​尿结石的成分分析

Urinary Stone Analysis

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Schubert, G. (2010). Urinary Stone Analysis. In: Rao, N., Preminger, G., Kavanagh, J. (eds) Urinary Tract Stone Disease. Springer, London. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-362-0_29

尿结石分析

介绍了主要的泌尿系结石成分以及药物性结石。描述了结石的形态。给出了结石成分作为主要成分的频率，结石成分的出现频率，以及不同成分组合（结石类型）的频率。表示纹理类型和核壳关系的重要性和形式。讨论了石头分析的目的和问题。介绍了石材分析偏光显微镜、X 射线衍射和红外光谱的方法，同时评估了这些方法的优缺点。环形试验的结果表明，X 射线衍射法在正确性方面是最好的方法。包括 X 射线衍射在内的两种或三种方法的组合是值得推荐的。

泌尿系统结石是泌尿系统的固体生物源性结构。主要是晶体结构；尺寸大于 1 毫米。大约 95% 的结石是结晶成分，5% 是有机成分，即不同种类的蛋白质或所谓的基质。1

2结石成分

2.1尿结石成分

根据矿物学和化学成分  2  ，存在不同组的尿结石成分（表  29.1   ） ：

表 29.1 尿结石成分  

Stone component

Main component (n = 72.383)

Frequency of occurrence (n = 111,196)

• 无机结晶物质：草酸钙、磷酸钙、磷酸镁铵

• 有机结晶物质：尿酸和几种嘌呤衍生物和尿酸盐

• L-胱氨酸

• 结晶药物性结石

• 有机非结晶物质：蛋白质、基质结石、血凝物

• 人工制品、伪造品

药物诱发的结晶性结石的一些例子包括：茚地那韦一水合物、硫酸阿他那韦、头孢曲松（如头孢曲松钙）、N4-乙酰磺胺嘧啶、N4-乙酰磺胺甲恶唑、阿莫西林三水合物和氨苯蝶啶。  3   ,   4

石英、方解石、石膏和籽粒被发现是人工制品或伪造品。

2.2结石成分的频率

主要石成分群的丰度差异很大。表  29.2  显示了作为主要成分的结石成分的频率以及不同结石成分的出现频率。

表 29.2 尿结石成分的频率（%）  

Stone component

Main component (n = 72.383)

Frequency of occurrence (n = 111,196)

最常见的成分是草酸钙镁钙石和威得石，即草酸钙一水合物和二水合物。硅藻土的出现频率为78%；weddellite 为 43%。文献中描述了一种三水草酸钙5    ，但其他作者并未证实这种情况。还观察到第二种形式的草酸钙一水合物的出现。磷灰石（或碳酸盐磷灰石）是一种非常常见的石头成分，出现率为 33%。磷灰石不经常出现（1-2% 的出现率），但近几年磷灰石的出现频率有所增加。  

• 其他磷酸钙，如白磷钙石和磷酸八钙非常罕见。

• 最典型的感染结石成分是鸟粪石，频率为 6%。

• 鸟粪石通常与磷灰石形成大鹿角石。

• 纽伯瑞石是一种非常罕见的鸟粪石转化产物。

• 尿酸是常见的结石成分，发生率为 10%，尿酸二水合物的发生率为 6%。

• 尿酸一水合物非常罕见，最近由作者首次描述。

• 第二种形式的尿酸8非常罕见地出现，作者可以证实。

• 尿酸铵的频率为 1%。

• 其他尿酸盐和嘌呤衍生物，如黄嘌呤和二羟基腺嘌呤，是绝对罕见的。

• L-胱氨酸并不常见，只有 0.3%，但它很重要，因为它的复发率很高，而且没有过敏反应。

只有七种尿结石成分的发生频率大于 1%。其他大约 15 种石头矿物，从稀有到非常非常稀有。值得注意的是频率为 2.3% 的伪像的百分比。  44% 的大部分石头 ( n = 70,131) 由两种矿物质1  组成；34% 是单矿物质；22% 由三种矿物质组成；只有 0.7% 由四个、五个或六个组成部分组成。  结石成分的混合物起着如此巨大的作用，这一事实对于结石分析和结石患者的分类很重要（图29.1  ）。

图 29.1

泌尿系结石成分数量 ( n = 70,131)

