《Analytica Chimica Acta》：Classification of urinary stones using near-infrared spectroscopy and chemometrics: A promising method for intraoperative application
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为解决微创治疗尿路结石时术中实时确定结石化学成分的问题，来自俄罗斯的研究人员开展了应用近红外光谱（NIRS）分类尿路结石的研究。结果显示该方法精度和召回率良好，首次术中验证效果佳，为临床治疗提供重要依据。
尿路结石病是一种常见的慢性全身性疾病，表现为尿路（肾脏、膀胱等）中形成结石。在众多分类中，尿路结石可根据病因（非感染性、感染性、遗传或药物引起）或化学成分进行分类。草酸钙、磷酸钙以及尿酸结石占所有病例的 90% 以上。治疗方案和预防措施（如术后饮食或额外药物治疗）的选择，很大程度上取决于结石的类型。此外，某些结石（尿酸、胱氨酸或鸟粪石）是特定代谢或基因异常的指标。
目前，尿路结石最常用的诊断工具是超声。X 射线肾脏 - 输尿管 - 膀胱造影可获取结石成分的初步信息，因为磷酸盐和草酸盐不透 X 射线，而尿酸结石透 X 射线。非增强计算机断层扫描（NCCT）由于辐射剂量较小，已成为有症状患者的首选方法。同样原理，NCCT 可通过计算亨氏单位表示的密度来区分尿酸结石和含钙结石，但对于小结石，密度区间有重叠，可靠性较低。双能计算机断层扫描（DECT）是评估尿路结石发展较快的方法之一，对尿酸（与非尿酸）和钙化结石（草酸盐、磷灰石、鸟粪石与其他类型）的识别灵敏度和选择性接近 100%。然而，这些有前景的 DECT 结果来自相对小规模的研究，而且现代 CT 或 X 射线方法的应用存在明显局限性（辐射暴露、特定设备和基础设施等）。
这些成像工具在临床上用于做出临床决策、定位结石并评估其物理特征，但无法评估化学特征。临床指南指出，应至少进行一次结石分析，采用成熟的实验室方法，如红外光谱、X 射线衍射或偏光显微镜。不过，在结石取出前，即侵入性手术（如输尿管镜激光碎石术）过程中获取结石化学成分的信息更为理想。首先，这有助于调整激光参数，因为不同结石需要特定设置，而目前仍只能凭经验调整。其次，这些信息对于选择手术和术后即刻治疗的策略及剂量非常有价值。对于没有具备及时进行结石分析资质和设备实验室的医院，在线分类尿路结石的可能性也很有帮助。
虽然尿路结石的外观似乎可作为其类型的指标，但 Randall 等人的研究表明，专业泌尿科医生无法通过内镜图像确定结石成分（总体准确率为 44%）。Estrade 等人在一组原位肾结石图像上训练卷积神经网络（CNN），CNN 的性能因结石是纯结石、二相结石以及不同成分而异，受试者工作特征曲线下面积（AUROC）值在 0.72 - 0.98 之间。这种方法自动化潜力高，但作者仅考虑了一水草酸钙、二水草酸钙和尿酸结石。
也有人提出了几种用于快速分析新鲜取出尿路结石的光谱方法，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱和自发荧光。尽管这些研究显示出较高的准确性，但这些方法不能真正用于术中分析。曾有人尝试使用脉冲激光获取结石发射光谱，但体内实验或大量样本的进一步研究仍是激光技术未来的发展方向。Tseregorodtseva 等人提出在 300 - 1100nm 范围内结合多波长荧光和漫反射光谱（DRS），添加 DRS 可将三类（草酸盐、尿酸盐、羟基磷灰石）分类的 F1 评分（精确率和召回率的调和均值）提高到 92%。然而，这些实验仅在体外对干燥结石进行，而在实际手术中，盐水的持续存在可能是一个重要干扰因素。
在 Li 等人最近的研究中，他们开发了一种基于光纤的荧光光谱技术，用于区分含钙与非含钙结石以及尿酸与鸟粪石，准确率超过 90%。光谱测量在填充盐水的 3D 打印肾脏模型上进行。虽然这些方法无法提供结石中所有化学相的完整列表，但识别主要相对于术中应用已足够。
近红外光谱（NIRS）是一种广为人知的光谱方法，常与机器学习结合，在医学不同领域（包括泌尿科）的非侵入性或低侵入性应用中得到广泛研究。便携式光谱仪、无需样品制备以及多种可定制光纤探头，使得 NIRS 可在手术操作中应用。此前，在一项针对十个尿路结石样本的初步研究中，已证明可通过光纤探头获取的近红外光谱区分草酸钙和尿酸结石。在本研究中，研究人员扩大了研究范围，分析了大量不同化学成分的尿路结石在环境条件和盐水条件下的情况。基于获得的近红外光谱训练和验证的多项分类算法，对草酸盐、尿酸盐甚至磷酸盐结石都表现出良好的性能。此外，还在内镜手术中首次对该方法进行了实时验证。
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