3D虛擬內鏡技術在輸尿管軟鏡碎石術中的臨床意義

賈曉鵬，郭躍先，王　偉，蔣玉清

(河北醫科大學第三醫院泌尿外科，河北 石家莊 050051)

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·泌外專欄論著·

3D虛擬內鏡技術在輸尿管軟鏡碎石術中的臨床意義

賈曉鵬，郭躍先，王偉，蔣玉清

(河北醫科大學第三醫院泌尿外科，河北 石家莊 050051)

目的探索在輸尿管軟鏡下腎臟結石碎石中應用3D虛擬內鏡技術是否能夠提高碎石效率及安全性。方法30例腎結石患者按住院號末位數字編號，單號設定為3D虛擬內鏡組(試驗組)、雙號為常規影像學檢查組(對照組)各15例，2組均應用64層螺旋CT對患者進行平掃+增強掃描，掃描結束后進行薄層重建。其中處理組提取患者CT檢查結果的DICOM格式文件，使用Mimics軟件進行3D圖形后處理，然后獲得患者腎臟集合系統的3D虛擬內鏡模型。觀察2組手術者確定目標盞的時間、第一次系統探查腎臟各盞的時間、拔除導尿管時間、下床活動時間以及清石率和并發癥發生率。結果30例手術均順利完成，處理組腎臟3D虛擬內鏡模型均成功建立，腎臟的集合系統、結石的大小和位置以及腎臟與結石的關系均顯示良好。試驗組確定目標盞時間、第一次系統探查腎盞時間均短于對照組，試驗組清石率高于對照組，試驗并發癥(出血、感染等情況)發生率低于對照組(P<0.05)，2組恢復時間(拔出導尿管、下床活動時間等)、住院時間差異無統計學意義。結論在輸尿管軟鏡對腎臟結石碎石過程中，應用3D虛擬內鏡技術，能夠提高碎石效率，并且可以降低術后并發癥。

腎結石；輸尿管軟鏡碎石術；虛擬內鏡技術doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.10.004

3D虛擬內鏡技術是以三維CT及MRI圖像為基礎，利用圖像工作站軟件對空腔器官內表面具有相同像素值的部分進行三維重建，模擬光學纖維內鏡效果的方式來顯示其腔內結構的技術，必要時可附加偽彩著色，以獲取腔道內三維或動態三維解剖學圖像。優點為無創，可反復模擬纖維內鏡的檢查過程和任意角度呈現逼真的三維動態圖像，協助制定手術治療計劃，有助于醫學教育的革新和年輕醫師培訓等。相對于單純的影像學診斷，3D虛擬內鏡技術的優勢在于醫生能夠根據需要以及患者內臟器官的個體差異規劃出特定的器官模型，而且可以更精確地在打印出來的實體模型上作出診斷并規劃詳細的手術方案[1-2]。目前，3D虛擬內鏡技術已經在醫療領域逐步展開應用[3-7]。為探索3D虛擬內鏡技術在輸尿管軟鏡治療腎臟結石中的應用前景，本研究采用3D虛擬內鏡技術為15例腎結石患者制作了3D虛擬內鏡模型，并對3D虛擬內鏡技術治療腎臟結石的碎石效果及安全性進行了初步探討，報告如下。

1　資料與方法

1.1一般資料選擇2015年11月—2016年6月河北醫科大學第三醫院泌尿外科收治的應用輸尿管軟鏡治療腎結石患者30例。按住院號單雙號分為2組各15例。試驗組男性11例 ，女性4例，年齡40～58歲，平均(50.2±3.6)歲，伴有高血壓2例，糖尿病1例，行體外沖擊波碎石術(extracorporeal shock wave lithotripsy,ESWL)1例。對照組男性8例，女性7例，年齡為41～57歲，平均(49.5±4.1)歲，伴有高血壓2例，伴有糖尿病2例，行ESWL 1例。2組性別、年齡、血肌酐水平、結石直徑等一般資料差異均無統計學意義(P>0.05)， 具有可比性，見表1。

