基于CT圖像的數字化腎結石三維模型的建立及經皮腎鏡碎石術虛擬仿真研究.pdf

1、背景和目的: 腎結石是泌尿系多發(fā)疾病之一，占泌尿科手術的40％。經皮腎鏡碎石術(PCNL)以其創(chuàng)傷小及結石清除率高為特點，已經成為治療大結石、多發(fā)結石或下盞結石的金標準。
　　 腎臟是血供非常豐富的內臟器官，靜息狀態(tài)下腎血流量占心臟總輸出量的20％～25％，腎動脈在腎內呈節(jié)段性分布，缺乏交通支，一旦受到損傷，將導致其支配區(qū)域失去動脈血供，而造成該區(qū)域的缺血壞死、功能喪失。腎動脈走向并不是沿著或者跟隨腎盞的排列，腎臟凸緣后方1cm

2、處的相對無血管區(qū)Brodel切線并不揭示所謂的無血管區(qū)。G raves等通過腎臟集合系統鑄型研究，腎盂腎盞排列方式分為A、B、C、D型，最為常見的D型，腎盂小球形，腎盞呈細長干狀，由于腎盞重疊、交替融合，通常應用CT掃描三維重建或進行斜位和側位IVP攝片方能顯示其立體結構。馬蹄腎等腎旋轉異常先天畸形常伴有腎門部動靜脈的異常，腎血管的分布及集合系統形態(tài)更難以預測。
　　 腎臟本身內部解剖及毗鄰臟器差異性及結石引起腎結構病變的復雜性

3、，經皮腎鏡碎石術作為治療腎結石的精標準，依然存在很多不可預測。PCNL最常見的并發(fā)癥是出血和感染，術中、術后大出血約為13.7％;其次是胸膜損傷，發(fā)生率為4.5％-16％;其他較為少見的是周圍毗鄰臟器損傷，發(fā)生率約為0％至0.4％。對于復雜性結石往往需要多通道或多階段的碎石，均會增加手術出血風險。大出血原因主要為動靜脈瘺或手術造成的假性動脈瘤形成，往往需要腎動脈栓塞治療。如何提高治療腎結石的一次性清除率和減少手術并發(fā)癥是PCNL研究發(fā)展

4、的關鍵。腎結石的清除率與結石大小、位置、分布、集合系統的關系密切相關，明確腎內動脈分布及腎盂腎盞之間的分布關系，將有助于評估患者手術風險，建立合理的穿刺路徑。
　　 PCNL手術最關鍵和最難的地方在于穿刺通道的建立，手術的風險及結石清除率在很大程度上與腎穿刺路徑的選擇和建立有關。目前穿刺通道的建立主要采用B超和X線定位，圖像為二維平面，操作者不易把握穿刺角度，無法清晰分辨腎血管的分布情況及周圍臟器的毗鄰關系，因此無法較好避免對血

5、管及周圍臟器的損傷;而且部分患者病情較為復雜，可能存在解剖變異如馬蹄腎、腎臟旋轉不良，增加了手術風險。彩超能顯示動靜脈血流，有助于穿刺避免大血管損傷，一定程度減低了手術大出血的風險，然而其提供二維圖像對穿刺通道規(guī)劃性不強，腎內部結構顯示的不清，穿刺定位很難達到合理性。
　　 國內外對如何快速合理的建立穿刺通道進行了相關研究，最引起關注的是三維可視化技術的應用，Patel U等對腎結石患者進行集合系統的三維重建，術前充分了解結石形

6、態(tài)，結石與集合系統的空間分布位置，為經皮腎鏡碎石術中穿刺部位的選擇提供了指導。Oliveira-Santos等采用計算機結合腎集合系統三維模型進行輔助穿刺進入集合系統，在人體模型上設立標志點，通過采集術中圖像與腎集合系統三維模型進行融合，進行穿刺引導。A.D.Zarrabi等設計了機械性的經皮腎穿刺定位設備，彌補C臂二維圖像的不足，促進穿刺的快速定位，減少術者遭受的輻射量。Jens J.Rassweilera等通過ipad后置攝像頭采集

7、術中圖像，通過與術前的腎結石結構模型進行融合指導2名患者進行PCNL穿刺初步證實是有效可行的。然而大多腎臟的三維重建只基于CT的單時相期數據進行三維重建，單一采用動脈期或腎盂分泌期的腎臟CT數據集進行重建，未能達到真正意義的腎臟三維可視化，僅僅為能進入集合系統，并未能能考慮是否獲得最佳穿刺路徑。
　　 為此，將3D工程學與醫(yī)學的進一步結合，利用虛擬可視化技術，將現代影像學、計算機圖像處理、解剖學和泌尿學相結合，研究基于64排CT

8、圖像建立數字化腎結石三維模型，為患者進行個體化全面的手術規(guī)劃。并采用自由設計系統(FreeForm Modeling System)，在腎結石三維模型上進行研究PCNL手術虛擬仿真，為提高PCNL一次性碎石率，減少并發(fā)癥提供一項新技術。
　　 方法:
　　 （一）基于CT圖像的數字化腎結石三維模型的建立
　　 南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院泌尿外科2012年1月至2012年6月腎結石患者30例，男16例，女14例，平均年齡