作者在更详细的分析中检查了所列成分的不同组合的频率，  10  发现相当大的多样性导致了 145 种不同的结石成分组合（结石类型）。然而，这些组合中的绝大多数都必须被视为稀有宝石类型。只有 25 种结石类型（表  29.3  ）显示频率超过 0.1%；它们占所有泌尿系结石的 99%。其中，12 种的出现频率为 0.1-1%，而其余 13 种结石的发现频率更高；即超过1%。三种石头类型，whewellite 和 whewellite-weddellite 和 whewellite-weddellite-apatite，已经单独占所有结石的 70%。

表 29.3 结石类型的频率 >0.1% ( n = 72,383)  

2.3 结石成分的形态结构

2.3.1形态

不同泌尿系结石的外观、颜色和稠度差异很大。结石形成的成分和部位会影响泌尿系结石的外观。

风口石通常具有深棕色或黑色。颜色越浅，有机物含量越高。表面通常是桑树状或晨星状（图  29.2a  ）。石头非常坚硬。

图 29.2

泌尿系结石的形态。（一）白云石。( b ) 威德莱特。（c）whewellite核心上的Weddellite晶体。( d ) 磷灰石。( e ) 磷灰石。( f ) 鸟粪石-磷灰石。( g ) 尿酸。( h ) 尿酸一水合物。(一) L-胱氨酸

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威德来石大多结构疏松，呈灰黄色（图  29.2b  ）。特别值得注意的是四方双锥形态的晶体。晶体是锋利的，并且在外表面具有边缘的各种方向。笔者多以致密的惠威来石为核心，在惠威来石-威德来石混合石的表面发现威德来石晶体（图  29.2c  ）。

磷灰石（图  29.2d  ）呈白色或灰色。表面大多是光滑的，稠度从坚实到松散不等。透辉石（图  29.2e  ）通常非常坚硬。颜色在白色和灰色之间有所不同。它们通常具有类似花椰菜的表面。

鸟粪石常与大鹿角石形式的磷灰石混合石形成（图  29.2f  ）。颜色多为白色至浅灰色。在大多数情况下，它们具有松散的一致性。

尿酸结石和尿酸二水合物结石的颜色（图  29.2g  ）从浅黄色到红黄色到红棕色不等。尿酸水合物含量越高，混合宝石的颜色越深。它们的表面大多非常光滑。

罕见的一水尿酸（图  29.2h  ）和尿酸盐结石大多呈白色至灰色，质地疏松。

胱氨酸结石（图  29.2i  ）具有典型的黄色和蜡状表面。一致性非常牢固。

所谓的基质结石由纯蛋白质或含有鸟粪石-磷灰石的蛋白质组成。基质石在其天然状态下具有非常柔软的稠度，但在干燥后会变成固体。

2.3.2纹理

纹理一词描述了晶粒或晶体的形状和形态外观，以及晶体彼此之间以及相对于石头几何形状的相对排列。

草酸钙结石由于两种水合物（硅藻土和硅藻土）的存在以及硅藻土向硅藻土的转化现象，呈现出多种多样的形态和结构形态。  11   ,   12

作者将草酸钙结石的各种纹理外观形式简化为四种基本纹理类型：

• 类型 1：同心叠层的 whiwellite 纹理，具有不同程度的 whewellite 晶体的纤维径向排列。这就是所谓的年轮纹理（图29.3a）。

• 类型 2：细到非常细粒度的不规则白硅石质地。

• 类型 3：不规则取向的硅藻土单晶的镶嵌结构，通常含有形态学的硅藻土残留物。

• 类型 4：异形韦德莱特晶体的不规则纹理（图29.3b）。

图 29.3

纹理类型的偏光显微照片（薄片）。( a ) 1 型草酸钙 - 同心层状结构，具有纤维状径向排列的白钙石晶体。( b ) 4 型草酸钙 – 异形威德利特晶体的不规则纹理。( c ) 2 型尿酸——呈放射状排列的尿酸晶体同心叠层结构。( d ) 鸟粪石-磷灰石纹理类型 2，具有同心叠层纹理，鸟粪石晶体呈珍珠项链状排列

