3D打印技術在腎臟鑄型結石經(jīng)皮腎鏡手術中的應用

王江平, 許志斌, 卞 浩, 郭毛毛, 牛天力

(江蘇省泰州市人民醫(yī)院 泌尿外科, 江蘇 泰州, 225300)

3D打印是通過計算機進行三維成像，再分層加工、疊加成型的方法，是逐層累加原材料制作3D實體的工業(yè)技術[1]。近年來, 3D打印技術以其直觀地展示人體器官、組織的立體形態(tài)的優(yōu)勢，逐漸應用于手術設計、醫(yī)學教育、手術導板及植入物制作等個體化醫(yī)療領域[2], 但在泌尿外科中的應用尚處于起步階段。作者初步將3D打印技術應用于腎鑄型結石行經(jīng)皮腎鏡取石術(PCNL)患者中，現(xiàn)將結果報告如下。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取本院2016年9月—2018年12月腎鑄型結石患者5例，男4例，女1例，平均年齡(41.7±6.1)歲，平均體質量(69.5±11.1) kg。所有患者均符合PCNL手術治療指證，無明顯手術禁忌證，腎鑄型結石體積(39.3±7.7) cm3, 無明顯腎積水。

1.2 3D打印腎鑄型結石模型

使用256排螺旋CT進行上、中腹部的薄層掃描，層厚0.5 mm, 獲取腎臟平掃期的結構圖像。將CT掃描獲得的二維灰度DICOM格式圖像數(shù)據(jù)輸入Mimics進行三維重建，利用閾值分割、區(qū)域生長法、布爾函數(shù)等工具進行圖像分割，并采用多層編輯人工分割方法進行修飾。腎結石、脊柱、肋骨采用平掃期圖像進行分割重建。通過配準后對模型進行去噪、平滑以及精細填充，最終重建出部分脊柱、肋骨、腎鑄型結石的3D數(shù)字模型。將3D數(shù)字模型輸入3D打印機，以polylactic acid為材料打印出腎鑄型結石的3D模型。

1.3 3D打印腎鑄型結石模型在PCNL中的應用

與患者溝通、交流腎鑄型結石3D打印模型，設計調查問卷以評估3D打印模型在醫(yī)患溝通中的作用，問卷共4個問題: ① 對利用3D打印模型進行術前談話的滿意度; ② 3D打印模型對患者理解病情的幫助程度; ③ 3D打印模型對患者理解手術方案的幫助程度; ④ 3D打印模型對患者理解術后殘留結石的幫助程度。術前完成問卷，共5份，問卷每個問題評分為l～10分，1分為不滿意或沒有用，10分為非常滿意或十分有用。

由于腎鑄型結石的特點是結石填充整個腎臟集合系統(tǒng)，患者結石模型的三維形態(tài)即代表腎臟集合系統(tǒng)三維形態(tài)。選擇和周圍腎盞多成鈍角的腎盞為目標腎盞(圖1A、B)，經(jīng)過目標腎盞軸徑的穿刺通道即為最大化取石通道，根據(jù)患者結石及腎盞分布，挑選出2～3個目標腎盞作為最大化取石通道。如果設計的取石通道和周圍某個腎盞的夾角<60°, 則預測該腎盞內結石為殘留結石(圖1C)。

A、B: 不同角度立體觀察擬定取石通道(黃色線)與臨近腎盞(紅色箭頭)的夾角均為鈍角;C: 取石通道的目標腎盞(黃色箭頭)與周圍腎盞夾角<60°, 預測該腎盞(藍色線)內結石為殘留結石

圖1利用腎臟鑄型結石3D打印模型設計取石通道

術前利用3D打印模型上的十二肋為參照物，將筋膜擴張器放置于目標腎盞軸徑位置，觀察筋膜擴張器與十二肋尖的位置關系(圖2A)。利用直角定位法進行穿刺點定位，以筋膜擴張器在十二肋水平面的交點為預定穿刺點，沿預定穿刺點平行于人體背部中線放置三角尺一直角邊，沿著十二肋尖部放置三角尺另一直角邊，記錄十二肋尖及預定穿刺點上的刻度值(圖 2A)。在人體表面標記十二肋尖，利用三角尺上的兩個直角邊上的刻度值在人體背部精準還原預計穿刺點，即為實際皮膚穿刺點(圖2B)。

所有患者事先在截石位下經(jīng)輸尿管逆行置入輸尿管導管至患側腎盂，并經(jīng)輸尿管導管緩慢注入生理鹽水，制造人工腎積水。取俯臥位，術中運用超聲探頭圍繞定位的穿刺點進行探查，在3D打印模型的引導下進行目標腎盞穿刺(圖2C)。手術中利用3D打印模型引導腎鏡在集合系統(tǒng)內進行腎盞探查及碎石。術前、術后CT掃描和手術操作均取俯臥位進行，為避免患者呼吸造成腎臟移位引起的誤差, CT掃描及穿刺均在吸氣末進行。

記錄實際穿刺目標腎盞數(shù)量，穿刺時間，術后通過腎造瘺管注入造影劑并進行CT掃描和3D重建、收集殘石數(shù)據(jù)，和術前預測的通道數(shù)目，通道路線，殘石部位、數(shù)量進行比對，評價3D打印腎結石模型在 PCNL中的應用價值。

A: 利用直角定位法進行穿刺點定位，利用直角兩邊上的刻度(黃色線段)定位預定穿刺點與十二肋尖之間的位置關系;B: 利用直角定位法進行皮膚穿刺點定位，利用直角兩邊上的刻度(黃色線段)在患者皮膚上精準還原出穿刺點位置(白色箭頭);C: 術中在腎臟鑄型結石3D打印模型引導下進行經(jīng)皮腎穿刺及取石; D: 術后3D重建顯示取石通道經(jīng)過腎盞軸徑進入目標腎盞

