3D虚拟内镜技术在输尿管软镜碎石术中的临床意义

贾晓鹏，郭跃先，王　伟，蒋玉清

(河北医科大学第三医院泌尿外科，河北 石家庄 050051)



·泌外专栏论著·

3D虚拟内镜技术在输尿管软镜碎石术中的临床意义

贾晓鹏，郭跃先，王伟，蒋玉清

(河北医科大学第三医院泌尿外科，河北 石家庄 050051)

目的探索在输尿管软镜下肾脏结石碎石中应用3D虚拟内镜技术是否能够提高碎石效率及安全性。方法30例肾结石患者按住院号末位数字编号，单号设定为3D虚拟内镜组(试验组)、双号为常规影像学检查组(对照组)各15例，2组均应用64层螺旋CT对患者进行平扫+增强扫描，扫描结束后进行薄层重建。其中处理组提取患者CT检查结果的DICOM格式文件，使用Mimics软件进行3D图形后处理，然后获得患者肾脏集合系统的3D虚拟内镜模型。观察2组手术者确定目标盏的时间、第一次系统探查肾脏各盏的时间、拔除导尿管时间、下床活动时间以及清石率和并发症发生率。结果30例手术均顺利完成，处理组肾脏3D虚拟内镜模型均成功建立，肾脏的集合系统、结石的大小和位置以及肾脏与结石的关系均显示良好。试验组确定目标盏时间、第一次系统探查肾盏时间均短于对照组，试验组清石率高于对照组，试验并发症(出血、感染等情况)发生率低于对照组(P<0.05)，2组恢复时间(拔出导尿管、下床活动时间等)、住院时间差异无统计学意义。结论在输尿管软镜对肾脏结石碎石过程中，应用3D虚拟内镜技术，能够提高碎石效率，并且可以降低术后并发症。

肾结石；输尿管软镜碎石术；虚拟内镜技术doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.10.004

3D虚拟内镜技术是以三维CT及MRI图像为基础，利用图像工作站软件对空腔器官内表面具有相同像素值的部分进行三维重建，模拟光学纤维内镜效果的方式来显示其腔内结构的技术，必要时可附加伪彩着色，以获取腔道内三维或动态三维解剖学图像。优点为无创，可反复模拟纤维内镜的检查过程和任意角度呈现逼真的三维动态图像，协助制定手术治疗计划，有助于医学教育的革新和年轻医师培训等。相对于单纯的影像学诊断，3D虚拟内镜技术的优势在于医生能够根据需要以及患者内脏器官的个体差异规划出特定的器官模型，而且可以更精确地在打印出来的实体模型上作出诊断并规划详细的手术方案[1-2]。目前，3D虚拟内镜技术已经在医疗领域逐步展开应用[3-7]。为探索3D虚拟内镜技术在输尿管软镜治疗肾脏结石中的应用前景，本研究采用3D虚拟内镜技术为15例肾结石患者制作了3D虚拟内镜模型，并对3D虚拟内镜技术治疗肾脏结石的碎石效果及安全性进行了初步探讨，报告如下。

1　资料与方法

1.1一般资料选择2015年11月—2016年6月河北医科大学第三医院泌尿外科收治的应用输尿管软镜治疗肾结石患者30例。按住院号单双号分为2组各15例。试验组男性11例 ，女性4例，年龄40～58岁，平均(50.2±3.6)岁，伴有高血压2例，糖尿病1例，行体外冲击波碎石术(extracorporeal shock wave lithotripsy,ESWL)1例。对照组男性8例，女性7例，年龄为41～57岁，平均(49.5±4.1)岁，伴有高血压2例，伴有糖尿病2例，行ESWL 1例。2组性别、年龄、血肌酐水平、结石直径等一般资料差异均无统计学意义(P>0.05)， 具有可比性，见表1。

所有患者均签署了知情同意书。

表12组一般资料比较

组别血肌酐(μmol/L)结石大小(cm)试验组88.5±4.72.2±0.5对照组85.2±5.11.9±0.4χ2/t1.8431.815P0.0760.080

1.2入选标准和排除标准入选标准：①术前已行影像检查诊断明确患者肾脏结石，有手术适应证；②心电图、胸部X线片、腹部CT等无明显手术禁忌；③无严重心、脑、肺等重要脏器功能疾患；④患者肾结石无手术史(开放手术或腔镜手术)，ESWL除外；⑤详细向患者及其家属交代输尿管软镜碎石术手术的相关情况。排除标准：①孤立肾结石；②小儿肾结石；③肾结石伴有肾功能不全者；④肾结石合并输尿管结石。

