三维可视化技术在经皮肾镜碎石取石术中新进展

韦庆凡 陆海 韦利涛 覃江

【关键词】 肾结石；经皮肾镜碎石取石术；三维可视化技术

中图分类号：R699.2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2023.06.014

肾结石是常见病及多发病，广西是肾结石高发地区。治疗肾结石的方法多种多样，包括各种非侵入性的治疗如药物治疗、体外冲击波碎石以及侵入性治疗如输尿管软镜手术、经皮肾镜碎石取石术（percutaneous nephrostolithotomy，PCNL）和肾切开取石术^［1-2］。在过去的 30 年中，经皮肾镜碎石取石术作为一种微创方法，一直用于治疗肾脏和输尿管上段大结石，是目前治疗肾结石最常用、有效的手术之一，对于较大结石、多发结石等复杂性结石，更是临床治疗的标准方法。但是，PCNL易对脊柱、胸膜和周围毗邻脏器造成损伤，且有较高的出血及感染风险^［3-4］。因此，如何准确地建立穿刺通道，降低手术风险，提高结石清除率是PCNL的难点、重点。目前，最主要的建立穿刺通道的方法是对肾结石患者集合系统的单时相CT数据进行三维重建。近年出现的三维可视化技术对泌尿系统4个时相的CT数据进行重建并达到真正意义上的三维可视化，并可在此基础上进行虚拟手术的设计^［5-6］。常规PCNL通常是在术前完善单时相CT并进行重建，术中在B超引导下进行穿刺并建立手术通道。但B超分辨率低，且为二维图像，用于引导穿刺容易产生盲区与误差而增加手术风险。而三维可视化技术不仅能够个体化地模拟患者肾脏内结构与结石位置以及肾脏与周围毗邻组织的关系，也能立体化地展现结石患者肾脏血管分布情况，从而为术者设计手术与建立穿刺通道提供较为详细准确的数据^［7］。现对三维可视化技术在PCNL手术中的新进展进行综述。

1 PCNL手术的特点

设计与建立穿刺通道是PCNL术中最关键的步骤。为了直截了当地进入结石所处的肾盏，并能以最高的效率将术中粉碎的结石冲出穿刺通道，一般选择能到达各组肾盏的穿刺点。对PCNL而言，肾中盏穿刺路径得到的术野范围最广，可以进入到肾盂、肾上中下盏甚至输尿管上段。位置偏上结石的穿刺路径一般为上盏，而位置偏下的结石其穿刺路径主要为下盏。在进行肾盂穿刺时应使肾盂尽量充盈以便于观察穿刺过程的操作，此时向输尿管导管内打入生理盐水或造影剂可以达到此目的。穿刺时应避免直接穿刺进入集合系统，否则肾盂内液体外渗易导致穿刺效果不佳。穿刺针进入的方向与扩张器的方向必须一致，且扩张器置入深度要小于穿刺针，避免损伤肾实质^［8］。PCNL结石清除率和手术风险与肾脏穿刺部位的选择密切相关，建立正确的肾脏穿刺通道是完成碎石术、降低术中术后并发症发生率的前提。大出血、肝和胸膜损伤以及肠损伤都是PCNL术中术后可能遇到的并发症。因此，肾穿刺通路的成功建立是PCNL的主要因素和难点^［9-10］。三维可视化技术可以解决穿刺定位问题，提高穿刺定位精度和安全性。

2 三维可視化技术的原理

CT扫描在俯卧位进行，以DICOM 格式文件从患者肾脏的薄层 CT 提取出图像，并使用 Mimics 17.0软件进行阈值选择、区域增长、多层编辑和修改技术后，得到肾脏不同部位的三维重建图像。获得图像后，再组成一个完整的肾脏。另外，对第十一和第十二肋也进行了重构以实现平滑、精细填充以及其他后处理。最后还提供了标准化的STL文件，用于绘出穿刺点并设定其穿刺路径、穿刺深浅度和穿刺轨迹。利用成像数据和三维可视化模型，对经皮肾镜取石通道、目标肾盏、穿刺角度进行术前规划，预测残余结石、穿刺深度和碎石过程。通过患者肾脏和结石的三维可视化成像，建立最佳碎石通道，即皮肤与目标肾盏的最短距离，并与周围目标肾盏形成钝角，该碎石通道便于处理多盏结石。如果含结石的肾盏颈部与最佳碎石通道的夹角小于60°，则说明肾镜将无法进入肾盏进行激光碎石，肾盏内的结石仍会残留形成残石^［11］。

