм, рекомендованных Американским радиологическим колледжем (не выше 25 мГр) [37]. С разработкой новых протоколов и развитием техники, вероятно, лучевая нагрузка при двухэнергетической КТ станет еще ниже.

На основе имеющихся данных можно сделать вывод, согласно которому двухэнергетическая КТ – активно развиваемая методика диагностики химического состава мочевых камней. Уже накоплено достаточно сведений, свидетельствующих о большом потенциале двухэнергетической КТ в деле анализа химического состава мочевых камней по сравнению с другими методами лучевой диагностики. Тем не менее предстоит провести немало исследований, направленных на оценку эффективности метода при анализе состава отдельных типов конкрементов, выявление оптимальных параметров сканирования, обработки и интерпретации изображений. Кроме того, пока не определено точное место двухэнергетической КТ в диагностике уролитиаза. Что касается работ в России – их единицы и выполнены они на небольших выборках.