这些纹理类型的出现不是随机的，而是由某些致病因素决定的，例如高钙尿症。  13  此外，其他泌尿系结石表现出不同的质地类型。尿酸/尿酸二水合物结石具有：

1. 1.细粒度的不规则纹理

2. 2.同心叠层纹理，有时具有放射状排列的尿酸晶体（图29.3c）

鸟粪石-磷灰石显示三种纹理类型：

1. 1.以磷灰石为基质的鸟粪石晶体不规则镶嵌结构

2. 2.在磷灰石基本物质中，鸟粪石晶体呈珍珠项链状排列的同心层压纹理（图29.3d）

3. 3.大多数非常大的鸟粪石晶体的纤维状径向排列

2.3.3 核壳关系

混合石头中的不同成分可以均匀分布在整个石头上，或者不同的成分分别排列在核心和不同的壳中（图  29.4  ）。大约 25% 的结石表现出中央和外围结石部分成分的质量差异。关于化生，核和壳之间的差异似乎对以下结石类型最重要：草酸钙-尿酸、草酸钙-鸟粪石和尿酸-鸟粪石。这些类型最多占所有结石的 5%。

图 29.4

以尿酸为核心，以水镁石为壳的尿石（研磨）

3结石分析的目的和问题

结石分析的目的是对所有结石成分进行广泛的定性区分，尤其是不同的水合物形式、尿酸盐和嘌呤衍生物以及几种磷酸钙。此外，另一个目的是半定量测定混合物中的所有成分。

对要求苛刻的结石相的分析，例如稀有的嘌呤衍生物、药物性结石和某些情况下的伪影，存在一定的问题。考虑不均匀性（核壳，在石头中分解）和成本效率问题也很重要。

结石分析对于残余结石和复发结石的治疗和治疗很重要。

• 组成和结构是指治疗方法的选择：

• 尿酸和鸟粪石的溶石

• 选择输尿管镜检查或经皮肾镜取石术作为抗冲击波结石的替代方法，例如白钙石、透钙石和胱氨酸 15

• 准确的结石分析是有效反应性治疗的基本要求。

结石类型的正确确定对于结石患者在匹配的玄学组中的分类至关重要。在每种情况下，混合结石的主要成分对于玄疗组患者的分类并不是决定性的。例如，在含有磷灰石的混合结石中，鸟粪石含量为 30% 可能是将患者分类为感染结石组而不是钙结石组的原因。

4结石分析方法

4.1结石分析方法的总体看法

过去有大量方法用于尿路结石成分的测定。表  29.4  显示了用于结石分析的几种方法及其有效性的总体视图。  根据表29.1  中的石材成分，只有一些方法可以给出准确的石材成分。有些方法只能给出原子和分子的含量（例如化学方法）。只有偏光显微镜和扫描电子显微镜等方法才能将发现的结果传递给泌尿结石的质地。

表 29.4 尿结石分析方法及其证据  

在过去的几年里，三种方法被证明是最好的结石分析方法：X 射线衍射、红外光谱和偏光显微镜。这些方法满足了结石分析的要求（见上一节）。

以下部分介绍了偏光显微镜、X 射线衍射和红外光谱的原理、优点和缺点。

4.2偏光显微镜

偏光显微镜是基于偏光与结石晶体的相互作用。晶体或晶体聚集体的内部形态、颜色、光的折射和双折射是鉴别结石矿物的参数。  偏振研究的主要模式如图  29.5  所示。图  29.6a-f  描绘了一些结石颗粒制备的显微照片。

图 29.5

偏振研究的主要模式

图 29.6

偏光显微照片。（a）Whewellite. 。( b ) Weddellite。( c ) 尿酸。( d ) L-胱氨酸。( e ) 鸟粪石。( f ) 磷灰石

偏光显微镜的好处是：

• 成本效益

• 可以对非常小的样品进行快速检查和分析

• 这种方法实际上是对简单的石头如whewellite或weddellite的最终分析。

• 可以检测到石头中非常少量的成分。

缺点是：

• 高度的主观经验是必要的。

• 在某些情况下，难以区分尿酸和嘌呤衍生物以及磷酸钙组中的成分。

• 在某些情况下，混合物的定量分析很困难。

4.3红外光谱

红外光谱是基于红外光和石头成分中的分子的相互作用。  4   ,   18   ,   19  光激发原子振动，结果是能量吸收。能量吸收导致红外光谱中的吸收带（图  29.7  ）。

图 29.7

红外光谱的主要模式

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红外光谱中的一项新技术是衰减全反射法  ——  金刚石 ATR 法（图29.8）。该技术的优点是易于制备和适用于软样品。部分石材成分的红外光谱如图  29.9a、b、d-f  所示。

