输尿管内外支架结痂的成像和化学分析

Amitay-Rosen T, Dror I, Shilo Y, Berkowitz B. Imaging and Chemical Analysis of External and Internal Ureteral Stent Encrustation. Res Rep Urol. 2022 Apr 23;14:159-166. doi: 10.2147/RRU.S364336. PMID: 35493770; PMCID: PMC9045707.

输尿管内外支架结痂的成像和化学分析

输尿管支架可有效缓解尿路血流中断，无论是由于输尿管结石、狭窄还是外源性输尿管梗阻。然而，外部和/或内部支架管腔壁上可能发生明显的支架结痂，这可能会干扰支架的功能和/或移除。目前，关于这些矿床的分布、矿物结构和化学含量的信息有限，通常是定性的，特别是在支架管腔结壳方面。目的 在初步检查中，量化代表性完整输尿管支架的外部和内部结痂。该研究调查了外部和内部结痂模式之间可能存在的相关性，确定了矿物结构和化学成分，并检查了即使在没有外部支架壁结痂的情况下支架管腔阻塞的可能性。研究设计 高分辨率实验室显微计算机断层扫描（micro-CT）用于对四个代表性支架中的外部和内部支架结痂进行无损成像。X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜 - 能量色散X射线光谱（SEM-EDS）能够平行分析从外部和内部结壳材料沿远端，近端和中输尿管支架区域收集的样品的矿物结构和化学成分。结果 支架的整个长度上都可能发生广泛的支架管腔结痂，仅伴有偶然或轻微的外部结痂。给定支架中的外部和内部结壳材料通常是相似的，由无定形（主要是有机）和结晶矿物沉积物的组合组成。结论 Micro-CT表明，即使支架外壁基本上没有结痂材料，也可能发生明显的支架管腔结痂，这可能导致部分或全部支架管腔闭塞。

介绍

输尿管支架经常有效地用于缓解尿路中的血流中断，无论是由于输尿管结石，狭窄还是外源性输尿管阻塞。在各种可能影响输尿管的腔内泌尿外科和其他外科手术后，也使用支架，以促进尿流，直到水肿减少和切口愈合。

支架经常受到矿物质沉积的影响：支架外壁和支架内腔结痂会影响支架功能，干扰支架的去除，甚至导致支架失效。1，2 然而，虽然矿物沉积是常见的现象 - 在短（周）和长（月）持续时间内 - 只有有限的研究详细分析了外部和内部（支架腔）结痂沉积物，包括沿支架的相对数量和分布，以及矿物结构和化学含量。3~13值得注意的是，这些研究通常对外部结壳进行了定性描述。只有少数情况下，关于内部结壳和/或沉积物的结构和化学含量的信息有限。然而，从临床角度来看，支架使用和管理的改善（例如，支架移除/置换的时间，成像和其他识别沉积和闭塞的发生率或可能性的方法，以及选择消除沉积的支架材料）在很大程度上仍然难以捉摸。

本研究的目的是在初始研究中测试高分辨率，非破坏性实验室micro-CT的使用，以获得支架结痂模式的几张详细地图 - 重点是支架沿线支架腔沉积的位置和数量 - 并将此信息与相关的SEM-EDS和XRD测量相结合。就支架功能而言，一个特别感兴趣的问题是，当支架外壁上几乎没有结痂时，支架管腔是否保持完全专利。

材料和方法

输尿管支架收集

在2019年2月至2020年11月期间，从49名（单支架，单侧）患者身上取回了双J支架（波士顿科学Percuflex Plus），这些患者正在接受腔内泌尿外科手术以切除肾脏或输尿管结石，并获得了机构伦理委员会（卡普兰医学中心，研究编号0242-18-KMC和魏茨曼科学研究所机构审查委员会，IRB 646-1）的批准，并符合赫尔辛基宣言）。在这些情况下，支架用于绕过输尿管结石引起的阻塞和/或促进输尿管扩张，在内泌尿外科结石去除手术之前。在研究开始之前，已获得研究参与者的知情同意。鉴于数据处理的计算密集型性质以及成本考虑，在这项初步研究中对四个支架进行了详细分析。支架的选择基于目视检查明显的外支架壁结痂程度，到位时间长度和支架直径。选择这些支架是因为它们表现出不同程度的外部结垢，以及在侧孔中具有不同程度的闭塞，后者被认为是可能的内部（支架腔）结壳的指标。支架的选择旨在促进对micro-CT测量的初步评估，以及描绘特别是内部结皮特征的能力。®

