肾脏incool-3D立体影像技术在复杂肾结石经皮肾镜碎石取石术中的应用：前瞻性随机对照研究*

赖锦源 卢凯鑫 刘昌毅 何彦峰 陈文炜 张 华 高 锐

(福建医科大学附属第一医院泌尿外科，福州 350005)

复杂性肾结石是孤立肾结石、马蹄肾结石、鹿角形肾结石、多发结石及直径3 cm以上的肾结石，是泌尿外科的常见病和多发病，手术风险较大，治疗相对困难，术后并发症仍不少见，经皮肾镜碎石取石术(percutaneous nephrolithotomy，PCNL)仍是首选治疗方案。成功的PCNL首先要建立合适的经皮肾通道，经皮肾穿刺的定位方法主要依靠超声和X线的辅助，但是术前穿刺点的选择主要依靠影像学检查，如尿路平片(kidney,ureter,and bladder,KUB)、静脉肾盂造影(intravenous pyelography，IVP)或者CT尿路造影(computed tomography urography，CTU)，这些影像资料缺乏立体三维的空间结构，对于寻找合适的穿刺位点，难以起到精确定位的作用[1，2]。3D立体影像技术是近年来兴起的一项新技术，对于肾脏集合系统和结石的评估立体、直观、简单化，可以更精确地选择PCNL穿刺点和穿刺通道，术前更方便和患者交流[3～6]。2018年6月～2019年12月我们采用incool-3D影像成像系统，建立肾脏集合系统、血管、结石3D立体影像，模拟人体实体解剖，并与KUB、CTU影像进行对照，现报道如下。

1 临床资料与方法

1.1 一般资料

本研究为前瞻性随机对照研究，通过福建医科大学附属第一医院伦理委员会审批(批文号：闽医大附一伦理医技审[2016]120号)，所有患者签订知情同意书。病例选择标准：①符合复杂性肾结石的诊断；②有明确的PCNL指征；③术前无明显手术和麻醉禁忌证，无泌尿系感染或感染已经控制。排除标准：①术前心肺功能或肝肾功能等存在明显异常；②术前有明显血液系统疾病伴有严重出血倾向；③泌尿系统感染尚未控制；④年龄>70岁，或<18岁。选取2018年6月～2019年12月我科36例复杂性肾结石，按住院时间先后顺序进行编号，采用随机数字表分为incool-3D立体影像组和对照组，均行PCNL。男22例，女14例。年龄26～70岁，平均54.2岁。6例无临床症状体检发现肾结石，腰痛伴肉眼血尿7例，腰疼14例，肉眼血尿9例。右肾结石20例，左肾结石16例；多发结石24例，鹿角形结石12例。肾结石大小2.6～6.3 cm，平均4.1 cm。血肌酐(92.67±3.33)μmol·L-1。ASA分级Ⅰ级26例，Ⅱ级10例。合并肾积水26例，泌尿道感染32例，原发性高血压19例，糖尿病8例。所有患者住院后均行KUB和CTU检查。2组一般资料比较差异无显著性(P>0.05)，有可比性，见表1。

表1 2组一般资料比较

1.2 方法

1.2.1 CT检查方法 空腹行CTU。CT(64排，美国GE公司，Discovery HD750)参数设置：层厚2 mm，管电压120 kV，管电流320 mA。先行泌尿系平扫，然后静脉注射非离子造影剂，分别采集皮质期、髓质期、排泄期图像，并将CT扫描得到的DICOM格式数据导入Mimics V15.0软件进行三维重建。另将所得DICOM格式数据送往湖北英库科技有限公司，通过特定软件和技术(湖北英库科技公司)进行incool-3D立体影像重建。

1.2.2 手术方法 所有PCNL均由同一主刀医生完成。全身麻醉，先截石位患侧输尿管逆行插管，再改为俯卧位行PCNL。根据术前预判和设计，术中B超定位，穿刺目标肾盏，建立通道，完成手术。

