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3D可视化经皮肾穿刺规划及术中辅助定位引导PCNL的应用

2021-12-02 207 上传者：管理员

摘要：目的:介绍3D可视化经皮肾穿刺规划及术中辅助定位方法,并探索其在经皮肾镜取石术(PCNL)中的临床应用疗效。方法:回顾性分析2018年10月—2020年10月我中心同一医疗组采用PCNL治疗的160例肾结石患者,根据穿刺规划方法分为两组,3D规划组(76例)为采取3D穿刺规划及术中辅助定位,对照组(84例)为常规PCNL。比较两组患者穿刺定位时间、手术时间、出血量、术后结石清除率、并发症发生率、术后住院时间的差异。结果:3D规划组首个穿刺定位平均时间短于对照组(P<0.001)。3D规划组一期PCNL双通道穿刺比例显著大于常规组(23.6%vs.6.0%,P=0.001)。3D规划组一期结石清除率及总结石清除率显著大于对照组(85.5%vs.67.8%,P=0.009;92.1%vs.79.8%,P=0.026);住院时间短于对照组[(4.7±1.0)dvs.(5.1±1.0)d,P=0.004]。两组在平均手术出血量、手术时间及术后并发症差异无统计学意义。结论:3D可视化经皮肾穿刺规划可提升PCNL穿刺通道的精准性、提高结石清除率,尤其适用复杂性肾结石合理规划一期多通道碎石,具有较好的临床应用价值。

关键词：
三维
穿刺规划
经皮手术
肾结石
肾镜取石术
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基于全球研究数据报告经皮肾镜取石术(PCNL)结石清除率整体上可达到77%[1],而对于复杂性鹿角形肾结石术后清除率只有48.4%[2]。复杂性肾结石往往需要多期或者多通道碎石，合理建立经皮肾穿刺通道是提高复杂性肾结石清除率的关键。合理的经皮肾穿刺规划需要根据患者结石大小、分布及集合系统情况进行制定。早在2013年我们采用了三维(3D)肾结石建模虚拟仿真和穿刺全面规划显示了PCNL穿刺规划设计这个方法的可行及安全性[3,4]。在我们前期基础上，进一步探索改进3D规划及术中辅助定位方法以促进临床推广使用。

1、资料与方法

1.1 临床资料

回顾性分析2018年10月—2020年10月在我中心同一医疗组采用PCNL治疗的160例肾结石患者，根据规划穿刺方式分为两组：3D规划组76例为采用3D虚拟仿真穿刺规划辅助PCNL,而对照组84例为常规CT规划及B超引导下PCNL。

所有患者术前均进行常规的CTU检查，肾结石大小根据CT冠状面采用公式长×宽×0.785估算[5]。肾结石复杂性采用Guy’s评分系统进行分类[6]。统计两组患者术前资料，两组患者一般资料及肾结石情况资料比较差异均无统计学意义。见表1。

1.2 3D肾结石模型重建与术前可视化规划

3D规划组中，采集CTU薄层数据图像，使用三维重建软件MIMICS19.0进行图像三维重建，结合阈值分割、区域生长法、布尔函数算法与人工分割修饰多种方法进行图像分割，分割后进行三维计算重建，重建肾结石、肾脏、集合系统及相关附属结构脊柱、肋骨、腰部皮肤。各组织结构融合成一体化数字肾内结构三维模型。

使用MIMICS19.0软件虚拟仿真模块，对3D肾结石模型进行角度旋转及放大透明化便于穿刺规划。经皮肾仿真穿刺规划依据短距原则、高点原则、钝角原则、穹隆原则进行规划：短距原则是指从皮肤穿刺点到目标肾盏距离最短；高点原则是指对于多发结石或者鹿角状结石者，目标肾盏是结石所在肾盏位置最高；钝角原则是指对于多发结石或者鹿角状结石者，通道尽量与其他肾盏结石呈钝角；穹隆原则是指穿刺需要是肾盏穹隆部并与盏颈同轴方向进针[7]。最后将3D穿刺针在数字化肾结石3D模型上进行仿真穿刺。对于多发结石或鹿角形肾结石，因角度或平行盏原因单通道无法粉碎的结石，在3D模型根据结石分布设计双通道穿刺(图1),3D规划由术者或助手进行完成。

1.3 术中引导及手术方法

所有患者进行改良截石侧卧位B超定位PCNL。逆行置入输尿管5F导管后，3D规划组根据术前规划方案展示进行穿刺，皮肤穿刺点定位依据对术前3D模型规划穿刺点进行测量：穿刺点到脊柱距离和距离12肋下平面距离。同时在重建的3D肾结石模型上以穿刺针为平面将模型进行纵向切割，转化二维穿刺图像，以增强辅助术中B超定位肾盏穿刺(图2)。

