復雜腎結石模型建立及虛擬輸尿管軟鏡手術應用三例

高 峰 宋 晨 蔡岳樹 李瑞鵬 唐 哲 鮑曉潔 黃亞勝 諸靖宇

泌尿系結石是一種全球性疾病，發病率為1%～5%[1]。輸尿管軟鏡是具有一定難度的腔內微創手術，特別在復雜腎結石中，輸尿管軟鏡操作的難度會大大增加[2]。隨著CTU 三維重建技術的完善以及3D 打印技術的進步，本研究擬通過3D 打印技術體外復制復雜腎結石模型，通過體外模型進行虛擬的輸尿管軟鏡手術，以期在患者體內操作時提高碎石成功率，減少手術時間，降低手術的風險及并發癥。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2019 年至2022 年杭州市第三人民醫院泌尿外科復雜腎結石患者3 例，均為男性，平均年齡約53 歲，右腎結石2 例，左腎結石1 例。3例患者均知情同意。數據收集由此文排名第2、3 作者提供。本研究獲得杭州市第三人民醫院倫理委員會審核通過（No.201708311832000238455）。

1.2 術前CTU 檢查 3 例患者在空腹6 h 后進行CTU 檢查，包括平掃期、動、靜脈期以及排泄期。采用128 排Philip 螺旋CT 進行全腹部掃描，層厚為1.5mm，對比劑采用碘必樂（1.5 mL/kg），注射速率5 mL/s。在對比劑注射后約15 min 進行排泄像的掃描。掃描完成CTU 數據通過DICOM 格式保存。

1.3 數據處理及模型構建 使用Mimics 圖像處理

軟件對DICOM 格式文件進行后處理。對腎臟輪廓與集合系統分別進行圖像分割與三維重建平滑以及精細填充，采用腎臟CTU 掃描分泌期圖像進行腎臟集合系統的分割，對表面進行光滑處理、手動調整后，將最終的三維模型保存為STL 格式。將處理好的STL 格式文件，基于Visual Studio 2008 通過交叉使用可視化工具包（Visualization Toolkit）、分割與配準工具包（Insight Segementation and Registerion Toolkit ITK）、圖像導航手術工具包（The image-Guided Surgery Toolkit，IGSTK）和開源跨平臺構建系統，進行深度開發并形成3D 模型重建，建立能真實反映患者腎結石、腎盂、輸尿管的相對大小、形態及位置的可操作模型。將上述步驟所生成的標準化STL 格式文件，導入3D 打印軟件，進行擬打印模型的分層處理、與實際的3D 打印層面相對應，同時規劃出每層的模型成型路徑和支撐路徑。之后選用柔性ABS 樹脂材料進行3D 打印，用于后期虛擬輸尿管軟鏡操作評價。

1.4 虛擬輸尿管軟鏡操作 術者對腎臟三維結構以及腎結石的位置、大小、與腎盞的關系在3D 模型中充分觀察后進行虛擬的輸尿管軟鏡手術，從而為患者真實體內操作時提高碎石成功率，減少手術時間，降低手術的風險及并發癥。

2 結 果

2.1 復雜腎結石模型的建立 成功建立了3 例患者的復雜腎結石模型，在3D 模型中通過透明化處理同時顯示了腎結石和集合系統的精確位置，客觀地顯示出了結石的形態、大小和數目及集合系統擴張程度。3D 打印模型真實客觀地反映出患者的生理解剖形態。見圖1a、b、c。

圖1 患者CTU、模型構建以及體外模擬手術圖像

2.2 虛擬輸尿管軟鏡手術 3 例患者均在3D 打印模型中實施了輸尿管軟鏡手術操作，軟鏡在各個腎小盞內均進行檢查，并在3D 模型內均清晰的找到了結石位置，虛擬輸尿管軟鏡手術均得到預期效果。見圖1d。

3 討 論

輸尿管軟鏡技術是近年來興起的泌尿外科新技術，可經人體自然腔道逆行進入膀胱、輸尿管，通過主動或者被動彎曲操作觀察整個泌尿道，并可借助于激光等設備進行碎石、灼燒腫瘤[2]。輸尿管軟鏡手術在操作中具有一定的難度，初學者會由于鏡頭和光纖的摩擦導致腎臟黏膜出血、操作不熟練導致碎石時間延長、腎盂腎盞處于急性擴張狀態導致腎盂黏膜廣泛出血，從而影響結石的清除率[3]。而碎石時間的延長是術后尿膿毒血癥、全身炎癥反應綜合征、感染性休克、術后出血、腎周血腫的重要影響因素[4]。且輸尿管軟鏡攝像系統是二維圖像，術者不易辨距、定位，腎內操作的空間小，無明顯的解剖標志，輸尿管軟鏡進入腎盂后，對上、中、下盞的分辨較為困難，因此尋找結石也就變得困難，即使熟練的術者也不一定能夠完全找到結石。

尤其針對復雜腎結石，輸尿管軟鏡的操作往往會受到更大困難，腎多發結石的輸尿管軟鏡碎石過程中，由于腎結石往往分布于不同的腎盞，術中隨著碎石過程中出血及碎石飛濺的影響，往往會出現視野模糊，從而導致結石的遺漏，造成殘石率升高。異位腎、馬蹄腎、海綿腎、腎盞憩室、尿流改道后等畸形病合并腎結石患者中，在實際輸尿管軟鏡操作中會非常棘手，殘石率往往更高。因此針對復雜腎結石，我們需要更加完善的術前模型建立并進行虛擬的輸尿管軟鏡手術，從而減少手術時間，降低術后殘石率及減少手術并發癥。

隨著數字化與3D 打印技術的發展，我們根據患者的CTU 數據制作腎結石、腎盂、輸尿管個體化輸尿管軟鏡模型。此模型能真實模擬患者腎盂、輸尿管及腎結石情況，進行輸尿管軟鏡模擬手術，并對腎結石進行精確定位及輸尿管軟鏡模擬導航。在模擬操作中，可以體外觀察鏡體所處位置。通過理論學習、實際操作及體外觀察，很快可以掌握軟鏡操作，不需刻意想象輸尿管軟鏡的方向，快速尋及腎盂及各個腎盞。使操作者體會到輸尿管軟鏡進出尿道、膀胱、輸尿管、腎盂和各個腎盞的操作手法和技巧，掌握操作力度及方位感。應用這一技術方法進行術前規劃及模擬手術，以預估手術難度、手術路線及手術風險，并可進行輸尿管軟鏡的術中導航，在精確定位的基礎上進行輸尿管軟鏡手術，能更加提高尋石成功率，降低誤穿的風險和并發癥。

綜上所述，本研究通過復雜腎結石模型的建立以及虛擬輸尿管軟鏡手術，可針對不同患者進行個體化的術前手術方案設計，對真實手術操作的安全性具有重要意義。特別對于初學者，通過這一方法的學習，可加快學習曲線，縮短術中尋找結石的時間，減少并發癥，提高手術效率。這一數字化與3D 打印技術的應用必將為軟鏡手術乃至其他腔內手術帶來廣闊的前景。