所有患者均簽署了知情同意書。

表12組一般資料比較

組別血肌酐(μmol/L)結石大小(cm)試驗組88.5±4.72.2±0.5對照組85.2±5.11.9±0.4χ2/t1.8431.815P0.0760.080

1.2入選標準和排除標準入選標準：①術前已行影像檢查診斷明確患者腎臟結石，有手術適應證；②心電圖、胸部X線片、腹部CT等無明顯手術禁忌；③無嚴重心、腦、肺等重要臟器功能疾患；④患者腎結石無手術史(開放手術或腔鏡手術)，ESWL除外；⑤詳細向患者及其家屬交代輸尿管軟鏡碎石術手術的相關情況。排除標準：①孤立腎結石；②小兒腎結石；③腎結石伴有腎功能不全者；④腎結石合并輸尿管結石。

1.3圍手術期處理和營養管理常規術前腸道準備；術前8 h禁食，6 h禁水，術前2 h根據尿細菌學檢查和尿培養藥敏試驗預防性給予抗生素靜脈滴注，使用全身麻醉，術后根據留置雙J管；2組術中靜脈均給予呋塞米10 mg。術后給予血凝酶1～2 U減少出血。術后第1天給予2 000～2 500 mL糖鹽補液，2～3 d后根據患者恢復具體情況給予適當補液，術后抗生素應用3～4 d，針對術后留置雙J管引起的下尿路癥狀應用α受體阻滯劑和(或)M受體阻滯劑2～3 d，術后第3天復查腹部平X線片觀察雙J管留置位置及手術效果，陰性結石采用B超或CT平掃檢查。術后早期飲水、進食和下床活動。

1.4制作3D虛擬內鏡模型

1.4.1CT檢查患者腎臟CT圖像數據包括平掃期、動脈期、靜脈期、腎盂排泄期。CT掃描前準備:與患者及家屬簽定增強檢查知情同意書，空腹4～6 h，檢查前30 min飲水200～300 mL充盈腸道，增加腎臟周圍與胃腸道結構的對比，并降低造影劑對腎臟的損害，訓練呼吸，從而控制呼吸運動產生的偽影。掃描參數：管電壓120 kV，管電流300 mA，螺距0.984、層厚5 mm。患者俯臥位分別行尿路CT平掃、增強。掃描范圍從腎上極至恥骨聯合平面，一次屏氣完成容積掃描。增強掃描時從肘前靜脈注入非離子型造影劑碘克沙醇，用量為1.5～2 mL/kg，總量80～100 mL，注射速度2.0～2.5 mL/s。注射完畢后開始連續掃描腎動脈期，30 s～2 min開始掃描腎實質期，2～5 min開始掃描腎盂充盈期。對原始圖像數據層厚5 mm進行1 mm減薄處理，將薄層數據上傳工作站。

1.4.2圖像后處理用DVD光盤提取并刻錄4個時期的全部數據，格式為DICOM文件，使用Mimics軟件對數據進行后處理。分割圖像：基于閾值分割、區域分割等方法把圖像分成若干個特定的、具有獨特性質的區域提取觀察目標。三維重建：把腎臟實質動脈期模型設為標準，將靜脈期、排泄期重建的腎臟模型導入，采用若干特征性標志點讓計算機計算運行配準，再進行人工輔助調整，通過三維X、Y、Z軸的位移和旋轉調整，一一進行匹配，記錄位移坐標，達到三維圖像配準融合。最后進行模型的去噪、平滑以及精細填充。分別對各個結構值染色，調整透明度，行成數字三維虛擬結石腎臟模型。