1.3围手术期处理和营养管理常规术前肠道准备；术前8 h禁食，6 h禁水，术前2 h根据尿细菌学检查和尿培养药敏试验预防性给予抗生素静脉滴注，使用全身麻醉，术后根据留置双J管；2组术中静脉均给予呋塞米10 mg。术后给予血凝酶1～2 U减少出血。术后第1天给予2 000～2 500 mL糖盐补液，2～3 d后根据患者恢复具体情况给予适当补液，术后抗生素应用3～4 d，针对术后留置双J管引起的下尿路症状应用α受体阻滞剂和(或)M受体阻滞剂2～3 d，术后第3天复查腹部平X线片观察双J管留置位置及手术效果，阴性结石采用B超或CT平扫检查。术后早期饮水、进食和下床活动。

1.4制作3D虚拟内镜模型

1.4.1CT检查患者肾脏CT图像数据包括平扫期、动脉期、静脉期、肾盂排泄期。CT扫描前准备:与患者及家属签定增强检查知情同意书，空腹4～6 h，检查前30 min饮水200～300 mL充盈肠道，增加肾脏周围与胃肠道结构的对比，并降低造影剂对肾脏的损害，训练呼吸，从而控制呼吸运动产生的伪影。扫描参数：管电压120 kV，管电流300 mA，螺距0.984、层厚5 mm。患者俯卧位分别行尿路CT平扫、增强。扫描范围从肾上极至耻骨联合平面，一次屏气完成容积扫描。增强扫描时从肘前静脉注入非离子型造影剂碘克沙醇，用量为1.5～2 mL/kg，总量80～100 mL，注射速度2.0～2.5 mL/s。注射完毕后开始连续扫描肾动脉期，30 s～2 min开始扫描肾实质期，2～5 min开始扫描肾盂充盈期。对原始图像数据层厚5 mm进行1 mm减薄处理，将薄层数据上传工作站。

1.4.2图像后处理用DVD光盘提取并刻录4个时期的全部数据，格式为DICOM文件，使用Mimics软件对数据进行后处理。分割图像：基于阈值分割、区域分割等方法把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域提取观察目标。三维重建：把肾脏实质动脉期模型设为标准，将静脉期、排泄期重建的肾脏模型导入，采用若干特征性标志点让计算机计算运行配准，再进行人工辅助调整，通过三维X、Y、Z轴的位移和旋转调整，一一进行匹配，记录位移坐标，达到三维图像配准融合。最后进行模型的去噪、平滑以及精细填充。分别对各个结构值染色，调整透明度，行成数字三维虚拟结石肾脏模型。

1.5手术方法术前1周通过膀胱镜在结石患侧行输尿管内保留双J管，充分扩张输尿管。围手术期用药：根据尿培养药敏试验选择抗生素于术前3 d及术前30 min预防性静脉滴注。采用全身麻醉，取截石位，输尿管半硬镜直视下拔除患侧双J管，以输尿管半硬镜探查患侧输尿管，查看输尿管条件，有无明显狭窄及迂曲。保留斑马导丝，退出输尿管半硬镜，沿导丝置入输尿管导入鞘，外部保留长5～6 cm，经C形臂透视，以导入鞘头端位于肾盂输尿管连接部稍下方为宜，拔除内芯。连接输尿管软镜，经导入鞘置入输尿管软镜至肾盂，自肾上盏系统探查肾脏集合系统，最后定位于结石盏内。连接钬激光光纤，沿结石外围逐步粉碎结石，将结石粉碎至1～3 mm大小颗粒。最后再次系统探查肾脏集合系统，确认无遗漏结石，保留斑马导丝，直视下退出输尿管导入鞘，沿导丝置入双J管，保留导尿管并妥善固定。

1.6观察指标观察2组手术者确定目标盏的时间、第一次系统探查肾脏各盏的时间、拔除导尿管时间、下床活动时间以及清石率和并发症发生率。

1.7统计学方法应用SPSS 19.0统计软件分析数据。计量资料比较采用独立样本的t检验；计数资料比较采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2　结　　果

2.1模型情况试验组数字三维虚拟结石肾脏模型均成功建立，模型均能够清楚显示输尿管，肾盂肾盏集合系统，结石大小、位置及数目等，结石大小、位置分布以及结石与肾盂肾盏的关系均显示良好(图1)。