支架远端或近端没有大沉积物或重度外结痂（如包覆整个尾纤），支架输尿管中段区域无外壁结痂程度，抑制标准支架拔除。所有支架均被移除，无患者并发症。支架抓取器用于握住和拉动远端尾纤，无需在支架拔除之前使用激光或其他方法去除沉积物。在从每位患者身上拔出支架后，立即用盐水溶液轻轻冲洗支架的外表面，以除去任何未附着的胶体碎片和尿液。在标记为#2，#6，#35，#36的四个代表性支架中，支架#35的直径为4.8F，而其他三个支架的直径为6F。这些支架上的基本患者信息在表 1.

表 1

患者/支架信息

患者/支架编号

年龄

性

支架留置时间（天）

石材类型

以前的石头历史？

石头密度（豪恩斯菲尔德单位）

其他

在单独的窗口中打开

注意：对于所有患者，在随后的输尿管镜检查之前，插入支架以减轻位于输尿管或肾脏中的梗阻结石。一个尿培养提示存在粪肠球菌。

简称：尿路感染，尿路感染。

微型计算机断层扫描 （Micro-CT） 测量

使用实验室临床前蔡司Xradia 520 Versa显微镜对四个输尿管支架（#2，6，35和36）进行Micro-CT成像测量;使用商业（Avizo）软件进行图像可视化和分析。测量在远端（膀胱侧）尾纤上和上方，沿着支架的输尿管中区域，以及近端（肾侧）尾纤的下方和处进行;体素大小分辨率为13.1μm。根据支架外壁和支架内结痂材料的横截面图像（连续切片），确定了支架外壁和支架内腔包裹材料的空间分布，沿支架的各个区域。特别是，对于支架#6、#35和#36，确定了支架管腔堵塞的程度，计算为支架管腔结壳的横截面积与沿支架长度的每个切片中整个支架腔面积的比值。

如下所述，包壳材料由无机和有机沉积物组成，其中无机材料具有结晶或无定形结构，有机材料仅是无定形的。micro-CT检测支架沉积物中的有机和无机材料，与结晶或无定形结构无关。

结构和化学分析

进行了详细的测量，以分析从支架#35和#36的远端，近端和输尿管中区域收集的外部和内部结痂物质的单独样品，以表征沉积物的矿物结构和化学含量。从每个支架#35和36中取出六个样本：从尾纤卷起到支架末端的2厘米长，在远端和近端;中间/中心区域长约20厘米。通过刮擦具有钝边缘的外支架壁来收集外部结壳材料;通过反复插入导丝收集内部腔材料。对于支架#6，由于沉积量有限，从支架的整个长度收集了两个样本（外部，内部）。没有足够的材料对支架#2的沉积物进行化学分析。X射线衍射（XRD）提供了有关矿床矿物结构的信息，特别是在估计结晶相和非晶相分数方面。扫描电子显微镜 - 能量色散光谱（SEM-EDS）提供了有关沉积材料的形态和选定样品中元素分布的信息。

有关微型 CT、XRD 和 SEM-EDS 测量方法的详细信息包含在补充数据文件中。

结果

根据顺序（结痂程度增加）#2<#35<#36<#6，以及更不同程度的支架，根据#2<#6<#35<#36的顺序，选择的四个支架显示出相对轻度至中度的外结痂（见下面的讨论和图）。对结果的大多数讨论都集中在支架#6，#35和#36上，因为支架#2显示的结痂明显少于其他三个支架。虽然没有患者支架腔闭塞或其他不良反应的临床指征，但外部结痂的程度是有描述的，因为它相对于内部结垢的程度在相关性方面很重要 - 或者更确切地说，缺乏相关性 - 如下所述。在这种情况下，在讨论中包括对支架#2的引用是有意义的。所有四个支架在外表面上都显示出一定程度的相对光滑的棕色/黑色“变色”，表面变色程度按#2<#6的顺序增加<#36<#35（见下面的讨论）。