1.5手術方法術前1周通過膀胱鏡在結石患側行輸尿管內保留雙J管，充分擴張輸尿管。圍手術期用藥：根據尿培養藥敏試驗選擇抗生素于術前3 d及術前30 min預防性靜脈滴注。采用全身麻醉，取截石位，輸尿管半硬鏡直視下拔除患側雙J管，以輸尿管半硬鏡探查患側輸尿管，查看輸尿管條件，有無明顯狹窄及迂曲。保留斑馬導絲，退出輸尿管半硬鏡，沿導絲置入輸尿管導入鞘，外部保留長5～6 cm，經C形臂透視，以導入鞘頭端位于腎盂輸尿管連接部稍下方為宜，拔除內芯。連接輸尿管軟鏡，經導入鞘置入輸尿管軟鏡至腎盂，自腎上盞系統探查腎臟集合系統，最后定位于結石盞內。連接鈥激光光纖，沿結石外圍逐步粉碎結石，將結石粉碎至1～3 mm大小顆粒。最后再次系統探查腎臟集合系統，確認無遺漏結石，保留斑馬導絲，直視下退出輸尿管導入鞘，沿導絲置入雙J管，保留導尿管并妥善固定。

1.6觀察指標觀察2組手術者確定目標盞的時間、第一次系統探查腎臟各盞的時間、拔除導尿管時間、下床活動時間以及清石率和并發癥發生率。

1.7統計學方法應用SPSS 19.0統計軟件分析數據。計量資料比較采用獨立樣本的t檢驗；計數資料比較采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2　結　　果

2.1模型情況試驗組數字三維虛擬結石腎臟模型均成功建立，模型均能夠清楚顯示輸尿管，腎盂腎盞集合系統，結石大小、位置及數目等，結石大小、位置分布以及結石與腎盂腎盞的關系均顯示良好(圖1)。

圖13D虛擬內鏡圖像

A.3D整體圖像;B.軟鏡視角范圍;C.軟鏡視角范圍(內部觀);D.腎下盞結石

Firgure 13D virtual endoscopy models

2.2手術情況術者術前針對試驗組患者數字三維虛擬結石腎臟模型，結合CT檢查結果進行術前規劃和模擬練習。30例手術均順利完成，無輸血病例。

2.32組術中和術后指標比較試驗組確定目標盞時間、第一次系統探查腎盞時間均短于對照組，試驗組清石率高于對照組，試驗組并發癥(出血、感染等情況)發生率少于對照組(P<0.05)，2組恢復時間(拔出導尿管、下床活動時間等)、住院時間差異均無統計學意義(P>0.05)，見表2。

表22組患者術中術后相關指標比較

組別確定目標盞時間(min)第一次系統探查腎盞時間(min)拔除導尿管時間(d)下床活動時間(d)住院時間(d)清石率(%)并發癥(例數,%)試驗組10.2±2.69.5±3.63.7±0.62.9±0.54.8±1.685.8±4.61(6.7)對照組18.4±5.825.2±9.64.1±0.53.1±0.45.1±1.070.1±1.66(40.0)t/χ24.9975.9311.9841.2100.61612.4854.658P0.0000.0000.0570.2370.5430.0000.031

3　討　　論

隨著腔鏡制造技術和鈥激光碎石術的發展，絕大多數上尿路結石患者已無需行開放手術治療。尤其是腎結石，為泌尿系多發疾病之一,占泌尿科手術的40%。而輸尿管軟鏡技術則為腎內結石的處理提供了一條有效、安全的治療途徑。但是，輸尿管軟鏡攝像系統是二維圖像，術者不易辨距、定位，操作空間小，腎內無明顯的解剖標志。輸尿管軟鏡進入腎盂后，術者首先要分辨清楚腎盂及上、中、下盞，以及各盞的相對位置，這就要求把握軟鏡的方向，分清腎內解剖位置，結石才能夠找到。

而隨著計算機技術、圖像處理技術、三維醫學成像技術、虛擬現實技術等現代信息技術的發展，出現了一種實用的三維醫學可視化工具——虛擬內鏡技術。虛擬內鏡是利用由CT、MRI圖像獲得三維醫學影像數據, 通過虛擬成像和可視化技術，由計算機顯示連續的三維器官內腔結構視圖。使用者可以沿這個虛擬的內部空腔做飛行觀察，模擬傳統的內鏡檢查過程，所看到的景象就像用視頻內鏡觀察到的一樣，甚至還可以顯示解剖結構的三維外觀圖像以及各個方位的CT和MRI切片圖像[8-13]。Li等[14]利用三維重建軟件進行圖像分割與三維重建，建立數字化患者腎結石三維模型，模型反映了患者真實的解剖學結構，詳細顯示了患者腎臟集合系統與結石的空間位置關系，以及結石數目及位置的關系。

