复杂肾结石模型建立及虚拟输尿管软镜手术应用三例

高 峰 宋 晨 蔡岳树 李瑞鹏 唐 哲 鲍晓洁 黄亚胜 诸靖宇

泌尿系结石是一种全球性疾病，发病率为1%～5%[1]。输尿管软镜是具有一定难度的腔内微创手术，特别在复杂肾结石中，输尿管软镜操作的难度会大大增加[2]。随着CTU 三维重建技术的完善以及3D 打印技术的进步，本研究拟通过3D 打印技术体外复制复杂肾结石模型，通过体外模型进行虚拟的输尿管软镜手术，以期在患者体内操作时提高碎石成功率，减少手术时间，降低手术的风险及并发症。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2019 年至2022 年杭州市第三人民医院泌尿外科复杂肾结石患者3 例，均为男性，平均年龄约53 岁，右肾结石2 例，左肾结石1 例。3例患者均知情同意。数据收集由此文排名第2、3 作者提供。本研究获得杭州市第三人民医院伦理委员会审核通过（No.201708311832000238455）。

1.2 术前CTU 检查 3 例患者在空腹6 h 后进行CTU 检查，包括平扫期、动、静脉期以及排泄期。采用128 排Philip 螺旋CT 进行全腹部扫描，层厚为1.5mm，对比剂采用碘必乐（1.5 mL/kg），注射速率5 mL/s。在对比剂注射后约15 min 进行排泄像的扫描。扫描完成CTU 数据通过DICOM 格式保存。

1.3 数据处理及模型构建 使用Mimics 图像处理

软件对DICOM 格式文件进行后处理。对肾脏轮廓与集合系统分别进行图像分割与三维重建平滑以及精细填充，采用肾脏CTU 扫描分泌期图像进行肾脏集合系统的分割，对表面进行光滑处理、手动调整后，将最终的三维模型保存为STL 格式。将处理好的STL 格式文件，基于Visual Studio 2008 通过交叉使用可视化工具包（Visualization Toolkit）、分割与配准工具包（Insight Segementation and Registerion Toolkit ITK）、图像导航手术工具包（The image-Guided Surgery Toolkit，IGSTK）和开源跨平台构建系统，进行深度开发并形成3D 模型重建，建立能真实反映患者肾结石、肾盂、输尿管的相对大小、形态及位置的可操作模型。将上述步骤所生成的标准化STL 格式文件，导入3D 打印软件，进行拟打印模型的分层处理、与实际的3D 打印层面相对应，同时规划出每层的模型成型路径和支撑路径。之后选用柔性ABS 树脂材料进行3D 打印，用于后期虚拟输尿管软镜操作评价。

1.4 虚拟输尿管软镜操作 术者对肾脏三维结构以及肾结石的位置、大小、与肾盏的关系在3D 模型中充分观察后进行虚拟的输尿管软镜手术，从而为患者真实体内操作时提高碎石成功率，减少手术时间，降低手术的风险及并发症。

2 结 果

2.1 复杂肾结石模型的建立 成功建立了3 例患者的复杂肾结石模型，在3D 模型中通过透明化处理同时显示了肾结石和集合系统的精确位置，客观地显示出了结石的形态、大小和数目及集合系统扩张程度。3D 打印模型真实客观地反映出患者的生理解剖形态。见图1a、b、c。

图1 患者CTU、模型构建以及体外模拟手术图像

2.2 虚拟输尿管软镜手术 3 例患者均在3D 打印模型中实施了输尿管软镜手术操作，软镜在各个肾小盏内均进行检查，并在3D 模型内均清晰的找到了结石位置，虚拟输尿管软镜手术均得到预期效果。见图1d。

3 讨 论

输尿管软镜技术是近年来兴起的泌尿外科新技术，可经人体自然腔道逆行进入膀胱、输尿管，通过主动或者被动弯曲操作观察整个泌尿道，并可借助于激光等设备进行碎石、灼烧肿瘤[2]。输尿管软镜手术在操作中具有一定的难度，初学者会由于镜头和光纤的摩擦导致肾脏黏膜出血、操作不熟练导致碎石时间延长、肾盂肾盏处于急性扩张状态导致肾盂黏膜广泛出血，从而影响结石的清除率[3]。而碎石时间的延长是术后尿脓毒血症、全身炎症反应综合征、感染性休克、术后出血、肾周血肿的重要影响因素[4]。且输尿管软镜摄像系统是二维图像，术者不易辨距、定位，肾内操作的空间小，无明显的解剖标志，输尿管软镜进入肾盂后，对上、中、下盏的分辨较为困难，因此寻找结石也就变得困难，即使熟练的术者也不一定能够完全找到结石。

尤其针对复杂肾结石，输尿管软镜的操作往往会受到更大困难，肾多发结石的输尿管软镜碎石过程中，由于肾结石往往分布于不同的肾盏，术中随着碎石过程中出血及碎石飞溅的影响，往往会出现视野模糊，从而导致结石的遗漏，造成残石率升高。异位肾、马蹄肾、海绵肾、肾盏憩室、尿流改道后等畸形病合并肾结石患者中，在实际输尿管软镜操作中会非常棘手，残石率往往更高。因此针对复杂肾结石，我们需要更加完善的术前模型建立并进行虚拟的输尿管软镜手术，从而减少手术时间，降低术后残石率及减少手术并发症。

随着数字化与3D 打印技术的发展，我们根据患者的CTU 数据制作肾结石、肾盂、输尿管个体化输尿管软镜模型。此模型能真实模拟患者肾盂、输尿管及肾结石情况，进行输尿管软镜模拟手术，并对肾结石进行精确定位及输尿管软镜模拟导航。在模拟操作中，可以体外观察镜体所处位置。通过理论学习、实际操作及体外观察，很快可以掌握软镜操作，不需刻意想象输尿管软镜的方向，快速寻及肾盂及各个肾盏。使操作者体会到输尿管软镜进出尿道、膀胱、输尿管、肾盂和各个肾盏的操作手法和技巧，掌握操作力度及方位感。应用这一技术方法进行术前规划及模拟手术，以预估手术难度、手术路线及手术风险，并可进行输尿管软镜的术中导航，在精确定位的基础上进行输尿管软镜手术，能更加提高寻石成功率，降低误穿的风险和并发症。

综上所述，本研究通过复杂肾结石模型的建立以及虚拟输尿管软镜手术，可针对不同患者进行个体化的术前手术方案设计，对真实手术操作的安全性具有重要意义。特别对于初学者，通过这一方法的学习，可加快学习曲线，缩短术中寻找结石的时间，减少并发症，提高手术效率。这一数字化与3D 打印技术的应用必将为软镜手术乃至其他腔内手术带来广阔的前景。