3D打印技术在肾脏铸型结石经皮肾镜手术中的应用

王江平, 许志斌, 卞 浩, 郭毛毛, 牛天力

(江苏省泰州市人民医院 泌尿外科, 江苏 泰州, 225300)

3D打印是通过计算机进行三维成像，再分层加工、叠加成型的方法，是逐层累加原材料制作3D实体的工业技术[1]。近年来, 3D打印技术以其直观地展示人体器官、组织的立体形态的优势，逐渐应用于手术设计、医学教育、手术导板及植入物制作等个体化医疗领域[2], 但在泌尿外科中的应用尚处于起步阶段。作者初步将3D打印技术应用于肾铸型结石行经皮肾镜取石术(PCNL)患者中，现将结果报告如下。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取本院2016年9月—2018年12月肾铸型结石患者5例，男4例，女1例，平均年龄(41.7±6.1)岁，平均体质量(69.5±11.1) kg。所有患者均符合PCNL手术治疗指证，无明显手术禁忌证，肾铸型结石体积(39.3±7.7) cm3, 无明显肾积水。

1.2 3D打印肾铸型结石模型

使用256排螺旋CT进行上、中腹部的薄层扫描，层厚0.5 mm, 获取肾脏平扫期的结构图像。将CT扫描获得的二维灰度DICOM格式图像数据输入Mimics进行三维重建，利用阈值分割、区域生长法、布尔函数等工具进行图像分割，并采用多层编辑人工分割方法进行修饰。肾结石、脊柱、肋骨采用平扫期图像进行分割重建。通过配准后对模型进行去噪、平滑以及精细填充，最终重建出部分脊柱、肋骨、肾铸型结石的3D数字模型。将3D数字模型输入3D打印机，以polylactic acid为材料打印出肾铸型结石的3D模型。

1.3 3D打印肾铸型结石模型在PCNL中的应用

与患者沟通、交流肾铸型结石3D打印模型，设计调查问卷以评估3D打印模型在医患沟通中的作用，问卷共4个问题: ① 对利用3D打印模型进行术前谈话的满意度; ② 3D打印模型对患者理解病情的帮助程度; ③ 3D打印模型对患者理解手术方案的帮助程度; ④ 3D打印模型对患者理解术后残留结石的帮助程度。术前完成问卷，共5份，问卷每个问题评分为l～10分，1分为不满意或没有用，10分为非常满意或十分有用。

由于肾铸型结石的特点是结石填充整个肾脏集合系统，患者结石模型的三维形态即代表肾脏集合系统三维形态。选择和周围肾盏多成钝角的肾盏为目标肾盏(图1A、B)，经过目标肾盏轴径的穿刺通道即为最大化取石通道，根据患者结石及肾盏分布，挑选出2～3个目标肾盏作为最大化取石通道。如果设计的取石通道和周围某个肾盏的夹角<60°, 则预测该肾盏内结石为残留结石(图1C)。

A、B: 不同角度立体观察拟定取石通道(黄色线)与临近肾盏(红色箭头)的夹角均为钝角;C: 取石通道的目标肾盏(黄色箭头)与周围肾盏夹角<60°, 预测该肾盏(蓝色线)内结石为残留结石

图1利用肾脏铸型结石3D打印模型设计取石通道

术前利用3D打印模型上的十二肋为参照物，将筋膜扩张器放置于目标肾盏轴径位置，观察筋膜扩张器与十二肋尖的位置关系(图2A)。利用直角定位法进行穿刺点定位，以筋膜扩张器在十二肋水平面的交点为预定穿刺点，沿预定穿刺点平行于人体背部中线放置三角尺一直角边，沿着十二肋尖部放置三角尺另一直角边，记录十二肋尖及预定穿刺点上的刻度值(图 2A)。在人体表面标记十二肋尖，利用三角尺上的两个直角边上的刻度值在人体背部精准还原预计穿刺点，即为实际皮肤穿刺点(图2B)。

所有患者事先在截石位下经输尿管逆行置入输尿管导管至患侧肾盂，并经输尿管导管缓慢注入生理盐水，制造人工肾积水。取俯卧位，术中运用超声探头围绕定位的穿刺点进行探查，在3D打印模型的引导下进行目标肾盏穿刺(图2C)。手术中利用3D打印模型引导肾镜在集合系统内进行肾盏探查及碎石。术前、术后CT扫描和手术操作均取俯卧位进行，为避免患者呼吸造成肾脏移位引起的误差, CT扫描及穿刺均在吸气末进行。

记录实际穿刺目标肾盏数量，穿刺时间，术后通过肾造瘘管注入造影剂并进行CT扫描和3D重建、收集残石数据，和术前预测的通道数目，通道路线，残石部位、数量进行比对，评价3D打印肾结石模型在 PCNL中的应用价值。

A: 利用直角定位法进行穿刺点定位，利用直角两边上的刻度(黄色线段)定位预定穿刺点与十二肋尖之间的位置关系;B: 利用直角定位法进行皮肤穿刺点定位，利用直角两边上的刻度(黄色线段)在患者皮肤上精准还原出穿刺点位置(白色箭头);C: 术中在肾脏铸型结石3D打印模型引导下进行经皮肾穿刺及取石; D: 术后3D重建显示取石通道经过肾盏轴径进入目标肾盏