本研究成功建立3D虛擬結石腎臟模型，術者通過對腎臟的結石分布以及與腎盂、腎盞位置關系毗鄰的整體把握，在真實手術過程中能夠順利且快速地進入目標腎盞，并且不遺漏腎盞及結石，大大縮短了手術時間，也避免了因方向選擇的誤區造成的反復進鏡而使手術時間延長、腎盂內高壓逆行感染及副損傷等問題，充分體現了3D虛擬模型對于術前規劃的重大意義和絕對優勢。如果術前利用3D虛擬模型的直觀效果有針對性地講解手術操作過程以及術后可能發生的意外情況、并發癥等，可使術前談話溝通更加充分，以解除患者及家屬對于手術取石的迷惑和顧慮，將會取得良好的效果。

3D虛擬內鏡技術作為信息數字化技術革命的產物和數字化醫學多媒體項目，不是對原始圖像、數據的簡單組合，而是講求對手術部位的更深入、多層次的研究。在這一操作中，以明確的目標為方向，積極采取生動的視覺化交互演示手段，對相關內容進行深入研究，并最終研發出科學、高效的產品，促進醫學及各個領域的全面發展[15-16]。3D虛擬內鏡技術已開始步入泌尿外科臨床腔鏡手術中，其應用發展前景是光明的，相信將來會更好地服務于患者。

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(本文編輯：許卓文)

The clinical value of 3D virtual endoscopy technology in ureteral soft lens lithotripsy in the treatment of kidney stones

JIA Xiao-peng, GUO Yue-xian, WANG Wei, JIANG Yu-qing

(Department of Urology, the Third Hospital of Hebei Medical University,Shijiazhuang 050051, China)

ObjectiveTo investigate the application of 3D virtual endoscopy technology in kidney stone patients who accepted soft ureter mirror treatment and to further discuss whether it can improve the efficiency and security of lithotripsy. MethodsThe patients were divided into research group and control group randomly according to the odevity of the last number of the ID number, the former using 3D virtual endoscopy and the latter using the conventional radiographic inspection. The 30 cases all accepted 64 layers spiral CT scan with non-and enhancement and thin layer were reconstructed after the scan. The CT results of research group were stored by DICOM format file, which later treated by Mimics software in order to obtain the patients′ kidney collecting system 3D models by 3D virtual endoscopy. The following parameters in 2 groups of surgical patients were observed: the time of the target, the first time the system to explore the time of the kidney, the time of removing the catheter, the time of getting out of bed and rate of stone clearance and incidence of complications. ResultsThirty cases of surgery were completed successfully. The 3D virtual endoscopy models of 15 patients in research group were successfully established, which showed clearly images in the kidney collecting system, the size and the location of the stone, location and the good relationship between kidney and stone. The time to determine the target kidney calices and the first time to detect every kidney calices were less in 3D virtual endoscopy models. The removing stone rate and the postoperative complications were significantly superior to the conventional radiographic inspection group(P<0.05).There is no statistically significant difference in recovery time(such as urethral catheter time, postoperative activity time, etc) and days of hospitalization. ConclusionThe application of 3D virtual endoscopy techniques can improve the efficiency of gravel and reduce postoperative complications in the process of using soft ureter mirror in kidney stone patients.

kidney calices; ureteral soft lens lithotripsy; virtual endoscopy techniques

2016-08-22；

2016-10-10

賈曉鵬(1979-)，男，河北石家莊人，河北醫科大學

R692.4

A

1007-3205(2016)10-1126-05

第三醫院副主任醫師，醫學博士，從事泌尿外科疾病診治研究。