1.3 观察指标

参考魏晓松等[7]记录术前谈话评分情况，评估incool-3D立体影像在术前谈话医患沟通中的作用，评分主要包括4个方面：①患者及家属对术前谈话的满意度；②incool-3D立体影像了解肾结石和肾积水等情况；③incool-3D立体影像对了解手术步骤和手术并发症等风险的作用；④incool-3D立体影像对术前谈话影响的整体评价。incool-3D立体影像组参考incool-3D立体影像图形和视频，对照组参考KUB、CTU影像，术前分别设计每一位患者皮肤的穿刺点和穿刺目标肾盏，比较术前预规划和术中实际操作的穿刺点的吻合度和选择穿刺目标肾盏的吻合度。比较2组穿刺目标肾盏时间(从开始穿刺到穿刺目标盏成功)、手术时间(从开始消毒到切口缝合完毕)、清石率(术后残余结石≤4 mm被认为结石完全清除)[8]、术后出血(术后血红蛋白进行性下降，<80 g/L，甚至出现出血性休克，需要行血管介入栓塞治疗，被认定为术后出血)[9]、术后感染(术后血常规WBC高于正常，C反应蛋白、降钙素原等炎症指标增高，患者体温升高，血或尿细菌培养阳性，被认定为术后感染)、术后引流管拔除时间(拔管标准：术后第1或2天影像学检查显示无残留结石，输尿管通畅，尿液清亮，造瘘管可在术后3～7 d拔除)[9]和住院时间(出院标准：肾造瘘管拔除后无出血即可出院)。

1.4 统计学处理

2 结果

KUB和CTU可以看到二维空间的肾脏集合系统和结石的关系(图1)，incool-3D立体影像的建立，可以看到三维空间的肾脏集合系统肾小盏、大盏、肾盂和输尿管的形态，可以准确显示结石的位置、大小，也可以看到肾盏周围的二级血管走行，清楚显示肾脏和周围器官的三维毗邻关系(图2)。

图1 术前KUB示左侧鹿角形结石，CTU示左肾复杂性肾结石合并肾积水，各肾小盏扩长呈棉花团状，结石充填整个集合系统 图2 A.术前incool-3D影像前面观；B.术前incool-3D影像后面观；C.术前 incool-3D影像集合系统；D.术前incool-3D影像集合系统和血管的关系(绿色代表肾脏集合系统，橙色代表肾结石，红色代表动脉血管，蓝色代表静脉血管)

incool-3D立体影像组在术前谈话中表现出较大的优势，患者对术前谈话的满意度、对肾结石的病情了解的情况、对了解手术步骤和手术并发症等风险的作用和对术前谈话影响的整体评价的评分均明显高于对照组(P<0.05)，见表2。

表2 2组术前谈话问卷评分表得分比较 分

所有患者手术均顺利，对照组1例术后出血，经保守治疗后痊愈，无动脉栓塞病例。3D立体影像组1例术后感染，对照组2例术后感染，均表现为术后高热体温达39.0 ℃以上，给予立即升级抗生素，进行血、尿细菌培养，在细菌培养结果出来之前，采用降阶梯的抗生素治疗方式，3例均痊愈出院。患者术后肾造瘘管和尿管引流尿液清亮，无血性引流液，血常规检查血红蛋白稳定无明显变化，即考虑拔除肾造瘘管，第2天拔除导尿管并出院。

incool-3D立体影像组术前评估和实际手术中穿刺点和穿刺目标肾盏吻合度明显高于对照组(P<0.05)；incool-3D立体影像组术中穿刺目标肾盏时间、手术时间、清石率明显优于对照组(P<0.05)。2组术后出血和术后感染发生率、引流管拔除时间和住院时间差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 2组患者术中、术后情况比较

3 讨论

复杂性肾结石是指孤立肾结石、马蹄肾结石、鹿角形肾结石、多发结石及直径3 cm以上的肾结石等，患者肾脏的功能受损以及并发集合系统感染时，会增加临床上对结石处理的难度[10]。肾结石的复杂程度通常由下列因素决定：①结石的大小、形状以及在肾内的分布情况；②结石的成分；③肾脏功能的状况；④是否并发尿路感染。PCNL是目前公认的处理复杂性肾结石的最佳治疗方案，PCNL是否成功、结石的清石率和手术后并发症的发生在很大程度上与经皮肾通道的选择和建立有密切的相关性[11]。因此，能够在术前准确了解肾脏集合系统结构和结石分布的关系，肾脏二级、三级血管的分布情况和肾脏与周围器官和肋骨的关系，对于术前判断和预规划穿刺目标肾盏、规划术中经皮肾穿刺点和穿刺路径，建立合理、合适的皮肾通道有很大的帮助。如何安全、快捷、准确建立PCNL皮肾通道，国内外有很多的研究。Huang等[12]通过2D超声阵列传感器的平移、倾斜或旋转，使其自动运动来叠加多个超声横断面，产生3D超声影像，应用实时3D超声影像在术中指导穿刺。但是3D超声图像缺乏逼真，刷新速度慢，很难精确指导临床。Lima 等[13]应用电磁系统进行实时3D轨迹导航，他们首先通过输尿管镜将装有一种电磁跟踪(electromagnetic tracking，EMT)系统传感器的输尿管导管尖端放置在所需的穿刺部位，软件收集和处理导管方向的信息，并将其传递给监视器，然后选定穿刺的肾乳头。该方法是在高度选择的人群中进行的，肥胖(可能降低EMT的精度)和结石负担大的患者(使导管放置更加困难)需要验证。该技术还需要内镜下放置导管，以标记感兴趣的穿刺部位，进一步延长手术时间，目前还很难在临床中广泛开展。