显微 CT 测量

图 1A–D显示了支架#6和#36远端区域外部和内部结痂材料的（颜色增强）空间分布。请注意，一些支架侧孔中也存在可见的遮挡。两种支架之间沉积材料的数量和位置差异在外部和内部都是显着的。特别是，沿支架#6的外部结壳程度相对较高，在支架的某些位置达到外壁表面上方约0.5毫米的高度。虽然支架#36显示的外部结痂要少得多，但相比之下，支架的输尿管中区域部分存在明显的内部结痂，但远端尾纤细。从表 1值得注意的是，与支架#6相关的患者具有复发性UTI，因此生物膜发育可能在结壳过程中起作用。相比之下，支架#36患者正在透析，表明尿流速低，尿液化学浓度相对较低;在这种情况下，人们可能会期望支架腔内的流速较低，并促进支架管腔阻塞（见下文）。

图 1

彩色增强型显微 CT 图像显示支架 #6（A 和 B）和支架 #36（C 和 D）远端区域以及输尿管中部区域（支架 #6（E 和 F）和支架 #36（G 和 H）的外部和内部结痂物质的空间分布).请注意一些支架侧孔中的遮挡。与支架 #36 相比，远端尾纤头支架 #6 的内部结痂似乎更严重，尽管后者在尾纤上方有更重的内部结痂（参见图2），特别是在支架的输尿管中段。

支架 #6 和 #36 输尿管中区域结痂物质的（颜色增强）空间分布显示在图 1E–H.请注意，与支架 #36 相比，支架 #6 显示更大的外部结痂，但内部结痂较少。一些支架侧孔的闭塞也是可见的。支架 #35 的测量值与图 1，外部结垢（#35 < #36 < #6）和中间内部结垢（#6 < #35 < #36） 略低;沿支架 #2 的外部和内部结痂沉积物的数量明显较低。

图 2A–C表示支架管腔堵塞的程度，计算为支架 #6、#36 和 #35 中沿远端尾纤尾上方区域的内结块横截面积与（清洁）支架管腔横截面积的比值。支架之间和每个单独的支架上都存在相当大的变异性。支架 #6、#36 和 #35 中支架管腔沉积的最大比率分别为 0.28（平均值 = 0.18±0.05）、0.59（平均值 = 0.33±0.10）和 0.42（平均值 = 0.18±0.08）。还要注意的是，这些支架在该区域显示出相对有限的外部结痂，特别是支架#36（图 1).

图 2

支架管腔堵塞程度（来自支架管腔结痂） - 计算为沿支架长度的内部结痂的横截面积与支架腔横截面积之比 - 在三个不同支架的远端尾纤上：（A）支架#6，（B）支架#36和（C）支架#35。还显示了沿单个支架的三个区域的相似比例，#36，（D）在远端尾纤，（E）在输尿管中区域，以及（F）在尾纤近端下方。示意图显示了沿支架的测量位置。

注意：为了清晰和便于比较，板（B）也显示为板（D）。

沿单个支架整个长度的支架管腔阻塞程度显示在图 2D–F，对于支架 #36，位于尾纤远端区域的近端、输尿管中区域以及尾纤近端的远端。再次，如所见图 2A–C，尽管只有少数几个位置显示出明显的外部结垢，但发现沿支架腔的内部结痂量存在很大的变化。支架近端与尾纤远端区域、输尿管中段区域、近端与尾纤远端区域的支架管腔材料最大比值分别为0.59（平均值= 0.33±0.10）、0.88（平均值= 0.48±0.17）和0.97（平均值= 0.57±0.11）。

结壳材料的横截面图像（以下来自图 2） 显示在图 3A–F，位于输尿管中支架区域的两个位置，即支架 #6 （A， B）、支架 #36 （C， D） 和支架 #35 （E， F）。对于（A）-（F），内部结壳相对于支架腔横截面积的相对面积分别为0.27、0.28、0.8、0.9、0.2和0.2。这再次凸显了外部和内部支架结垢量之间的相对差异。为了进一步说明外部和内部结垢量之间的潜在对比，图 3G显示支架 #36 的输尿管中区域，切成 5 块，便于收集支架腔沉积物。值得注意的是，外表面具有基本光滑的棕色/黑色涂层，没有明确的内部结壳程度指示。然而，内腔被严重遮挡，白色沉积物基本上沿着支架的整个长度。