3 建立三维可视化模型对PCNL的意义

三维空间图像可视化技术主要是将二维映像学资源采用面绘画、体描绘方式，以立体模型表现体内组织结构和脏器解剖构造。肾结石的三维空间图像可视化模型根据病人原始CT映像学数据，运用计算机软件处理技术进行分析、运算、分割、融合、渲染等操作，全方位、多角度、深层次地将脏器内解剖构造和结石以及附近组织形状、空间结构分布三维立体显示。还能够通过染色、旋转、半透明性处理等多项操作判断术后切缘，从而决定最后的手术方案，对设计经皮肾镜术后皮肤穿刺隧道的安全、可行性和有效性都具有意义。三维可视化模型弥补了传统影像学对解剖结构无法全面展现的缺陷，从而形成了对精准外科手术的安全与有效性之重要组成部分^［12］。在穿刺之前，将三维可视化技术运用于肾部定位，并在穿刺过程中引导穿刺针的方位与倾角，以获得结石体积所在的最佳肾盏，可以提高肾穿刺的精确度，从而缩短穿刺流程，增加穿刺的精确度。PCNL的治疗中，对穿刺路径的设定与确定尤为重要。因为常规PCNL都是“一次性”的，一旦穿刺路线出错，穿刺深度出错，甚至破坏了组织器官和周围毗邻脏器，都是不可逆的。而三维可视化技术则能够很好地解决这种问题。医生可在术中根据重建的肾结石三维模型不断学习，调整穿刺路线、穿刺地点和穿刺深浅等治疗重点，及时掌握在治疗中可能出现的问题，以便进一步调整，从而减少遗漏^［13］。利用对模型的扩大、缩小和透明化等方法，能够更清晰地揭示肾内结石、毛细血管、集合系统及其与邻近脏器之间的位置关联，模型也为反复穿刺点的正确定位奠定了生物解剖学基础，也因此能够筛选出最合适、疗效最佳的穿刺点通道和术后规划，以最大可能地避开肾内血管，进而减少合并症的发生^［14］。

4 三维可视化技术与其他重建技术的区别

CT三维重建技术的精确度超过了96%，对肾脏实质、肾集合系统、尿道与膀胱的三维重建效果已日趋完善^［15］。CT三维重建技术既能够更加直接精准地表达泌尿体系的剖解学特点，又由于其使用简便、无损性较高的优点，已成为目前研究活体脏器解剖学的最主要方式。三维可视化与CT三维重建的区别则在于：三维可视化与三维重建都是建立在增强CT的基础上，但二者并不相同。三维重建只能将造影剂经过的组织器官进行重建，并且只能观察组织轮廓，无法对血流外的肾脏集合系统进行观察，因此无法对结石进行细致地观察。另外，三维重建与三维可视化都能显示血管，但三维可视化能清楚地标注动静脉，对肾周围组织进行清楚地重建，并且能够自由旋转角度，对阻碍观察的对应组织可以选择性屏蔽^［16］。近年来3D打印技术应用于肾结石的治疗也逐渐成为趋势，其通过透明材料还原肾脏内结石的分布及肾脏集合系统与周围组织的关系，从而达到术前辅助设计穿刺路径的目的^［17］。而三维可视化技术与3D打印的区别在于：（1）3D打印技术需要增强CT或静脉尿路造影等才能清楚显示泌尿系统的结构。而三维可视化技术单纯做增强CT完全可以满足需求。（2）3D打印技术需将二维图像模型用透明材料进行1∶1重建才能清楚显示构造并方便临床应用。三维可视化技术可以在电脑上完成重建，并在电脑上进行观看及模拟操作。（3）3D打印技术一经打印，实物便不能更改。而三维可视化技术能够在电脑上旋转角度、切换视角，对每个组织器官及血管都有相应标注，并且对阻碍观察的其他组织可以进行选择性屏蔽^［18］。

