摘要
背景和目的: 肾结石是泌尿系多发疾病之一，占泌尿科手术的40％。经皮肾镜碎石术(PCNL)以其创伤小及结石清除率高为特点，已经成为治疗大结石、多发结石或下盏结石的金标准。 肾脏是血供非常丰富的内脏器官，静息状态下肾血流量占心脏总输出量的20％～25％，肾动脉在肾内呈节段性分布，缺乏交通支，一旦受到损伤，将导致其支配区域失去动脉血供，而造成该区域的缺血坏死、功能丧失。肾动脉走向并不是沿着或者跟随肾盏的排列，肾脏凸缘后方1cm处的相对无血管区Brodel切线并不揭示所谓的无血管区。G raves等通过肾脏集合系统铸型研究，肾盂肾盏排列方式分为A、B、C、D型，最为常见的D型，肾盂小球形，肾盏呈细长干状，由于肾盏重叠、交替融合，通常应用CT扫描三维重建或进行斜位和侧位IVP摄片方能显示其立体结构。马蹄肾等肾旋转异常先天畸形常伴有肾门部动静脉的异常，肾血管的分布及集合系统形态更难以预测。 肾脏本身内部解剖及毗邻脏器差异性及结石引起肾结构病变的复杂性，经皮肾镜碎石术作为治疗肾结石的精标准，依然存在很多不可预测。PCNL最常见的并发症是出血和感染，术中、术后大出血约为13.7％;其次是胸膜损伤，发生率为4.5％-16％;其他较为少见的是周围毗邻脏器损伤，发生率约为0％至0.4％。对于复杂性结石往往需要多通道或多阶段的碎石，均会增加手术出血风险。大出血原因主要为动静脉瘘或手术造成的假性动脉瘤形成，往往需要肾动脉栓塞治疗。如何提高治疗肾结石的一次性清除率和减少手术并发症是PCNL研究发展的关键。肾结石的清除率与结石大小、位置、分布、集合系统的关系密切相关，明确肾内动脉分布及肾盂肾盏之间的分布关系，将有助于评估患者手术风险，建立合理的穿刺路径。 PCNL手术最关键和最难的地方在于穿刺通道的建立，手术的风险及结石清除率在很大程度上与肾穿刺路径的选择和建立有关。目前穿刺通道的建立主要采用B超和X线定位，图像为二维平面，操作者不易把握穿刺角度，无法清晰分辨肾血管的分布情况及周围脏器的毗邻关系，因此无法较好避免对血管及周围脏器的损伤;而且部分患者病情较为复杂，可能存在解剖变异如马蹄肾、肾脏旋转不良，增加了手术风险。彩超能显示动静脉血流，有助于穿刺避免大血管损伤，一定程度减低了手术大出血的风险，然而其提供二维图像对穿刺通道规划性不强，肾内部结构显示的不清，穿刺定位很难达到合理性。 国内外对如何快速合理的建立穿刺通道进行了相关研究，最引起关注的是三维可视化技术的应用，Patel U等对肾结石患者进行集合系统的三维重建，术前充分了解结石形态，结石与集合系统的空间分布位置，为经皮肾镜碎石术中穿刺部位的选择提供了指导。Oliveira-Santos等采用计算机结合肾集合系统三维模型进行辅助穿刺进入集合系统，在人体模型上设立标志点，通过采集术中图像与肾集合系统三维模型进行融合，进行穿刺引导。A.D.Zarrabi等设计了机械性的经皮肾穿刺定位设备，弥补C臂二维图像的不足，促进穿刺的快速定位，减少术者遭受的辐射量。Jens J.Rassweilera等通过ipad后置摄像头采集术中图像，通过与术前的肾结石结构模型进行融合指导2名患者进行PCNL穿刺初步证实是有效可行的。然而大多肾脏的三维重建只基于CT的单时相期数据进行三维重建，单一采用动脉期或肾盂分泌期的肾脏CT数据集进行重建，未能达到真正意义的肾脏三维可视化，仅仅为能进入集合系统，并未能能考虑是否获得最佳穿刺路径。 为此，将3D工程学与医学的进一步结合，利用虚拟可视化技术，将现代影像学、计算机图像处理、解剖学和泌尿学相结合，研究基于64排CT图像建立数字化肾结石三维模型，为患者进行个体化全面的手术规划。并采用自由设计系统(FreeForm Modeling System)，在肾结石三维模型上进行研究PCNL手术虚拟仿真，为提高PCNL一次性碎石率，减少并发症提供一项新技术。 方法: （一）基于CT图像的数字化肾结石三维模型的建立 南方医科大学珠江医院泌尿外科2012年1月至2012年6月肾结石患者30例，男16例，女14例，平均年龄49.6(35-63)岁，左肾结石16例，右肾结石14例。 空腹4小时后，患者俯卧位胸腹部垫枕进行CT扫描，采集肾脏64排CT图像数据，包括平扫期、动脉期、静脉期、肾盂排泄期。动脉期采用自动阈值触发技术定时扫描，取腹主动脉断面为兴趣(ROI)，触发阈值设定为200Hu，同步启动对比剂注射及扫描程序，阈值达200Hu自动开始扫描。自注入静脉造影剂开始，静脉期延迟65s进行扫描，肾盂分泌期延迟600-900S扫描。