图 3

外部和内部结痂材料的横截面图像（以黑色显示），位于支架管腔输尿管中部区域的两个位置（请参见图 2） 在 （6F） 支架 #6（A 和 B）、（6F） 支架 #36（C 和 D）和 （4.8F） 支架 #35（E 和 F）中。（A–F） 的比率分别为 0.27、0.28、0.8、0.9、0.2 和 0.2;“比率”表示被内部结痂材料遮挡的相对面积相对于支架腔横截面积。还示出了：（G）输尿管中段支架#36，切成5块，便于收集内部结痂的物质。外表面 – 光滑（基本上）棕色/黑色涂层，没有明确的支架管腔结壳程度的指示。内腔 – 基本上沿着整个支架长度被白色沉积物阻挡。对近端和远端区域的类似观察结果。

结构和化学分析

XRD和SEM-EDS对来自支架#6，#35和#36的结壳材料样本的分析揭示了以下内容：

支架#35：支架含有相对少量（大部分是棕色的）沉积物，从支架的三个区域（远端，输尿管中，近端）区域中的每个区域的外部和内部结痂中回收。XRD表明存在一些外部结痂碳酸钙（CaCO3）沉积在支架的输尿管中区域，无定形（非结晶）物质在远端和近端区域。大部分外部和内部沉积物由无定形，非结晶（有机和/或无机）材料组成。SEM-EDS证实了这一分析，并确定有机物成分>所有沉积材料的90%，在微米级观察到不同的形态。

支架#36：支架沿着外壁的整个长度有广泛的棕黑色变色，但其他方面通常是光滑的，没有外部可见的矿物沉积。XRD表明，支架的三个区域（远端，输尿管中端，近端）区域中的每个区域都含有相对少量的外部结痂（白色）鸟粪石。所有支架侧孔的闭塞也由鸟粪石组成。在内部，回收了大量的白色材料，XRD确定这些存在于三个支架区域的沉积物基本上完全由鸟粪石组成。扫描电镜-EDS证实了这一分析。

支架#6：支架沿支架的整个长度在外部和内部含有有限量的草酸钙（一水合物）。扫描电镜-EDS证实了这一分析。

讨论

本研究提供了支架外部和内部结痂的初始，详细量化，特别是支架管腔结痂，沿着几个支架的长度。如引言所述，目前关于这些沉积物的分布、矿物结构和化学含量的信息有限，通常是定性的，关于支架管腔结垢程度的报告很少，这可能导致支架失效。1–13最近的一项研究13使用micro-CT来检查来自两个不同制造商的支架在预防结壳方面的相对功效。这些测量以相对较低的分辨率（体素大小比当前研究中的体素大小大8倍）侧重于确定支架各个部分的整体结壳体积，并且没有报告支架沿支架的支架腔闭塞的相对比例。

这里介绍的测量结果提供了几个见解。最重要的是，支架外壁上结痂材料的程度基本上没有产生支架腔内结壳的数量和分布的迹象。例如，引用图 1–3，支架#36显示轻度外部结痂和重度内部结痂，而支架#6显示相对较重的外部结痂，只有轻微的内部结痂;相比之下，支架#2几乎没有外部结痂，也被发现几乎没有内部结痂。事实上，通过显微 CT 进行成像表明，外部结痂可以占支架上/支架内沉积物质总量的大部分。此外，内部结痂材料沿支架腔的分布趋于不均匀;在某些区域（例如，支架#36的输尿管中区域;图 2D–F），发现局部支架管腔结痂的变化范围为<20%至>90%。因此，这里分析的四个支架显示出外部和内部结痂的相对量存在很大差异，这表明不能先验地假设具有可忽略不计的外部结垢的支架具有同样可忽略不计的支架腔结痂。

关于支架功能，沿支架腔内结痂的相对较高比例可能导致支架传导和引流尿液的能力降低甚至功能丧失。为了说明这一点，请参阅支架#36和图 2和3，内部结壳材料的比率变异性沿支架局部且广泛变化，从33%到57%，但局部最大比率高达~97%。因此，在这种情况下，支架管腔在整个支架长度上连续导电横截面的可能性似乎很低，因此支架管腔可能被阻塞。在这种情况下，关于支架阻塞百分比对尿流影响的详细定量讨论出现在其他地方。14，15 这些研究14，15特别表明，在存在输尿管外侧阻塞的情况下，沿支架的微小区域中支架管腔阻塞>90%可导致肾压显着升高，从而表明支架无法有效传导尿液。