图 29.8

ATR技术原理

图 29.9

一些结石成分的红外光谱。（一）白云石。( b ) 威德莱特。( c ) 尿酸。( d ) L-胱氨酸。( e ) 磷灰石。( f ) 鸟粪石

红外光谱的优点是：

• 成本适中。

• 使用傅里叶变换红外技术进行快速检查。

• 可以对小样本进行检查。

• 使用 ATR 技术很容易制备。

• 半自动评估是可能的，应用搜索匹配功能。

• 可检测到非结晶物质（如蛋白质或脂肪）。

缺点是：

• 使用通常的溴化钾片剂技术进行耗时的准备工作。

• 在某些情况下，区分和定性分析很困难；例如，在尿酸、嘌呤和磷酸钙的情况下。

• 在某些情况下，检测少量成分是很困难的；例如，weddellite或reverse中的whewellite，或尿酸中的尿酸盐和尿酸二水合物等。

4.4 X 射线衍射

X 射线衍射是基于 X 射线在晶格上的衍射。  20   ,   21  在一定条件下，存在对应布拉格方程的衍射最大值（图  29.10  ）。

图 29.10

X射线在晶格上的衍射

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图  29.11  显示了我们实验室使用的 X 射线设备，带有 X 射线管、样品更换器和检测器。多达 12 个样品的测量是可编程的。自动定量程序允许对结石成分进行准确而简单的定量分析。

图 29.11

X射线衍射设备

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图  29.12a-f  显示了一些石头成分的 X 射线衍射图。这种方法的好处是：

图 29.12

一些石头成分的 X 射线衍射图。（一）白云石。( b ) 威德莱特。( c ) 尿酸。( d ) L-胱氨酸。( e ) 鸟粪石。( f ) 磷灰石

• 易于准备。

• 自动测量（使用样品更换器）。

• X 射线衍射图的半自动评估（搜索匹配程序）。

• 定量分析（应用自动定量系统）。

• 所有晶体成分的精确区分是可能的。

缺点是：

• X 射线设备成本高。

• 非结晶物质是不可检测的。

• 每次测量的时间长达 30 分钟（使用最新设备可以大大减少使用 X 射线衍射的每次测量时间）。

5分析方法的评价

前面描述的方法——X 射线衍射、偏光显微镜和红外光谱——都有其优点和缺点。结合上述两种或三种方法，可以最大限度地利用所应用方法的所有优点。

非常有益的是所有三种方法的结合。图  29.13  显示了这种组合分析的流程图。分析从对宝石颗粒制备的偏振显微研究开始。对于简单的单矿物结石（例如，whewellite 或 weddellite），可以预期最终结果。

图 29.13

尿结石分析流程

对于结石组尿酸（和尿酸盐）和磷酸盐以及多矿物结石，必须通过 X 射线衍射进行以下研究。之后，我们获得了石头成分的定性和定量精确结果。对于有机结石（蛋白质、脂肪、胆结石）和药物性结石，使用 ATR 技术的红外光谱非常有帮助。

德国临床化学和检验医学协会 (DGKL) 定期组织尿结石分析调查，以控制结石分析的质量。2008年尿结石分析的调查结果有助于对不同方法的评价。一份样品由 60% 的磷灰石、20% 的钙镁石和 20% 的尿酸组成。这是一种比较少见的混合物；然而，这种材料来自天然泌尿结石。参与者使用 X 射线衍射对磷灰石、钙镁石和尿酸的定性正确率为 100%。没有错误的分析。参考红外光谱，93% 的参与者正确检测磷灰石，但只有 61% 的参与者正确检测了磷灰石，57% 的参与者正确检测了尿酸。38% 的参与者用鸟粪石进行了错误的分析，weddellite、尿酸二水合物和蛋白质。使用化学方法的参与者只能给出简化的分析结果，所有参与者的草酸钙和磷酸钙为 100%，而尿酸仅为 33%。

6结论

不幸的是，由于成本原因、无知或方便，许多泌尿科医生没有使用结石分析。戒指试验的结果表明，尽管使用了红外光谱等精确方法，但宝石分析的质量仍有改进的余地。在专门的石材分析中心进行专业准确的石材分析是绝对必要的。

复发性结石形成的结石分析评估结果显示，35% 的患者结石成分存在显着差异，30% 的患者在泌尿道不同侧结石形成存在显着差异。  22  出于这个原因，需要对每位患者的每次结石发作进行一次结石分析，以实现有效的治疗和反应性治疗。