采用MIMICS10.0(Materialise公司，比利时)对CT图像分割和进行三维重建，图像分割基于使用剖面线阈值分割法、区域生长、布尔函数(Boolean function)等方法来分割图像，并采用多层编辑人工分割方法进行修饰。在不同时相期的CT数据分别分割重建肾脏内部及毗邻脏器结构。包括肾脏大体、肾结石、肾动静脉及其分支，肾集合系统及毗邻相关结构肺下部、肝脏或脾脏、脊柱、腰部皮肤。通过各个时相期重建的肾脏实质模型设置多个标志点进行计算自动配准，再通过三维X、Y、Z轴的位移和旋转调整进行人工辅助调整，逐一完成配准、融合构建一体化肾结石三维模型。 由两名经验丰富的泌尿外科医师对三维图像质量进行评分和记录，有效完整重建肾结石三维模型的指标为:能同时显示肾结石、肾内血管、集合系统之间的解剖关系，肾脏以及毗邻器官显示清楚，边界光滑完整无断裂。肾内动脉能分辨至三至四级分支，肾内静脉能分辨一至二级分支，集合系统清晰光滑完整。经过统计分析基于CT图像建立肾结石三维模型的有效性。 （二）基于肾结石三维模型的经皮肾镜碎石术虚拟仿真研究 采用3D Studio Max2012软件制作建立PCNL仿真手术器械3D模型，包括手术刀、穿刺针、导丝、筋膜扩张鞘、碎石杆。由一名经验丰富的泌尿外科手术医师，在肾脏及肾结石三维模型的进行数据测量，包括结石大小、肾脏大小等，操作模型进行放大、旋转，和透明化达到对内部结构的可视化，根据其提供的详细的患者生理解剖学结构，采用仿真手术器械3D穿刺针在模型腰壁皮肤上进行穿刺定位，全面规划经皮肾穿刺路径。记录穿刺点、路线及穿刺深度。 将带有穿刺针的肾结石三维模型导入到3D触觉式设计系统(FreeFormModeling Plus)，操作FreeForm系统三维鼠标，使用PCNL仿真手术器械进行PCNL手术仿真操作，包括留置输尿管导管、扩张建立通道，碎石及置入肾造瘘管等过程。 结果: （一）基于CT图像的数字化肾结石三维模型的建立 一共30名患者参与了本次实验，患者年龄平均年龄49.6岁，其中男16例，女14例，左肾结石16例，右肾结石14例，多发结石10例(33.3％)，铸型结石6例(20.0％)，马蹄肾结石1例(3.3％)，余13例为肾盂或肾盏结石(43.3％)。共采集了30套肾结石患者俯卧位的64层螺旋CT扫描图像，层厚1mm，分为平扫期、动脉期、静脉期、肾盂分泌期，CT图像对比度高，空间分辨率高，图像均匀、噪音伪影少。 成功建立了30例患者的肾结石三维模型，重建的肾脏轮廓清晰，能真实反映肾脏的实际体积，具有肾脏的解剖标志;肾动脉能清晰显示肾动脉主干及四级分支，血管边缘光滑，无呼吸运动伪影，肾静脉显示肾静脉主干及其二级分支，血管边缘模糊，集合系统管道结构清晰、连续、自然。肾结石三维模型直观显示结石的形态和数目及集合系统扩张程度。通过调节肾脏的透明度可同时显示肾脏和肾内的动脉、静脉和集合系统。能对模型放大、缩小和旋转等其他全方位观察的操作，形态逼真，立体感强。通过评分，有效完整的模型的共有28例，2例因显影剂充盈不足肾血管重建分支少、集合系统重建部分肾盏不显示。基于CT图像建立肾结石三维模型的有效性为93.3％。 （二）基于肾结石三维模型的经皮肾镜碎石术虚拟仿真研究 建立了一套PCNL仿真手术器械模型，包括手术刀、穿刺针、导丝、扩张鞘、碎石杆等，手术器械模型逼真，具有三维可操作性。肾结石三维模型共28例，结石体积大小为7.8±2.4cm3，结石表面积21.1±12.0cm2，肾脏大小157.1±13.2cm3，平均穿刺通道深度为8.7±1.5cm。在28例患者肾结石三维模型上分别进行全面的手术规划和穿刺定位，其中7例(25.0％)经皮肾穿刺手术规划采用11肋间进行穿刺，3例(10.7％)根据多发结石分布情况设计了2通道一次性碎石方案。按照规划设计的手术入路，采用FreeForm Modeling System操作在肾结石三维结构模型上完成个体化的PCNL虚拟手术仿真，包括定位穿刺、导丝引导下置入筋膜扩张器扩张、碎石、置入肾造瘘的过程，仿真手术操作性强，能反复多次演练。 结论: 1.采用64排CT数据建立的肾结石三维模型是可行和有效的，个体化的反映了患者的肾脏及周围毗邻器官的生理解剖学结构; 2.肾结石三维模型可以提供全面的手术规划和经皮肾镜碎石术的虚拟仿真。为经皮肾镜碎石术导航奠定基础。
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