对照组根据术前CT横截面、冠状面进行数据测量及经皮穿刺线标识完成术前穿刺规划[8]。术中结合实时B超进行常规定位穿刺。

穿刺针进入见尿液或导管注水流出表明穿刺成功，两组穿刺成功后采用筋膜扩张器逐步扩张至18F或20F,通道采用带负压的Y型鞘建立[9]。碎石采用气压弹道碎石，遇到较硬的结石采取钬激光粉碎结石，结石清除后留置双J管及14～16F肾造瘘管。术后第2天进行CT复查，结石清除认为术后复查CT没有任何结石或临床无意义的<4mm残余结石[10]。根据复查CT图像评估实际穿刺盏与术前规划的符合度。残余结石患者根据情况采取二期PCNL碎石、择期输尿管软镜碎石、体外冲击波碎石或药物排石辅助治疗。记录术中及术后相关指标。手术时间定义为穿刺针进入集合系统至留置皮肤肾造瘘管的时间；手术出血量根据术前和术后24h血红蛋白的改变估计；经皮肾镜住院时间定义手术当日至出院的时间；术后并发症采用DindoClavien分级[11]。

1.4 统计学方法

采用SPSS20.0统计软件进行数据处理，计量资料按x¯±s表示，计数资料以例(%)表示，等级资料计算构成比；正态分布计量资料比较采用t检验，非正态分布计量采用Mann-Whitney检验，计数资料比较采用χ2检验，等级资料比较采用秩和检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

3D规划组76例肾结石患者均成功进行了3D术前规划，切割的3D经皮肾穿刺图像增强了术中辅助B超定位肾盏穿刺。

两组患者术中及术后临床指标比较见表2。3D规划组中18例一期采取双通道穿刺，其中6例是多发肾结石、7例部分鹿角形肾结石和5例是完全性鹿角形肾结石，双通道穿刺比例显著大于常规组(23.6%vs.6.0%,P=0.001)。与对照组比较，3D规划组首个穿刺定位时间更短，一期PCNL结石清除率及总结石清除率更高，住院时间更短(均P<0.05)。术后并发症包括术后疼痛、发热患者15例(ClavienⅠ),4例输血患者(ClavienⅡ),1例肾出血需要肾栓塞治疗(ClavienⅢ)。两组在平均手术出血量、手术时间及术后并发症比较差异无统计学意义。术后随访1个月，无严重不良反应。

3、讨论

如何提高结石清除率及减少并发症一直是PCNL临床研究的重点。在处理复杂性肾结石时，根据结石分布制定合理的经皮肾穿刺路径是提高PCNL手术效果的关键。穿刺通道设计的重要性在于：一方面，穿刺通道与出血、胸膜损伤等并发症密切相关[12];另一方面，采取不同的穿刺入路手术效果可具有明显差异，Amaresh等[13]对肾盂或(并)下盏肾结石进行上盏穿刺和下盏穿刺PCNL分组对比，分析得出这类肾结石上盏穿刺比下盏穿刺PCNL可减少手术时间、术中出血量及提高结石清除率；相关研究也表面即使进入同一个肾盏，以不同方向经皮肾穿刺面临的损伤和碎石效果也是不同的[14]。因此，如何规划合理经皮肾穿刺路径即精准经皮肾穿刺非常值得关注。

精准的经皮肾穿刺就是最大限度兼顾手术高效性与安全性的穿刺。常规PCNL穿刺规划根据多层CT或CTU进行参考，可大致规划拟穿刺的肾盏[8,15],但仍无法规划皮肤穿刺点及精准的穿刺路径。近年来，3D数字化医学运用到PCNL指导精准穿刺被认为是一项较有前景的技术。通过患者的CT数据集建立的3D模型，基本代表了患者个体化的解剖学形态。它提供肾脏透明化、结石放大、旋转、测量可进行精细的3D穿刺规划。余琥等[7]提出超声引导下经皮肾穿刺路径建立原则：即短距原则、高点原则、钝角原则、穹隆原则(SVOF原则)。而得益于3D模型的可视化显示，我们可以直观地以SVOF原则进行3D穿刺针调整到达理想的穿刺路径规划。术前在3D肾结石模型进行规划PCNL很大程度可预测通道碎石效果，相关研究证实在打印3D肾结石模型中模拟PCNL清除结石效果与实际碎石效果具有较高的一致性[16]。鉴于鹿角形肾结石的复杂性，如果只规划单一通道穿刺，可能会出现有些鹿角区域结石因与穿刺通道成窄锐角或成平行盏结石等原因无法粉碎；此时3D肾结石模型提供的可视化结石分布非常有助于设计规划第二穿刺通道碎石，以增加一期PCNL碎石效率。