图13D虚拟内镜图像

A.3D整体图像;B.软镜视角范围;C.软镜视角范围(内部观);D.肾下盏结石

Firgure 13D virtual endoscopy models

2.2手术情况术者术前针对试验组患者数字三维虚拟结石肾脏模型，结合CT检查结果进行术前规划和模拟练习。30例手术均顺利完成，无输血病例。

2.32组术中和术后指标比较试验组确定目标盏时间、第一次系统探查肾盏时间均短于对照组，试验组清石率高于对照组，试验组并发症(出血、感染等情况)发生率少于对照组(P<0.05)，2组恢复时间(拔出导尿管、下床活动时间等)、住院时间差异均无统计学意义(P>0.05)，见表2。

表22组患者术中术后相关指标比较

组别确定目标盏时间(min)第一次系统探查肾盏时间(min)拔除导尿管时间(d)下床活动时间(d)住院时间(d)清石率(%)并发症(例数,%)试验组10.2±2.69.5±3.63.7±0.62.9±0.54.8±1.685.8±4.61(6.7)对照组18.4±5.825.2±9.64.1±0.53.1±0.45.1±1.070.1±1.66(40.0)t/χ24.9975.9311.9841.2100.61612.4854.658P0.0000.0000.0570.2370.5430.0000.031

3　讨　　论

随着腔镜制造技术和钬激光碎石术的发展，绝大多数上尿路结石患者已无需行开放手术治疗。尤其是肾结石，为泌尿系多发疾病之一,占泌尿科手术的40%。而输尿管软镜技术则为肾内结石的处理提供了一条有效、安全的治疗途径。但是，输尿管软镜摄像系统是二维图像，术者不易辨距、定位，操作空间小，肾内无明显的解剖标志。输尿管软镜进入肾盂后，术者首先要分辨清楚肾盂及上、中、下盏，以及各盏的相对位置，这就要求把握软镜的方向，分清肾内解剖位置，结石才能够找到。

而随着计算机技术、图像处理技术、三维医学成像技术、虚拟现实技术等现代信息技术的发展，出现了一种实用的三维医学可视化工具——虚拟内镜技术。虚拟内镜是利用由CT、MRI图像获得三维医学影像数据, 通过虚拟成像和可视化技术，由计算机显示连续的三维器官内腔结构视图。使用者可以沿这个虚拟的内部空腔做飞行观察，模拟传统的内镜检查过程，所看到的景象就像用视频内镜观察到的一样，甚至还可以显示解剖结构的三维外观图像以及各个方位的CT和MRI切片图像[8-13]。Li等[14]利用三维重建软件进行图像分割与三维重建，建立数字化患者肾结石三维模型，模型反映了患者真实的解剖学结构，详细显示了患者肾脏集合系统与结石的空间位置关系，以及结石数目及位置的关系。

本研究成功建立3D虚拟结石肾脏模型，术者通过对肾脏的结石分布以及与肾盂、肾盏位置关系毗邻的整体把握，在真实手术过程中能够顺利且快速地进入目标肾盏，并且不遗漏肾盏及结石，大大缩短了手术时间，也避免了因方向选择的误区造成的反复进镜而使手术时间延长、肾盂内高压逆行感染及副损伤等问题，充分体现了3D虚拟模型对于术前规划的重大意义和绝对优势。如果术前利用3D虚拟模型的直观效果有针对性地讲解手术操作过程以及术后可能发生的意外情况、并发症等，可使术前谈话沟通更加充分，以解除患者及家属对于手术取石的迷惑和顾虑，将会取得良好的效果。

3D虚拟内镜技术作为信息数字化技术革命的产物和数字化医学多媒体项目，不是对原始图像、数据的简单组合，而是讲求对手术部位的更深入、多层次的研究。在这一操作中，以明确的目标为方向，积极采取生动的视觉化交互演示手段，对相关内容进行深入研究，并最终研发出科学、高效的产品，促进医学及各个领域的全面发展[15-16]。3D虚拟内镜技术已开始步入泌尿外科临床腔镜手术中，其应用发展前景是光明的，相信将来会更好地服务于患者。

[1]Algin O,Tukbey B,Ozmen E,et al. Evaluation of spontaneous third ventriculostomy by three-dimensional sampling perfection with application-optimized contrasts using different flip-angle evolutions(3D-SPACE) sequence by 3T MR imaging:preliminary results with variant flip-angle mode[J]. J Neuroradiol,2013,40(1):11-18.

[2]Auer LM,Auer DP. Virtual endoscopy for planning and simulation of minimally invasive neurosurgery[J]. Neurosurgery，1998,43(3):529-537.

[3]Nakamoto M,Ukimura O,Faber K,et al. Current progress on augmented reality visualization inendoscopic surgery[J]. Curr Opin Urol,2012,22(2):121-126.