圖2利用腎臟鑄型結石3D打印模型進行穿刺點定位及引導穿刺

2 結 果

成功3D打印制作5例患者的個性化腎臟鑄型結石模型，3D打印模型在體外1︰1精準再現(xiàn)腎臟鑄型結石的復雜立體形態(tài)，以及腎結石與十二肋的位置關系等。問卷4個問題的得分為(8.9±0.7)、(8.1±0.7)、(8.5±0.8)、(9.1±0.7)分，患者對使用3D打印腎鑄型結石模型進行術前溝通的效果非常滿意。利用腎鑄型結石3D打印模型共設計13個目標腎盞作為最大化取石通道，其中后組上盞5個，后組中盞5個，后組下盞3個，共13個目標腎盞，術中按照設計完成所有13個預計目標腎盞的穿刺，其中1例患者增加1個前組中盞為目標腎盞，目標腎盞符合率為93.0%。成功利用直角定位法完成13個預計目標腎盞的皮膚穿刺點定位，并在腎鑄型結石3D模型的輔助引導下完成經(jīng)目標腎盞軸徑的穿刺，每個目標腎盞穿刺時間平均為(7.3±2.6) min。手術中在3D打印模型的引導下，可快速熟悉腎鏡下集合系統(tǒng)內立體形態(tài)，并快速引導腎鏡進入各個腎盞。 術后3D重建顯示穿刺點與術前預計穿刺點符合率為92.0%, 穿刺通道和腎盞軸徑的符合率為100.0%。術后結石殘留位置和數(shù)量均符合術前預測, 5例手術均順利完成，術中出血少，術后第2天檢查血紅蛋白較術前平均下降(8.8±3.5) g/L, 無輸血或者介入治療。

3 討 論

腎臟鑄型結石是腎結石將腎臟集合系統(tǒng)全部充滿的一種特殊類型的復雜性腎結石，研究[3-4]顯示如果鑄型腎結石不能得到良好的治療，將會導致患者腎功能喪失，嚴重者可導致尿膿毒癥，甚至危及生命。腎鑄型結石的治療方法主要包括腎切開取石術和PCNL。隨著微創(chuàng)設備和技術的快速發(fā)展, PCNL已經(jīng)成為腎鑄型結石治療的“金標準”[5-6]。雖然PCNL手術較開放的腎切開取石術具有創(chuàng)傷小、出血少、清石率高、保護腎組織等優(yōu)點，但結石體積巨大、結構復雜、合并感染等特點使得腎鑄型結石仍然是PCNL時面臨的最大難點[7]。PCNL治療腎鑄型結石存在的并發(fā)癥主要包括術中、術后大出血，結石殘留等，分析認為對腎鑄型結石復雜的立體形態(tài)認識不足、穿刺通道設計不合理、目標腎盞穿刺不精準是導致上述并發(fā)癥的主要原因[8]。

在泌尿外科領域，作者利用3D打印技術以鈦合金、PEEK等為原材料，個性化地設計制作了與患者血管及周圍組織高度適形的血管外支架，首創(chuàng)一種微創(chuàng)、安全、有效治療胡桃夾綜合征的新方法[9]。作者還利用3D打印的方法成功完成了內生性腎臟腫瘤的術中精準定位[10]。本研究中，作者將3D打印技術用于腎鑄型結石的精準診斷、經(jīng)皮腎通道的設計、經(jīng)皮腎穿刺、術中引導以及醫(yī)患溝通等方面，并評估其臨床應用效果。

首先，以往X線、超聲的二維圖像需要經(jīng)過術者思維的抽象三維化轉換，往往導致信息丟失或錯誤，進而導致手術決策的偏差，而3D打印腎鑄型結石模型在體外1︰1精準再現(xiàn)患者復雜的腎結石立體形態(tài)，術者可以直觀、全面、精準地閱讀出結石的形態(tài)細節(jié)，避免了不同維度之間信息轉換中的丟失和偏差。其次，以往經(jīng)皮腎通道的設計主要依靠術者的經(jīng)驗和主觀判斷，往往因為通道選擇錯誤而無法達到最大化的取石效果。由于腎鑄型結石形態(tài)和腎集合系統(tǒng)形態(tài)一致，作者依靠3D打印鑄型腎結石模型可以精準測量每個腎盞到達腎盂及相鄰腎盞的角度，從而客觀地挑選出可達最大化取石效果的目標腎盞。最重要的是利用3D打印腎鑄型結石模型可以精準引導經(jīng)皮腎穿刺。經(jīng)目標腎盞軸徑的穿刺是PCNL成功的關鍵，在解剖上可以最大化避免血管的損傷，同時獲得最大的腎鏡活動度。常用的X線、B超二維引導方法無法精準定位皮膚穿刺點和穿刺路線，這是目前PCNL最大的技術瓶頸。作者術后驗證在3D打印模型引導下，通過直角定位法可以在患者皮膚上準確定位穿刺點，同時可以引導穿刺針沿著目標腎盞軸徑進行穿刺，從而精準建立通道，避免了出血等并發(fā)癥。另外，術者手術中可以在3D打印模型的引導下快速熟悉集合系統(tǒng)內部復雜的空間結構，探查各個腎盞并尋找隱匿的殘石?；颊咄ㄟ^3D打印模型可以在術前直觀、形象地了解自身病情，理解手術方案及手術相關并發(fā)癥，加之3D打印鑄型腎結石模型在殘留結石預測方面也具有顯著的直觀性以及準確率，患者對依托3D打印模型的醫(yī)患溝通滿意度較高。