通过3D模型规划了合理的穿刺通道，如何确保术中能按照术前穿刺通道执行也是需要解决的问题。目前研究有将术前规划好的3D模型通过iPad后置摄像头追踪融合技术指导穿刺定位作用[17];或在3D肾结石模型规划置入3D穿刺鞘，利用仿真软件分割出“包含穿刺鞘腰背表面的方形区域”,然后进行3D打印，手术中将打印的“腰背穿刺鞘模块”覆盖在患者腰部穿刺区域，从穿刺鞘孔直接引导穿刺[18]。这些方法也还难以解决组织变形性及呼吸肾活动度影响，相关实时的B超和三维肾融合技术也仍未成熟。本研究我们采取以包含3D穿刺针的多层面切割3D模型图像进行2D引导辅助，利用分割法将3D和2D图像增强转化，通过视觉融合起到辅助指引作用，弥补B超定位的二维图像劣势，同时术者也可根据术中实际情况进行适当的调整，目前结果也表明术中穿刺和术前规划达到了较高符合度。

本项回顾性对比研究结果3D规划PCNL组相比常规B超定位组具有较高的结石清除率。通过分析，一方面，单通道的3D规划合理设计提升了碎石效率；另一方面，大部分鹿角形肾结石往往需要多阶段或多通道碎石[19],3D规划研究组中更多患者采用一期双通道规划碎石，提高了一期碎石效率，减少需要二期PCNL碎石的患者，缩短了平均住院时间。多通道穿刺还需要考虑手术安全问题，过于追求一期结石清除率而采取过多的穿刺通道，可能会增加出血量及术后输血比例[20]。由于刚性3D模型结构无法展示实际肾组织变形程度，本研究术前3D规划暂不考虑设计多于2个穿刺通道。在结果中，3D规划组双通道PCNL比例增加，但没有观察到手术出血量和术后并发症明显增加。良好的穿刺通道可加快碎石效率，配合Y型负压吸引鞘也可促进结石的快速吸出，3D规划组结石清除率明显提高，但没有明显延长手术时间。

3D规划组与对照组术前均进行常规CTU检查，CT检查上不增加额外费用。3D规划组术前需采取CT数据集进行三维重建及规划，重建可由放射科医生或掌握三维重建方法的泌尿外科医师完成。我中心治疗组开展肾结石及肾肿瘤三维可视辅助外科积累一定经验，可泌尿外科医生独立开展三维重建，并不增加患者费用开支。关于个体化肾结石模型重建方法我们曾进行了详细的阐述[3,4],临床可参考我们的方法逐步开展。经过改进，目前缩减采集CT平扫期、肾盂分泌期图像即可完成重建肾结石模型。有些技术服务公司能提供医学可视化三维重建的服务，而如果选择与技术服务公司合作完成三维重建，就可能会增加患者一定额外费用开支。3D规划是在3D肾结石模型上标注规划PCNL穿刺通道，规划步骤较简易，通过3D模型旋转、放大进行观察，然后位移3D规划针进行标注穿刺路径即可完成。3D规划针可复制转移及保存，因此，泌尿外科临床医生可独立完成3D规划。重建的3D肾结石模型除了数字化穿刺规划，也可实体3D打印穿刺规划[21,22],3D打印作为术前谈话展示、模型教学及PCNL训练也有帮助[23,24]。但任意放大和透明化规划是3D实体打印所不具有的优势，而且3D打印目前仍较为昂贵和费时，临床大量的推广仍有一定困难，因而我们选择采用较为简便的虚拟仿真规划，数字化多层切割更灵活、可重复性和操作性强。

个体化肾结石3D可视化穿刺规划提升了经皮肾镜中穿刺通道的合理性，根据结石复杂性更可合理设计一期多通道碎石，改进的多层面3D模型切割可用于术中辅助引导穿刺。通过本项回顾性对比分析结果，相比常规CT规划PCNL,3D可视化穿刺规划及术中辅助整体上提高了结石清除率，减少住院时间，值得临床推广使用。

参考文献:

[4]陈远波,李虎林,刘春晓,等.数字化肾结石三维模型的建立及虚拟手术仿真[J].南方医科大学学报,2013,33(2):267-270.

[7]余城,夏丁,彭鄂军,等.超声引导下SVOF原则两步穿刺法建立经皮肾镜工作通道的临床研究[J].中华外科杂志,2018,56(10).764-767.

[21]丘捷文,李春,文博,等.3D打印技术在经皮肾镜取石术中的应用[J].临床泌尿外科杂志,2017,32(7):524-528.

[22]刘宇保,刘彬,胡卫国,等.3D打印技术对鹿角形肾结石PCNL术前精准设计的临床研究[J].临床泌尿外科杂志,2018,33(1):30-35.

文章来源：陈远波,张志甫,陆剑君,黄思源,卢国平.3D可视化经皮肾穿刺规划及术中辅助定位引导PCNL的应用[J].临床泌尿外科杂志,2021,36(12):965-969.