三維可視化技術在經皮腎鏡碎石取石術中新進展

韋慶凡 陸海 韋利濤 覃江

【關鍵詞】 腎結石；經皮腎鏡碎石取石術；三維可視化技術

中圖分類號：R699.2 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2023.06.014

腎結石是常見病及多發病，廣西是腎結石高發地區。治療腎結石的方法多種多樣，包括各種非侵入性的治療如藥物治療、體外沖擊波碎石以及侵入性治療如輸尿管軟鏡手術、經皮腎鏡碎石取石術（percutaneous nephrostolithotomy，PCNL）和腎切開取石術^［1-2］。在過去的 30 年中，經皮腎鏡碎石取石術作為一種微創方法，一直用于治療腎臟和輸尿管上段大結石，是目前治療腎結石最常用、有效的手術之一，對于較大結石、多發結石等復雜性結石，更是臨床治療的標準方法。但是，PCNL易對脊柱、胸膜和周圍毗鄰臟器造成損傷，且有較高的出血及感染風險^［3-4］。因此，如何準確地建立穿刺通道，降低手術風險，提高結石清除率是PCNL的難點、重點。目前，最主要的建立穿刺通道的方法是對腎結石患者集合系統的單時相CT數據進行三維重建。近年出現的三維可視化技術對泌尿系統4個時相的CT數據進行重建并達到真正意義上的三維可視化，并可在此基礎上進行虛擬手術的設計^［5-6］。常規PCNL通常是在術前完善單時相CT并進行重建，術中在B超引導下進行穿刺并建立手術通道。但B超分辨率低，且為二維圖像，用于引導穿刺容易產生盲區與誤差而增加手術風險。而三維可視化技術不僅能夠個體化地模擬患者腎臟內結構與結石位置以及腎臟與周圍毗鄰組織的關系，也能立體化地展現結石患者腎臟血管分布情況，從而為術者設計手術與建立穿刺通道提供較為詳細準確的數據^［7］。現對三維可視化技術在PCNL手術中的新進展進行綜述。

1 PCNL手術的特點

設計與建立穿刺通道是PCNL術中最關鍵的步驟。為了直截了當地進入結石所處的腎盞，并能以最高的效率將術中粉碎的結石沖出穿刺通道，一般選擇能到達各組腎盞的穿刺點。對PCNL而言，腎中盞穿刺路徑得到的術野范圍最廣，可以進入到腎盂、腎上中下盞甚至輸尿管上段。位置偏上結石的穿刺路徑一般為上盞，而位置偏下的結石其穿刺路徑主要為下盞。在進行腎盂穿刺時應使腎盂盡量充盈以便于觀察穿刺過程的操作，此時向輸尿管導管內打入生理鹽水或造影劑可以達到此目的。穿刺時應避免直接穿刺進入集合系統，否則腎盂內液體外滲易導致穿刺效果不佳。穿刺針進入的方向與擴張器的方向必須一致，且擴張器置入深度要小于穿刺針，避免損傷腎實質^［8］。PCNL結石清除率和手術風險與腎臟穿刺部位的選擇密切相關，建立正確的腎臟穿刺通道是完成碎石術、降低術中術后并發癥發生率的前提。大出血、肝和胸膜損傷以及腸損傷都是PCNL術中術后可能遇到的并發癥。因此，腎穿刺通路的成功建立是PCNL的主要因素和難點^［9-10］。三維可視化技術可以解決穿刺定位問題，提高穿刺定位精度和安全性。

2 三維可視化技術的原理

CT掃描在俯臥位進行，以DICOM 格式文件從患者腎臟的薄層 CT 提取出圖像，并使用 Mimics 17.0軟件進行閾值選擇、區域增長、多層編輯和修改技術后，得到腎臟不同部位的三維重建圖像。獲得圖像后，再組成一個完整的腎臟。另外，對第十一和第十二肋也進行了重構以實現平滑、精細填充以及其他后處理。最后還提供了標準化的STL文件，用于繪出穿刺點并設定其穿刺路徑、穿刺深淺度和穿刺軌跡。利用成像數據和三維可視化模型，對經皮腎鏡取石通道、目標腎盞、穿刺角度進行術前規劃，預測殘余結石、穿刺深度和碎石過程。通過患者腎臟和結石的三維可視化成像，建立最佳碎石通道，即皮膚與目標腎盞的最短距離，并與周圍目標腎盞形成鈍角，該碎石通道便于處理多盞結石。如果含結石的腎盞頸部與最佳碎石通道的夾角小于60°，則說明腎鏡將無法進入腎盞進行激光碎石，腎盞內的結石仍會殘留形成殘石^［11］。