5 三维可视化技术对医患沟通的意义

在术前与患者及其家属的交谈中，外科医生利用三维可视化模型的可视化效果，对肾脏的结构、手术的具体过程、术后并发症的可能性及原因进行分析讲解， 沟通更加严谨和充分，促进了患者对医生的信任，提高了谈话的效率以及患者认可度，取得了良好的效果。患者对疾病和治疗的认知可能受到多种其他因素的影响，例如教育背景和既往PCNL史。通过术前交谈得知患者对手术的了解情况，有助于排除其他混杂因素造成的结果偏差。可以增加患者对医师的信心，让医患关系更为和谐^［19］。

6 建立三维可视化对初级医师的意义

改进和细化重建效果，使肾脏模型在超声引导下清晰显示内部结构和结石图像，术者和年轻医师可以进行术前模拟穿刺练习，达到模拟训练的效果。此外，PCNL是一项复杂的泌尿外科手术，需要具备高水平的专业知识才能执行。 PCNL中最重要也是最难掌握的步骤是建立经皮肾穿刺通道。在手术室等高压环境中获得此类专业知识可能会导致学习曲线陡峭并增加成本。模拟器的使用对于提高性能质量和减少现实场景中的错误至关重要。最好的例子是飞行员用于训练的飞行模拟器，这些模拟器非常有用，模型中的任务可以重复任意次数，并且可以在受控的无压力环境中完成，而不必担心會出现并发症。事实证明，在模拟器上练习的外科医生在实际手术过程中往往更有信心，并在更短的时间内完成手术，并发症更少。在三维可视化技术重建的图像基础上培养年轻医生，可以极大缩短他们的学习曲线^［20］。

7 三维可视化技术在国内研究现状

武利兵等^［21］进行了一项三维可视化手术与常规治疗手术对肾结石治疗效果的比较，结果发现三维可视化手术与实际治疗手术的穿刺点匹配度为100%，两组平均入院治疗时间差异无统计学意义；两组间平均缺血量、平均术后诊治时限及并发症发生率差异均有统计学意义，虚拟的仿真术后治疗平均脑缺血发病率降低，平均术后诊治时限及患者并发症发生率也减少。由此得出结果：虚拟现实与仿真治疗有助于临床医师对肾结石患者进行个性化术中评价和治疗方法设计，为临床医生正确地判断和处理问题奠定了基础。而曹溆等人^［22］则研究以CT图像数据为基本的肾脏数字三维图像在PCNL诊断复杂肾结石中的应用价值， 结果显示以CT图像数据为基准的肾脏三维数字图像可以安全地运用于PCNL患者的复杂性肾结石，从而减少了手术时间与手术中出血量。林艳君等^［23］研究了三维可视化技术在诊断老年患者鹿角形肾结石中的运用，发现在三维可视化引导下PCNL组在清石效果、并发症发生率方面均优于常规PCNL组， 术后持续时间、 术中出血量、反复穿刺深度和平均住院治疗时间等方面，亦优于常规PCNL组。但截至目前，广西区内并无相关研究着重于三维可视化技术在经皮肾镜手术穿刺通道的设计。广西地区肾结石发病率高，患者经济负担重，推广三维可视化技术对减轻患者经济负担及地区医疗负担有积极意义。

8 总结

随着医学影像学技术的进步，疾病的诊疗更加丰富多样，手术方式也变得智能与精准，由此肾结石的治疗也逐渐多元化。但PCNL一直是肾结石治疗方法中的重点、难点。三维可视化技术的特点为术前诊断、术中操作精确，能够很大程度减少手术创伤、降低手术风险并提高结石清除效率。与传统PCNL相比，三维可视化技术对PCNL有巨大的帮助，而未来三维可视化技术在PCNL中的应用有广泛普及的前景。但目前针对三维可视化技术在PCNL中的有效性研究尚少，仍需继续进行相关随机队列研究，提供更加详实有效的循证医学证据。

参 考 文 献

［1］ VILJOEN A，CHAUDHRY R，BYCROFT J.Renal stones ［J］.Ann Clin Biochem，2019，56（1）：15-27.

［2］庞家瑜，陈春延，刘新福，等.玉林市肾结石发病的相关因素调查［J］.临床泌尿外科杂志，2004，19（1）：39-40.