图2利用肾脏铸型结石3D打印模型进行穿刺点定位及引导穿刺

2 结 果

成功3D打印制作5例患者的个性化肾脏铸型结石模型，3D打印模型在体外1︰1精准再现肾脏铸型结石的复杂立体形态，以及肾结石与十二肋的位置关系等。问卷4个问题的得分为(8.9±0.7)、(8.1±0.7)、(8.5±0.8)、(9.1±0.7)分，患者对使用3D打印肾铸型结石模型进行术前沟通的效果非常满意。利用肾铸型结石3D打印模型共设计13个目标肾盏作为最大化取石通道，其中后组上盏5个，后组中盏5个，后组下盏3个，共13个目标肾盏，术中按照设计完成所有13个预计目标肾盏的穿刺，其中1例患者增加1个前组中盏为目标肾盏，目标肾盏符合率为93.0%。成功利用直角定位法完成13个预计目标肾盏的皮肤穿刺点定位，并在肾铸型结石3D模型的辅助引导下完成经目标肾盏轴径的穿刺，每个目标肾盏穿刺时间平均为(7.3±2.6) min。手术中在3D打印模型的引导下，可快速熟悉肾镜下集合系统内立体形态，并快速引导肾镜进入各个肾盏。 术后3D重建显示穿刺点与术前预计穿刺点符合率为92.0%, 穿刺通道和肾盏轴径的符合率为100.0%。术后结石残留位置和数量均符合术前预测, 5例手术均顺利完成，术中出血少，术后第2天检查血红蛋白较术前平均下降(8.8±3.5) g/L, 无输血或者介入治疗。

3 讨 论

肾脏铸型结石是肾结石将肾脏集合系统全部充满的一种特殊类型的复杂性肾结石，研究[3-4]显示如果铸型肾结石不能得到良好的治疗，将会导致患者肾功能丧失，严重者可导致尿脓毒症，甚至危及生命。肾铸型结石的治疗方法主要包括肾切开取石术和PCNL。随着微创设备和技术的快速发展, PCNL已经成为肾铸型结石治疗的“金标准”[5-6]。虽然PCNL手术较开放的肾切开取石术具有创伤小、出血少、清石率高、保护肾组织等优点，但结石体积巨大、结构复杂、合并感染等特点使得肾铸型结石仍然是PCNL时面临的最大难点[7]。PCNL治疗肾铸型结石存在的并发症主要包括术中、术后大出血，结石残留等，分析认为对肾铸型结石复杂的立体形态认识不足、穿刺通道设计不合理、目标肾盏穿刺不精准是导致上述并发症的主要原因[8]。

在泌尿外科领域，作者利用3D打印技术以钛合金、PEEK等为原材料，个性化地设计制作了与患者血管及周围组织高度适形的血管外支架，首创一种微创、安全、有效治疗胡桃夹综合征的新方法[9]。作者还利用3D打印的方法成功完成了内生性肾脏肿瘤的术中精准定位[10]。本研究中，作者将3D打印技术用于肾铸型结石的精准诊断、经皮肾通道的设计、经皮肾穿刺、术中引导以及医患沟通等方面，并评估其临床应用效果。

首先，以往X线、超声的二维图像需要经过术者思维的抽象三维化转换，往往导致信息丢失或错误，进而导致手术决策的偏差，而3D打印肾铸型结石模型在体外1︰1精准再现患者复杂的肾结石立体形态，术者可以直观、全面、精准地阅读出结石的形态细节，避免了不同维度之间信息转换中的丢失和偏差。其次，以往经皮肾通道的设计主要依靠术者的经验和主观判断，往往因为通道选择错误而无法达到最大化的取石效果。由于肾铸型结石形态和肾集合系统形态一致，作者依靠3D打印铸型肾结石模型可以精准测量每个肾盏到达肾盂及相邻肾盏的角度，从而客观地挑选出可达最大化取石效果的目标肾盏。最重要的是利用3D打印肾铸型结石模型可以精准引导经皮肾穿刺。经目标肾盏轴径的穿刺是PCNL成功的关键，在解剖上可以最大化避免血管的损伤，同时获得最大的肾镜活动度。常用的X线、B超二维引导方法无法精准定位皮肤穿刺点和穿刺路线，这是目前PCNL最大的技术瓶颈。作者术后验证在3D打印模型引导下，通过直角定位法可以在患者皮肤上准确定位穿刺点，同时可以引导穿刺针沿着目标肾盏轴径进行穿刺，从而精准建立通道，避免了出血等并发症。另外，术者手术中可以在3D打印模型的引导下快速熟悉集合系统内部复杂的空间结构，探查各个肾盏并寻找隐匿的残石。患者通过3D打印模型可以在术前直观、形象地了解自身病情，理解手术方案及手术相关并发症，加之3D打印铸型肾结石模型在残留结石预测方面也具有显著的直观性以及准确率，患者对依托3D打印模型的医患沟通满意度较高。