[4]Fang CH,Xie AW,Chen ML,et al. Application of a visible simulation surgery technique inpreoperation planning for intrahepatic caculi[J]. World J Surg,2010,34(2):327-335.

[5]Chim H,Schantz JT. New frontiers in calvarial reconstruction:integrating computer-assisted design and tissue engineering in cranioplasty[J]. Plast Reconstr Surg,2005,116(6):1726-1741.

[6]Hurson C,Tansey A,O′Donnchadha B,et al. Rapid prototyping in the assessment,classification and preoperative planning of acetabular fractures[J]. Injury,2007,38(10):1158-1162.

[7]Rohner D,Guijarro-Martínez R,Bucher P, et al. Importance of patient-specific interpretative guides in complex maxillofacial reconstruction[J]. J Craniomaxillofac Surg,2013,41(5):382-390.

[8]Duan SY,Zhang DT,Lin QC,et al. Clinical value of CT three-dimensional imaging in diagnosing gastrointestinal tract diseases[J]. World J Gastroenterol，2006，12(18):2945-2948.

[9]Horton KM,Fishman EK. Current role of CT in imaging of the stomach[J]. Radiographics,2003,23:75-87.

[10]Ba-Ssalamah A,Prokop M,Uffmann M,et al. Dedicated multidetector CT of the stomach:spectrum of diseases[J]. Radiographics,2003,23(3):625-644.

[11]Patak MA,Mortele KJ,Ros PR. Multidetector row CT of the small bowel[J]. Radiol Clin North Am,2005,43(6):1063-1077.

[12]Qalbani A,Paushter D,Dachman AH. Multidetector row CT of small bowel obstruction[J]. Radiol Clin North Am,2007,45(3):499-512.

[13]Ramachandran I,Sinha R,Rajesh A,et al. Multidetector row CT of small bowel tumors[J]. Clin Radiol,2007,62(7):607-614.

[14]Li H,Chen Y,Liu C,et al. Construction of a three-dimensional model of renal stones:comprehensive planning for percutaneous nephrolithotomy and assistance in surgery[J]. World J Urol,2013,31(6):1587-1592.

[15]王晓艳,王鹏程,宋莉,等.培养我国医学影像技术高素质人才的思考[J].中国医学物理学杂志,2013,30(3):4212-4214.

[16]赵红兰,孙存杰,赵英红,等.新医疗环境下医学影像技术学的教学探索与思考[J].现代医用影像学,2014,23(4):458-460.

(本文编辑：许卓文)

The clinical value of 3D virtual endoscopy technology in ureteral soft lens lithotripsy in the treatment of kidney stones

JIA Xiao-peng, GUO Yue-xian, WANG Wei, JIANG Yu-qing

(Department of Urology, the Third Hospital of Hebei Medical University,Shijiazhuang 050051, China)

ObjectiveTo investigate the application of 3D virtual endoscopy technology in kidney stone patients who accepted soft ureter mirror treatment and to further discuss whether it can improve the efficiency and security of lithotripsy. MethodsThe patients were divided into research group and control group randomly according to the odevity of the last number of the ID number, the former using 3D virtual endoscopy and the latter using the conventional radiographic inspection. The 30 cases all accepted 64 layers spiral CT scan with non-and enhancement and thin layer were reconstructed after the scan. The CT results of research group were stored by DICOM format file, which later treated by Mimics software in order to obtain the patients′ kidney collecting system 3D models by 3D virtual endoscopy. The following parameters in 2 groups of surgical patients were observed: the time of the target, the first time the system to explore the time of the kidney, the time of removing the catheter, the time of getting out of bed and rate of stone clearance and incidence of complications. ResultsThirty cases of surgery were completed successfully. The 3D virtual endoscopy models of 15 patients in research group were successfully established, which showed clearly images in the kidney collecting system, the size and the location of the stone, location and the good relationship between kidney and stone. The time to determine the target kidney calices and the first time to detect every kidney calices were less in 3D virtual endoscopy models. The removing stone rate and the postoperative complications were significantly superior to the conventional radiographic inspection group(P<0.05).There is no statistically significant difference in recovery time(such as urethral catheter time, postoperative activity time, etc) and days of hospitalization. ConclusionThe application of 3D virtual endoscopy techniques can improve the efficiency of gravel and reduce postoperative complications in the process of using soft ureter mirror in kidney stone patients.

kidney calices; ureteral soft lens lithotripsy; virtual endoscopy techniques

2016-08-22；

2016-10-10

贾晓鹏(1979-)，男，河北石家庄人，河北医科大学

R692.4

A

1007-3205(2016)10-1126-05

第三医院副主任医师，医学博士，从事泌尿外科疾病诊治研究。