［3］JIANG P，BREVIK A，CLAYMAN R V.The life and death of percutaneous stone removal："looking back-looking forward" ［J］.Urol Clin North Am， 2022，49（1）：119-128.

［4］LIU Y，ZHU W，ZENG G.Percutaneous nephrolithotomy with suction：is this the future ［J］.Curr Opin Urol，2021，31（2）：95-101.

［5］陈征，张青松，赵亚通，等.三维可视化技术在腔镜甲状腺手术中的应用价值［J］.临床耳鼻咽喉头颈外科杂志，2023，37（1）：31-35.

［6］韩善清，房加高，陈爱萍，等.基于三维可视化技术的后腹膜肿瘤精准手术切除［J］.中国数字医学，2020，15（1）：58-60.

［7］李学超，杨涛，孔令生，等.三维可视化技术在肾盂重建机器人手术教学中的应用［J］.机器人外科学杂志（中英文），2022，3（6）：494-499.

［8］方建宁，苏人欢，郑敏纯.不同口径经皮肾通道的经皮肾镜碎石术在复杂肾结石患者治疗中的效果观察［J］.黑龙江医药，2022，35（5）：1028-1031.

［9］徐巧萍，高峰，虞旗旗，等.逆行输尿管软镜碎石术、经皮肾镜与体外冲击波碎石对肾下盏结石有效性和安全性的Meta分析［J］.浙江医学，2022，44（18）：1971-1977，1999.

［10］刘红，王平贤，严秋等.不造人工肾积水经皮肾镜碎石术临床效果观察［J］.现代泌尿外科杂志，2022，27（8）：679-683.

［11］LI H L，CHEN Y B，LIU C X，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.

［12］ESPERTO F，PRATA F，AUTR?N-G?MEZ A M，et al.New technologies for kidney surgery planning 3D， impression， augmented reality 3D， reconstruction：current realities and expectations ［J］.Curr Urol Rep，2021 22（7）：35.

［13］TSATURYAN A，BELLIN A，BARBUTO S，et al.Technical aspects to maximize the hyperaccuracy three-dimensional （HA3D^TM） computed tomography reconstruction for kidney stones surgery：a pilot study ［J］.Urolithiasis，2021，49（6）：559-566.

［14］WEI C，ZHANG Y C，POKHREL G，et al.Research progress of percutaneous nephrolithotomy ［J］.Int Urol Nephrol，2018，50（5）：807-817.

［15］招桂炎.多排螺旋CT重建技术对输尿管结石的诊断价值［J］.实用医学影像杂志，2022，23（1）：94-96.

［16］章祖雄，李斌，周雪梅，等.3D-CT重建联合3D打印模型可视化技术在单孔胸腔镜肺手術患者中的应用研究［J］.医疗装备，2022，35（23）：86-88，91.

［17］李凯.CT尿路成像在微创经皮肾镜碎石术中的临床应用研究［D］.乌鲁木齐：新疆医科大学，2011.

［18］王建喜，李信，李明亮，等.3D打印技术联合PCNL对肾结石患者清除率及并发症的影响［J］.临床泌尿外科杂志，2021，36（8）：593-597.

［19］李双华，徐冬婷，李惠玲，等.三维可视化术前健康教育方式在肝癌手术患者中的应用效果观察［J］.当代护士（下旬刊），2021，28（4）：1-3.

［20］CARRION D M，CANSINO J R，QUINTANA L M，et al.Prone percutaneous nephrolithotomy：its advantages and our technique for puncture ［J］.Transl Androl Urol，2018，7（6）：950-959.

［21］武利兵，高尚，许阳阳，等.虚拟仿真手术与常规手术对肾结石治疗效果的比较［J］.解剖学报，2021，52（4）：609-617.

［22］曹溆，曾宇枭，王跃力.以CT图像数据为基础的肾脏数字三维成像在经皮肾镜碎石术治疗复杂肾结石中的应用［J］.中国微创外科杂志，2021，21（7）：624-628.

［23］林艳君，姜庆，于圣杰，等.三维可视化技术在经皮肾镜碎石术治疗老年鹿角形肾结石中的应用［J］.中国老年学杂志，2018，38（6）：1372-1374.

（收稿日期：2023-01-03 修回日期：2023-01-28）

（编辑：黄研研）