以CT 图像数据为基础的肾脏数字三维成像在经皮肾镜碎石术治疗复杂肾结石中的应用*

曹 溆 曾宇枭 王跃力

(中国人民解放军联勤保障部队第920 医院泌尿外科,昆明 650000)

我国肾结石的患病率达到6.4%[1],治疗方式包括经皮肾镜碎石术(percutaneous nephrolithotomy,PCNL)、输尿管软镜碎石、体外冲击波碎石等。PCNL是＞2 cm 肾结石[2]和复杂上尿路结石[3]的最优治疗方式,难点及关键步骤在于手术通道的建立。CT 为术前定位常规检查,术中最常用超声辅助结石定位,二者结合辅助穿刺,往往能成功建立手术通道。尽管如此,肾出血仍然是最常见和最难处理的并发症之一,其他严重的并发症还有术后发热和急性肾功能损害[4],降低上述并发症发生率最好的方式是避开血管使用最小的通道建立手术入路。基于增强CT 的数字三维成像技术已广泛应用于临床[5,6],2018 年1 月～2019 年12 月我们利用增强CT 的原始数据进行肾结石、周围邻近血管和集合系统的数字三维重建,辅助制定手术预案,对16 例复杂上尿路结石PCNL 进行术前穿刺定位(A 组),并与16 例复杂上尿路结石PCNL 仅利用CT 图像进行规划手术(B 组)进行比较,旨在探讨以CT 图像数据为基础的肾脏数字三维成像在PCNL 治疗复杂肾结石中的应用价值。

1 临床资料与方法

1.1 一般资料

本研究经我院伦理委员会审批[批文号:2020 -075(科) -01]。本研究32 例,男21 例,女11 例。年龄(51.7 ±7.6)岁。腰背部疼痛16 例,腹部包块1 例,体检腹部B 超检查发现肾结石15 例。左侧手术15 例,右侧手术17 例。结石最大径(27.2 ±4.5)mm。单发结石6 例,多发肾结石26例,其中马蹄肾肾结石1 例,孤立肾肾结石2 例,鹿角形肾结石3 例。合并原发性高血压11 例,糖尿病8 例,慢性肾功能不全5 例。5 例有单侧输尿管镜碎石取石术史,3 例有单侧腹腔镜下肾囊肿去顶减压术史。根据患者本人意愿及医生推荐分为2 组,每组16 例:A 组术前依据CT 图像数据进行数字三维重建后规划手术,其中双侧结石优先处理较容易处理一侧;B 组利用CT 图像进行规划手术。2 组患者除结石数目有统计学差异外(P=0.018),其他情况差异无显著性(P＞0.05),见表1。

表1 2 组患者一般资料比较(n=16,)

表1 2 组患者一般资料比较(n=16,)

a:原发性高血压;b:肾功能不全;c:糖尿病*Fisher 精确检验

病例选择标准:影像学检查提示最大径＞2 cm的肾结石。排除标准:①严重心肺功能不全;②代谢功能异常;③合并恶性肿瘤;④合并全身严重感染;⑤凝血功能异常;⑥合并精神疾病。

1.2 方法

1.2.1 A 组模型重建 利用我院64 层螺旋CT[美国通用电气公司,型号Lightspeed VCT,批文号:国食药监械(进)字2008 第3311679 号(更)]获取原始数据制作三维重建模型。取仰卧位,分别行平扫期、动脉期、静脉期、肾盂排泄期扫描。动脉期、静脉期和排泄期延迟扫描时间分别为注射造影剂后25、60 s 和600～900 s[7]。完成CT 4 个时相期扫描后,对原始图像数据层厚进行1 mm 扫薄处理。然后将患者CT 原始数据导入Mimics 21.0 软件中,运用自动阈值分割算法和人工分割方法进行图像分割以及三维重建。在经验丰富的影像科医师以及泌尿外科医师的合作下进行数据阈值的选取和人工图像分割。重建的肾脏数字化三维模型中关键的解剖结构包括肾段动脉、叶间动脉、集合系统、半透明的肾脏、结石。重建模型如图1 所示。

图1 重建的肾脏数字化三维模型(红色为表血管,蓝色为肾脏,黄色为结石)图2 数字三维重建后穿刺点的选择 图3 A 组患者重建的三维图像 A.左侧输尿管结石伴右肾结石;B.马蹄肾伴双肾多发结石