还要注意的是，对于内部结痂，支架侧孔也可能变得很大程度上或完全闭塞（例如，在图 1），从而减少支架和输尿管腔之间的潜在尿液交换和流动;侧孔闭塞在文献中有充分的记录。4–10当然，即使支架腔完全闭塞，如果尿液流过输尿管腔，支架周围仍然可行，肾脏引流也可以保持正常。这些发现可以解释某些临床情况，例如输尿管支架引流的梗阻性结石患者，发生肾盂积水和/或尿路感染，而影像学检查并未提示任何结痂的证据。在这种情况下，明显的支架腔结痂可能会干扰和阻碍尿流，导致尿路感染或肾功能衰竭;常规成像不可见支架腔结痂。

虽然支架通常旨在避免或减少矿物沉积，但支架通常表现出严重的结壳。据文献报道，在特定支架的所有（近端、远端、输尿管中）区域，结痂沉积物的化学含量和矿物结构似乎大致相似。然而，支架和不同患者的沉积物类型可能会有很大差异。例如，支架 #35 主要含有有机物质，只有少量外部沉积的 CaCO3，而支架#36主要含有鸟粪石，可能是由于感染。还注意到，支架的化学和物理性质可能会随着时间的推移而变化。物理性质的变化包括由于各种类型和数量的沉积而导致的支架表面粗糙度，以及侧孔堵塞。经常观察到的沿支架外壁的棕黑色变色代表了一种化学变化。正如Chew等人所证明的，16这种变色通常不表示尿液中结晶物质的表面沉积，而是表明含硫尿液组分与支架材料中存在的碳酸铋之间的反应。然而，人们可以推测，支架涂层的这种化学变化可能对沉积产生次要的、长期的影响。

这些发现的临床意义虽然基于有限数量的样本，但显示很少外部结痂的支架可能含有显着的内部结痂。对于任何特定病例，支架管腔结垢的程度都无法提前预测或确定。因此，在没有任何其他相关临床数据的情况下，将导丝插入先前插入的支架中以促进导丝引导至肾脏的做法可能导致无意中将大量沉积物质输送到上尿路。这些沉积物可能成为未来肾结石的成核材料。此外，含有大量有机/生物成分的沉积物（例如支架#36，主要含有鸟粪石）可能导致尿路污染，并可能在高肾压下引起菌血症。

虽然这项初步研究通过结合micro-CT，XRD和SEM-EDS测量来检查外部和内部结垢之间的关系，但应注意一些局限性。首先，详细检查的四种输尿管支架不能完全代表所有输尿管支架;可以对这里介绍的概念验证方法和分析进行全面研究。此外，尿液化学成分、支架放置持续时间、支架尺寸、样式和制造商等因素，超出了本研究的范围，可能会影响结痂模式，但在这里无法相关。同样，由于石头类型通常是未知的，因此不可能将结壳和石头成分联系起来。

未来对大量支架的系统研究将允许对这些发现的范围进行概括。这里介绍的方法可以努力将外部和内部结痂量，分布，组成和矿物结构的测量值与患者病史的信息（例如，以前的结石发生，结石组成，感染，支架放置的持续时间）以及支架和涂层的类型相关联。特别是，进一步证实具有最小外部沉积物的支架中支架管腔结痂的程度可能证明是有用的。检查微生物标志物的未来分析，以及对具有其他临床适应症的患者的支架的分析，可能会提供有关结痂特征的进一步见解。其他研究可以集中在导致不均匀沉积的因素上。可以推测，这至少部分是由于沉淀动力学的可变性，作为支架和输尿管腔中尿液的不同停留时间（尿速和体积）和时变化学成分的函数。在患者移动过程中，支架外壁和输尿管壁之间的剪切/接触以及支架本身的弯曲可能会进一步减少或改变沉积模式。

结论

Micro-CT测量表明，即使外壁和近端/远端尾纤尾基本上没有结痂物质，也可能发生明显的支架腔结痂，甚至基本上完全阻塞。对矿物结构和化学含量的相关分析证实，在每个支架中，结壳沉积物通常由相似的矿物结构和化学成分组成，但患者之间也存在外部和内部支架沉积物之间的广泛差异。