復(fù)雜腎結(jié)石模型建立及虛擬輸尿管軟鏡手術(shù)應(yīng)用三例

高 峰 宋 晨 蔡岳樹 李瑞鵬 唐 哲 鮑曉潔 黃亞勝 諸靖宇

泌尿系結(jié)石是一種全球性疾病，發(fā)病率為1%～5%[1]。輸尿管軟鏡是具有一定難度的腔內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)，特別在復(fù)雜腎結(jié)石中，輸尿管軟鏡操作的難度會(huì)大大增加[2]。隨著CTU 三維重建技術(shù)的完善以及3D 打印技術(shù)的進(jìn)步，本研究擬通過3D 打印技術(shù)體外復(fù)制復(fù)雜腎結(jié)石模型，通過體外模型進(jìn)行虛擬的輸尿管軟鏡手術(shù)，以期在患者體內(nèi)操作時(shí)提高碎石成功率，減少手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2019 年至2022 年杭州市第三人民醫(yī)院泌尿外科復(fù)雜腎結(jié)石患者3 例，均為男性，平均年齡約53 歲，右腎結(jié)石2 例，左腎結(jié)石1 例。3例患者均知情同意。數(shù)據(jù)收集由此文排名第2、3 作者提供。本研究獲得杭州市第三人民醫(yī)院倫理委員會(huì)審核通過（No.201708311832000238455）。

1.2 術(shù)前CTU 檢查 3 例患者在空腹6 h 后進(jìn)行CTU 檢查，包括平掃期、動(dòng)、靜脈期以及排泄期。采用128 排Philip 螺旋CT 進(jìn)行全腹部掃描，層厚為1.5mm，對比劑采用碘必樂（1.5 mL/kg），注射速率5 mL/s。在對比劑注射后約15 min 進(jìn)行排泄像的掃描。掃描完成CTU 數(shù)據(jù)通過DICOM 格式保存。

1.3 數(shù)據(jù)處理及模型構(gòu)建 使用Mimics 圖像處理

軟件對DICOM 格式文件進(jìn)行后處理。對腎臟輪廓與集合系統(tǒng)分別進(jìn)行圖像分割與三維重建平滑以及精細(xì)填充，采用腎臟CTU 掃描分泌期圖像進(jìn)行腎臟集合系統(tǒng)的分割，對表面進(jìn)行光滑處理、手動(dòng)調(diào)整后，將最終的三維模型保存為STL 格式。將處理好的STL 格式文件，基于Visual Studio 2008 通過交叉使用可視化工具包（Visualization Toolkit）、分割與配準(zhǔn)工具包（Insight Segementation and Registerion Toolkit ITK）、圖像導(dǎo)航手術(shù)工具包（The image-Guided Surgery Toolkit，IGSTK）和開源跨平臺構(gòu)建系統(tǒng)，進(jìn)行深度開發(fā)并形成3D 模型重建，建立能真實(shí)反映患者腎結(jié)石、腎盂、輸尿管的相對大小、形態(tài)及位置的可操作模型。將上述步驟所生成的標(biāo)準(zhǔn)化STL 格式文件，導(dǎo)入3D 打印軟件，進(jìn)行擬打印模型的分層處理、與實(shí)際的3D 打印層面相對應(yīng)，同時(shí)規(guī)劃出每層的模型成型路徑和支撐路徑。之后選用柔性ABS 樹脂材料進(jìn)行3D 打印，用于后期虛擬輸尿管軟鏡操作評價(jià)。

1.4 虛擬輸尿管軟鏡操作 術(shù)者對腎臟三維結(jié)構(gòu)以及腎結(jié)石的位置、大小、與腎盞的關(guān)系在3D 模型中充分觀察后進(jìn)行虛擬的輸尿管軟鏡手術(shù)，從而為患者真實(shí)體內(nèi)操作時(shí)提高碎石成功率，減少手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)及并發(fā)癥。

2 結(jié) 果

2.1 復(fù)雜腎結(jié)石模型的建立 成功建立了3 例患者的復(fù)雜腎結(jié)石模型，在3D 模型中通過透明化處理同時(shí)顯示了腎結(jié)石和集合系統(tǒng)的精確位置，客觀地顯示出了結(jié)石的形態(tài)、大小和數(shù)目及集合系統(tǒng)擴(kuò)張程度。3D 打印模型真實(shí)客觀地反映出患者的生理解剖形態(tài)。見圖1a、b、c。

圖1 患者CTU、模型構(gòu)建以及體外模擬手術(shù)圖像

2.2 虛擬輸尿管軟鏡手術(shù) 3 例患者均在3D 打印模型中實(shí)施了輸尿管軟鏡手術(shù)操作，軟鏡在各個(gè)腎小盞內(nèi)均進(jìn)行檢查，并在3D 模型內(nèi)均清晰的找到了結(jié)石位置，虛擬輸尿管軟鏡手術(shù)均得到預(yù)期效果。見圖1d。