3 建立三維可視化模型對PCNL的意義

三維空間圖像可視化技術主要是將二維映像學資源采用面繪畫、體描繪方式，以立體模型表現體內組織結構和臟器解剖構造。腎結石的三維空間圖像可視化模型根據病人原始CT映像學數據，運用計算機軟件處理技術進行分析、運算、分割、融合、渲染等操作，全方位、多角度、深層次地將臟器內解剖構造和結石以及附近組織形狀、空間結構分布三維立體顯示。還能夠通過染色、旋轉、半透明性處理等多項操作判斷術后切緣，從而決定最后的手術方案，對設計經皮腎鏡術后皮膚穿刺隧道的安全、可行性和有效性都具有意義。三維可視化模型彌補了傳統影像學對解剖結構無法全面展現的缺陷，從而形成了對精準外科手術的安全與有效性之重要組成部分^［12］。在穿刺之前，將三維可視化技術運用于腎部定位，并在穿刺過程中引導穿刺針的方位與傾角，以獲得結石體積所在的最佳腎盞，可以提高腎穿刺的精確度，從而縮短穿刺流程，增加穿刺的精確度。PCNL的治療中，對穿刺路徑的設定與確定尤為重要。因為常規PCNL都是“一次性”的，一旦穿刺路線出錯，穿刺深度出錯，甚至破壞了組織器官和周圍毗鄰臟器，都是不可逆的。而三維可視化技術則能夠很好地解決這種問題。醫生可在術中根據重建的腎結石三維模型不斷學習，調整穿刺路線、穿刺地點和穿刺深淺等治療重點，及時掌握在治療中可能出現的問題，以便進一步調整，從而減少遺漏^［13］。利用對模型的擴大、縮小和透明化等方法，能夠更清晰地揭示腎內結石、毛細血管、集合系統及其與鄰近臟器之間的位置關聯，模型也為反復穿刺點的正確定位奠定了生物解剖學基礎，也因此能夠篩選出最合適、療效最佳的穿刺點通道和術后規劃，以最大可能地避開腎內血管，進而減少合并癥的發生^［14］。

4 三維可視化技術與其他重建技術的區別

CT三維重建技術的精確度超過了96%，對腎臟實質、腎集合系統、尿道與膀胱的三維重建效果已日趨完善^［15］。CT三維重建技術既能夠更加直接精準地表達泌尿體系的剖解學特點，又由于其使用簡便、無損性較高的優點，已成為目前研究活體臟器解剖學的最主要方式。三維可視化與CT三維重建的區別則在于：三維可視化與三維重建都是建立在增強CT的基礎上，但二者并不相同。三維重建只能將造影劑經過的組織器官進行重建，并且只能觀察組織輪廓，無法對血流外的腎臟集合系統進行觀察，因此無法對結石進行細致地觀察。另外，三維重建與三維可視化都能顯示血管，但三維可視化能清楚地標注動靜脈，對腎周圍組織進行清楚地重建，并且能夠自由旋轉角度，對阻礙觀察的對應組織可以選擇性屏蔽^［16］。近年來3D打印技術應用于腎結石的治療也逐漸成為趨勢，其通過透明材料還原腎臟內結石的分布及腎臟集合系統與周圍組織的關系，從而達到術前輔助設計穿刺路徑的目的^［17］。而三維可視化技術與3D打印的區別在于：（1）3D打印技術需要增強CT或靜脈尿路造影等才能清楚顯示泌尿系統的結構。而三維可視化技術單純做增強CT完全可以滿足需求。（2）3D打印技術需將二維圖像模型用透明材料進行1∶1重建才能清楚顯示構造并方便臨床應用。三維可視化技術可以在電腦上完成重建，并在電腦上進行觀看及模擬操作。（3）3D打印技術一經打印，實物便不能更改。而三維可視化技術能夠在電腦上旋轉角度、切換視角，對每個組織器官及血管都有相應標注，并且對阻礙觀察的其他組織可以進行選擇性屏蔽^［18］。