9、49.6(35-63)歲，左腎結石16例，右腎結石14例。
　　 空腹4小時后，患者俯臥位胸腹部墊枕進行CT掃描，采集腎臟64排CT圖像數據，包括平掃期、動脈期、靜脈期、腎盂排泄期。動脈期采用自動閾值觸發(fā)技術定時掃描，取腹主動脈斷面為興趣(ROI)，觸發(fā)閾值設定為200Hu，同步啟動對比劑注射及掃描程序，閾值達200Hu自動開始掃描。自注入靜脈造影劑開始，靜脈期延遲65s進行掃描，腎盂分泌期延遲600-900S掃描。采用MIMI

10、CS10.0(Materialise公司，比利時)對CT圖像分割和進行三維重建，圖像分割基于使用剖面線閾值分割法、區(qū)域生長、布爾函數(Boolean function)等方法來分割圖像，并采用多層編輯人工分割方法進行修飾。在不同時相期的CT數據分別分割重建腎臟內部及毗鄰臟器結構。包括腎臟大體、腎結石、腎動靜脈及其分支，腎集合系統及毗鄰相關結構肺下部、肝臟或脾臟、脊柱、腰部皮膚。通過各個時相期重建的腎臟實質模型設置多個標志點進行計算自動配

11、準，再通過三維X、Y、Z軸的位移和旋轉調整進行人工輔助調整，逐一完成配準、融合構建一體化腎結石三維模型。
　　 由兩名經驗豐富的泌尿外科醫(yī)師對三維圖像質量進行評分和記錄，有效完整重建腎結石三維模型的指標為:能同時顯示腎結石、腎內血管、集合系統之間的解剖關系，腎臟以及毗鄰器官顯示清楚，邊界光滑完整無斷裂。腎內動脈能分辨至三至四級分支，腎內靜脈能分辨一至二級分支，集合系統清晰光滑完整。經過統計分析基于CT圖像建立腎結石三維模型的有效

12、性。
　　 （二）基于腎結石三維模型的經皮腎鏡碎石術虛擬仿真研究
　　 采用3D Studio Max2012軟件制作建立PCNL仿真手術器械3D模型，包括手術刀、穿刺針、導絲、筋膜擴張鞘、碎石桿。由一名經驗豐富的泌尿外科手術醫(yī)師，在腎臟及腎結石三維模型的進行數據測量，包括結石大小、腎臟大小等，操作模型進行放大、旋轉，和透明化達到對內部結構的可視化，根據其提供的詳細的患者生理解剖學結構，采用仿真手術器械3D穿刺針在模型腰

13、壁皮膚上進行穿刺定位，全面規(guī)劃經皮腎穿刺路徑。記錄穿刺點、路線及穿刺深度。
　　 將帶有穿刺針的腎結石三維模型導入到3D觸覺式設計系統(FreeFormModeling Plus)，操作FreeForm系統三維鼠標，使用PCNL仿真手術器械進行PCNL手術仿真操作，包括留置輸尿管導管、擴張建立通道，碎石及置入腎造瘺管等過程。
　　 結果:
　　 （一）基于CT圖像的數字化腎結石三維模型的建立
　　 一共3

14、0名患者參與了本次實驗，患者年齡平均年齡49.6歲，其中男16例，女14例，左腎結石16例，右腎結石14例，多發(fā)結石10例(33.3％)，鑄型結石6例(20.0％)，馬蹄腎結石1例(3.3％)，余13例為腎盂或腎盞結石(43.3％)。共采集了30套腎結石患者俯臥位的64層螺旋CT掃描圖像，層厚1mm，分為平掃期、動脈期、靜脈期、腎盂分泌期，CT圖像對比度高，空間分辨率高，圖像均勻、噪音偽影少。
　　 成功建立了30例患者的腎結石

15、三維模型，重建的腎臟輪廓清晰，能真實反映腎臟的實際體積，具有腎臟的解剖標志;腎動脈能清晰顯示腎動脈主干及四級分支，血管邊緣光滑，無呼吸運動偽影，腎靜脈顯示腎靜脈主干及其二級分支，血管邊緣模糊，集合系統管道結構清晰、連續(xù)、自然。腎結石三維模型直觀顯示結石的形態(tài)和數目及集合系統擴張程度。通過調節(jié)腎臟的透明度可同時顯示腎臟和腎內的動脈、靜脈和集合系統。能對模型放大、縮小和旋轉等其他全方位觀察的操作，形態(tài)逼真，立體感強。通過評分，有效完整的模型

16、的共有28例，2例因顯影劑充盈不足腎血管重建分支少、集合系統重建部分腎盞不顯示。基于CT圖像建立腎結石三維模型的有效性為93.3％。
　　 （二）基于腎結石三維模型的經皮腎鏡碎石術虛擬仿真研究
　　 建立了一套PCNL仿真手術器械模型，包括手術刀、穿刺針、導絲、擴張鞘、碎石桿等，手術器械模型逼真，具有三維可操作性。腎結石三維模型共28例，結石體積大小為7.8±2.4cm3，結石表面積21.1±12.0cm2，腎臟大小15

17、7.1±13.2cm3，平均穿刺通道深度為8.7±1.5cm。在28例患者腎結石三維模型上分別進行全面的手術規(guī)劃和穿刺定位，其中7例(25.0％)經皮腎穿刺手術規(guī)劃采用11肋間進行穿刺，3例(10.7％)根據多發(fā)結石分布情況設計了2通道一次性碎石方案。按照規(guī)劃設計的手術入路，采用FreeForm Modeling System操作在腎結石三維結構模型上完成個體化的PCNL虛擬手術仿真，包括定位穿刺、導絲引導下置入筋膜擴張器擴張、碎石、置