3 討 論

輸尿管軟鏡技術(shù)是近年來興起的泌尿外科新技術(shù)，可經(jīng)人體自然腔道逆行進(jìn)入膀胱、輸尿管，通過主動(dòng)或者被動(dòng)彎曲操作觀察整個(gè)泌尿道，并可借助于激光等設(shè)備進(jìn)行碎石、灼燒腫瘤[2]。輸尿管軟鏡手術(shù)在操作中具有一定的難度，初學(xué)者會(huì)由于鏡頭和光纖的摩擦導(dǎo)致腎臟黏膜出血、操作不熟練導(dǎo)致碎石時(shí)間延長、腎盂腎盞處于急性擴(kuò)張狀態(tài)導(dǎo)致腎盂黏膜廣泛出血，從而影響結(jié)石的清除率[3]。而碎石時(shí)間的延長是術(shù)后尿膿毒血癥、全身炎癥反應(yīng)綜合征、感染性休克、術(shù)后出血、腎周血腫的重要影響因素[4]。且輸尿管軟鏡攝像系統(tǒng)是二維圖像，術(shù)者不易辨距、定位，腎內(nèi)操作的空間小，無明顯的解剖標(biāo)志，輸尿管軟鏡進(jìn)入腎盂后，對上、中、下盞的分辨較為困難，因此尋找結(jié)石也就變得困難，即使熟練的術(shù)者也不一定能夠完全找到結(jié)石。

尤其針對復(fù)雜腎結(jié)石，輸尿管軟鏡的操作往往會(huì)受到更大困難，腎多發(fā)結(jié)石的輸尿管軟鏡碎石過程中，由于腎結(jié)石往往分布于不同的腎盞，術(shù)中隨著碎石過程中出血及碎石飛濺的影響，往往會(huì)出現(xiàn)視野模糊，從而導(dǎo)致結(jié)石的遺漏，造成殘石率升高。異位腎、馬蹄腎、海綿腎、腎盞憩室、尿流改道后等畸形病合并腎結(jié)石患者中，在實(shí)際輸尿管軟鏡操作中會(huì)非常棘手，殘石率往往更高。因此針對復(fù)雜腎結(jié)石，我們需要更加完善的術(shù)前模型建立并進(jìn)行虛擬的輸尿管軟鏡手術(shù)，從而減少手術(shù)時(shí)間，降低術(shù)后殘石率及減少手術(shù)并發(fā)癥。

隨著數(shù)字化與3D 打印技術(shù)的發(fā)展，我們根據(jù)患者的CTU 數(shù)據(jù)制作腎結(jié)石、腎盂、輸尿管個(gè)體化輸尿管軟鏡模型。此模型能真實(shí)模擬患者腎盂、輸尿管及腎結(jié)石情況，進(jìn)行輸尿管軟鏡模擬手術(shù)，并對腎結(jié)石進(jìn)行精確定位及輸尿管軟鏡模擬導(dǎo)航。在模擬操作中，可以體外觀察鏡體所處位置。通過理論學(xué)習(xí)、實(shí)際操作及體外觀察，很快可以掌握軟鏡操作，不需刻意想象輸尿管軟鏡的方向，快速尋及腎盂及各個(gè)腎盞。使操作者體會(huì)到輸尿管軟鏡進(jìn)出尿道、膀胱、輸尿管、腎盂和各個(gè)腎盞的操作手法和技巧，掌握操作力度及方位感。應(yīng)用這一技術(shù)方法進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及模擬手術(shù)，以預(yù)估手術(shù)難度、手術(shù)路線及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并可進(jìn)行輸尿管軟鏡的術(shù)中導(dǎo)航，在精確定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸尿管軟鏡手術(shù)，能更加提高尋石成功率，降低誤穿的風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥。

綜上所述，本研究通過復(fù)雜腎結(jié)石模型的建立以及虛擬輸尿管軟鏡手術(shù)，可針對不同患者進(jìn)行個(gè)體化的術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計(jì)，對真實(shí)手術(shù)操作的安全性具有重要意義。特別對于初學(xué)者，通過這一方法的學(xué)習(xí)，可加快學(xué)習(xí)曲線，縮短術(shù)中尋找結(jié)石的時(shí)間，減少并發(fā)癥，提高手術(shù)效率。這一數(shù)字化與3D 打印技術(shù)的應(yīng)用必將為軟鏡手術(shù)乃至其他腔內(nèi)手術(shù)帶來廣闊的前景。