5 三維可視化技術對醫患溝通的意義

在術前與患者及其家屬的交談中，外科醫生利用三維可視化模型的可視化效果，對腎臟的結構、手術的具體過程、術后并發癥的可能性及原因進行分析講解， 溝通更加嚴謹和充分，促進了患者對醫生的信任，提高了談話的效率以及患者認可度，取得了良好的效果。患者對疾病和治療的認知可能受到多種其他因素的影響，例如教育背景和既往PCNL史。通過術前交談得知患者對手術的了解情況，有助于排除其他混雜因素造成的結果偏差。可以增加患者對醫師的信心，讓醫患關系更為和諧^［19］。

6 建立三維可視化對初級醫師的意義

改進和細化重建效果，使腎臟模型在超聲引導下清晰顯示內部結構和結石圖像，術者和年輕醫師可以進行術前模擬穿刺練習，達到模擬訓練的效果。此外，PCNL是一項復雜的泌尿外科手術，需要具備高水平的專業知識才能執行。 PCNL中最重要也是最難掌握的步驟是建立經皮腎穿刺通道。在手術室等高壓環境中獲得此類專業知識可能會導致學習曲線陡峭并增加成本。模擬器的使用對于提高性能質量和減少現實場景中的錯誤至關重要。最好的例子是飛行員用于訓練的飛行模擬器，這些模擬器非常有用，模型中的任務可以重復任意次數，并且可以在受控的無壓力環境中完成，而不必擔心會出現并發癥。事實證明，在模擬器上練習的外科醫生在實際手術過程中往往更有信心，并在更短的時間內完成手術，并發癥更少。在三維可視化技術重建的圖像基礎上培養年輕醫生，可以極大縮短他們的學習曲線^［20］。

7 三維可視化技術在國內研究現狀

武利兵等^［21］進行了一項三維可視化手術與常規治療手術對腎結石治療效果的比較，結果發現三維可視化手術與實際治療手術的穿刺點匹配度為100%，兩組平均入院治療時間差異無統計學意義；兩組間平均缺血量、平均術后診治時限及并發癥發生率差異均有統計學意義，虛擬的仿真術后治療平均腦缺血發病率降低，平均術后診治時限及患者并發癥發生率也減少。由此得出結果：虛擬現實與仿真治療有助于臨床醫師對腎結石患者進行個性化術中評價和治療方法設計，為臨床醫生正確地判斷和處理問題奠定了基礎。而曹溆等人^［22］則研究以CT圖像數據為基本的腎臟數字三維圖像在PCNL診斷復雜腎結石中的應用價值， 結果顯示以CT圖像數據為基準的腎臟三維數字圖像可以安全地運用于PCNL患者的復雜性腎結石，從而減少了手術時間與手術中出血量。林艷君等^［23］研究了三維可視化技術在診斷老年患者鹿角形腎結石中的運用，發現在三維可視化引導下PCNL組在清石效果、并發癥發生率方面均優于常規PCNL組， 術后持續時間、 術中出血量、反復穿刺深度和平均住院治療時間等方面，亦優于常規PCNL組。但截至目前，廣西區內并無相關研究著重于三維可視化技術在經皮腎鏡手術穿刺通道的設計。廣西地區腎結石發病率高，患者經濟負擔重，推廣三維可視化技術對減輕患者經濟負擔及地區醫療負擔有積極意義。

8 總結

隨著醫學影像學技術的進步，疾病的診療更加豐富多樣，手術方式也變得智能與精準，由此腎結石的治療也逐漸多元化。但PCNL一直是腎結石治療方法中的重點、難點。三維可視化技術的特點為術前診斷、術中操作精確，能夠很大程度減少手術創傷、降低手術風險并提高結石清除效率。與傳統PCNL相比，三維可視化技術對PCNL有巨大的幫助，而未來三維可視化技術在PCNL中的應用有廣泛普及的前景。但目前針對三維可視化技術在PCNL中的有效性研究尚少，仍需繼續進行相關隨機隊列研究，提供更加詳實有效的循證醫學證據。

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（收稿日期：2023-01-03 修回日期：2023-01-28）

（編輯：黃研研）