1.2.2 A 组基于重建模型的手术辅助 术前在重建的模型上用鼠标拖拽调整角度,可任意旋转、移动肾脏,明确结石与集合系统、动脉及周围邻近组织的关系。选择拟穿刺点,通过测量皮肤穿刺点与目标肾盏的深度,穿刺点与后正中线的距离,与第12 肋的关系,结石大小,规划穿刺角度,进针深度,避开明显的血管。拟穿刺点的选择定位靠两线定位:即与后正中线的水平距离为A 线,与第12 肋尖的垂直距离为B 线,A、B 两线的交点即为选择的拟穿刺点。穿刺点选择见图2。术中依靠B 超实时定位,根据术前重建模型规划的穿刺点、穿刺角度、穿刺深度,利用B 超迅速定位并可做微量调整,然后进行PCNL 常规手术步骤。

1.2.3 B 组基于CT 图像的手术辅助 同法进行4 期扫描后,术前术者对CT 图像仔细阅片,了解肾脏结石分布情况以及结石形态后,选择拟穿刺部位。拟穿刺部位的定位方法:与后正中线的水平距离为Y 轴,该层面在CT 上与脐扫描层面的距离为X,在Y 轴上标记距离X,即为大致穿刺部位。术中依靠B 超实时定位调整,然后进行PCNL 常规手术步骤。

1.3 观察指标

手术时间(从穿刺开始到肾造瘘管置入完毕)、出血量(术后当天血红蛋白与术前相比下降值)、输血率、清石率(术后4 周拔出双J 管后复查腹部CT,无4 mm 以上结石残留认为结石完全清除)、住院时间(出院标准:患者一般情况良好,连续2 次复查血红蛋白稳定、双J 管位置正常、肾造瘘无漏尿)、并发症[发热(体温≥37.5 ℃);顽固且无法忍受的穿刺部位疼痛;术后手术通路出血(肾造瘘管引流液持续变红且不缓解);肺部感染(咳嗽、咳痰及胸部CT提示肺部实变);水外渗引起的腹腔或腹膜后积液(腰背部或腹部异常隆起,CT 检查提示该区域水样密度影或者B 超提示低回声区)]。

1.4 统计学处理

采用SPSS 21.0 软件进行统计学分析。正态分布的计量数据用x±s表示,采用独立样本t检验,计数资料采用χ2检验。P＜0.05 差异有统计学意义。

2 结果

A 组患者均成功重建三维图像,图像包括肾脏、结石、肾内重要血管、集合系统、邻近重要器官(图3)。A 组手术时间、出血量(血红蛋白下降值)及住院时间明显短于/少于B 组(P＜0.05)。2 组患者术中均未输血,无严重并发症发生,2 组一期清石率差异无统计学意义(P=1.000),见表2。2 组患者术后均通过肾石通颗粒排石、碱化尿液、充足饮水等方式预防结石复发。32 例术后3 个月复查KUB 及腹部CT 平扫,均未发现结石复发(新增4 mm 以上结石)。

表2 2 组患者观察指标比较(n=16,)

表2 2 组患者观察指标比较(n=16,)

*2 例发生穿刺部位无法忍受的疼痛,需要非甾体类药物止痛**Fisher 精确检验

3 讨论

3.1 当前建立手术通道的常用方法

PCNL 是目前处理大的多发性肾盂肾盏结石及复杂上尿路结石的推荐方案[8],但是建立目标肾盏的入路具有挑战性[9],更详细的术前影像可以更好地帮助我们进行穿刺,也是是目前PNCL 的研究热点。当前辅助穿刺的方法很多,包括新型电磁导航系统[10]、可视穿刺针头[11]、磁场下超声导航系统[12]进行辅助穿刺等,可有效降低穿刺难度,但是存在设备价格昂贵、国内未引进、应用不成熟、肥胖患者不适用等问题。目前,术前CT 成像联合术中超声辅助定位结石的方法较为成熟,对设备要求不高。但超声仅能提供二维、低分辨率且不完整的图像,对于复杂肾结石的PCNL,如马蹄形肾肾结石、鹿角形肾结石或多发性肾结石,手术并发症风险较高,包括出血和损伤邻近的解剖结构(胸膜、结肠、脾脏和肝脏)[13]。复杂上尿路结石病人因肾脏长期负荷过重导致肾脏血流丰富,血管走行异常,穿刺扩张时容易出血,同时结石复杂多变,残石率、出血和感染的发生率都更高[14]。