随着3D打印技术的发展和成熟，3D打印技术越来越广泛的应用到临床治疗中，临床医师可以根据患者的病情打印出相应的3D器官和病灶的模型，在体外了解疾病和器官的关系，使医师对术前病情的了解和手术方案的制定更简单明确，也更易使患者了解病情和手术过程[14～17]。 刘宇保等[18]应用3D打印技术对鹿角形肾结石行PCNL术前精准设计进行研究，他们通过3D打印模型，展示出肾脏内部三维立体结构，清楚地显示肾脏集合系统和结石的关系，为术者提供最直观的手术评估依据。魏晓松等[7]采用3D打印技术对PCNL术前规划及医患沟通中的应用进行研究，他们认为3D打印模型能清楚地显示结石的位置、大小及其与第12肋关系，帮助手术医师在术前设计出目标肾盏和最佳的穿刺通道。但是3D打印模型还处于起步阶段，打印价格昂贵，重建时间较长，还不能真正应用于临床，服务于临床。临床实践中，外科医师大多数还是参考KUB和CTU或者IVP进行PCNL。KUB可以直观显示结石的大小、位置以及和肋骨的关系。CTU能显示肾脏集合系统和结石的关系以及肾脏周围脏器的情况，但重建影像为二维图像，无发做到三维化，无法做到术前评估穿刺通道和肾脏血管的关系，术前规划和设计经皮肾镜的穿刺目标肾盏和穿刺点的精确性欠佳。术前谈话的时候，患者及家属对CTU的理解以及对整体的病情了解和手术过程及手术后的并发症的理解也比较抽象。基于此，我们应用3D立体影像技术，在体外建立立体的3D影像图形，18例incool-3D立体影像图像，可以360°旋转，也可以逐一消除各层的组织和器官，显露最简单的结石，也可逐层叠加各个器官，恢复立体结构，做成立体生动的3D影像视频。从立体影像来看，可以了解结石的位置、大小、肾脏二级血管，大盏和小盏与肾脏血管的关系。从图形上可以清楚显示肾脏集合系统大、小盏和结石的关系，周围的毗邻关系。根据立体影像图像，在术前规划手术路径，预先设计出最佳的穿刺点以及穿刺目标肾盏。本研究结果表明，incool-3D立体影像组术前预设的方案与实际手术基本相符，incool-3D立体影像组术前评估和实际手术中穿刺点的吻合度和穿刺目标肾盏的吻合度明显高于对照组；incool-3D立体影像组术中穿刺目标肾盏时间、手术时间以及清石率方面均优于对照组(P<0.05)，对PCNL有一定的帮助。

为防止术后出血等并发症，需要进一步研究如何建立三、四级的肾脏的血管的立体影像，避免误穿肾脏的大的血管。在术中如何提高穿刺点和术前预规划的目标盏的穿刺吻合度，除充分利用3D立体影像外，还与患者呼吸动度、实际体位以及术者超声技术的掌握程度等有关系，如何能更精准的提高穿刺率，还有待于融合影像等技术的进一步研究和应用。本研究我们还对比应用3D立体影像图像和KUB+CTU影像图形对患者及家属术前谈话的反馈情况，结果表明3D立体影像生动形象，患者及家属对于病情的掌握和手术方案的了解一目了然，该方法将患者的结石和肾脏的关系以及周围脏器的毗邻关系直观地反映在患者及家属面前，有利于患者及家属理解病情、手术风险以及并发症，患者及家属对该方法的满意度较高。可见，3D立体图像方便于医患之间的交流和沟通，增加患者的信任度。

3D立体影像技术无法满意地重建肾脏的三、四级血管，也无法替代术中B超或X线的引导，相信随着3D立体影像技术的不断发展，未来在术前完成PCNL的精确预规划一定会常态化。