3.2 以CT 图像数据为基础的肾脏数字三维成像的优势

基于目前成熟的技术,我们使用三维重建方法进行PCNL 处理肾结石,为选择最佳的经皮穿刺通道提供必要的信息。当前所有医院均可开展CT 检查,只要收集原始CT 数据后,即可行数字重建,术前在电脑上拖拽重建的半透明图像可以确定一个合适的通道来反复模拟穿刺,以避免损伤邻近的解剖结构。同时通过对集合系统、重要血管、结石的图像进行融合,在进行穿刺时也更加得心应手,使术前繁琐的定位过程变得更加容易,穿刺通道的建立更加迅速,A 组患者手术时间明显短于B 组,缩短手术时间也降低出血风险。因严重的出血往往是肾段动脉引起[15,16],术前设计必须考虑以最小的无血管区(避开肾段动脉)进入以避免严重的出血。目前临床成熟使用的两步法经穹隆穿刺因直接进入肾椎体可避免叶间动脉的损伤。林方优等[17]报道人的肾脏中很可能存在融合肾椎体的情况,在融合肾椎体之间必然存在叶间动脉,术中超声往往无法辨别这一解剖结构,如果穿刺目标肾盏是融合肾小盏,那么血管损伤的风险必将增加,这也可以解释临床手术中穿刺未损伤肾柱而部分病人却仍然存在严重的出血现象。A 组包括2 例孤立肾,1 例马蹄肾,与周围组织的解剖关系与正常人有一定差异,手术及出血的风险更高,尤其是马蹄肾患者因肾下极在脊柱前融合,往往合并肾旋转不良,输尿管在肾前方下行与肾盂高位连接,脊柱及骨盆对部分结石的遮挡使术中超声定位变得困难[18],穿刺建立通道时容易造成出血及损伤输尿管,通过重建模型可以更直观显示肾脏血管与集合系统及结石的关系,从而降低损伤叶间动脉及周围组织的风险。A 组患者出血量和住院时间明显低于/短于B 组,也间接印证进行数字重建后损伤大血管的风险得到降低。三维同步肾盂血管造影可以更加清晰显示肾盂及肾脏血管,术中能够更好避免肾内动脉的损伤[19]。但该成像方法需要的放射剂量大,术中需要持续不间断成像,对医生及患者均有大剂量放射辐射。利用术前已经扫描好的CT 数据重建结石的三维模型以及每个病人的相关解剖结构,把原始CT 数据导入三维重建软件Mimics 进行图像分割,重建后的三维模型,通过调节肾脏的透明度,可以直观地显示肾内主要血管、集合系统和结石之间的相互关系,避免术中进行反复成像,降低术中辐射,缩短手术时间。该方法明确有助于术前规划及手术中取石,本研究由于样本量不大,2 组患者清石率较高(分别为93.8%、87.5%),但差异无统计学意义(P=1.000)。

3.3 以CT 图像数据为基础的肾脏数字三维成像的局限性

本研究存在一定的局限性。术前需要采集四期(平扫期、动脉期、静脉期、排泄期)CT 图像,采集时间较长,患者接受放射剂量较大,同时需要患者呼吸及体位配合,术中没有实时性图像的采集及重建,一旦患者体位发生变动可能会影响术中定位。B 组均为多发性肾结石,A 组6 例单发肾结石,2 组患者结石数目差异有显著性(P=0.018),但2 组结石最大径无明显差异(t=-0.127,P=0.900),均有PCNL的手术指征,不影响术式的选择及术后观察指标的监测。另外,数字重建会增加患者的治疗费用,给一部分贫困患者增加经济负担。

多层螺旋CT 三维重建辅助PCNL 治疗复杂尿路结石具有以下优点:图像清晰,可获得多方位立体的图像;明确降低术中出血及损伤周围器官风险;术前在电脑上反复模拟穿刺,缩短手术时间并获得更高的一期无结石率。仔细行血管重建可以避免穿刺可能存在的融合椎体中的叶间动脉,通过三维重建有助于更好的理解肾动脉和集合系统的解剖知识,对低年资医生进行泌尿外科手术训练,缩短手术学习曲线具有积极的意义。