基于CT圖像的數(shù)字化腎結(jié)石三維模型的建立及經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)虛擬仿真研究.pdf

1、背景和目的: 腎結(jié)石是泌尿系多發(fā)疾病之一，占泌尿科手術(shù)的40％。經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)(PCNL)以其創(chuàng)傷小及結(jié)石清除率高為特點(diǎn)，已經(jīng)成為治療大結(jié)石、多發(fā)結(jié)石或下盞結(jié)石的金標(biāo)準(zhǔn)。
　　 腎臟是血供非常豐富的內(nèi)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(dòng)脈在腎內(nèi)呈節(jié)段性分布，缺乏交通支，一旦受到損傷，將導(dǎo)致其支配區(qū)域失去動(dòng)脈血供，而造成該區(qū)域的缺血壞死、功能喪失。腎動(dòng)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(duì)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(tǒng)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(xì)長(zhǎng)干狀，由于腎盞重疊、交替融合，通常應(yīng)用CT掃描三維重建或進(jìn)行斜位和側(cè)位IVP攝片方能顯示其立體結(jié)構(gòu)。馬蹄腎等腎旋轉(zhuǎn)異常先天畸形常伴有腎門部動(dòng)靜脈的異常，腎血管的分布及集合系統(tǒng)形態(tài)更難以預(yù)測(cè)。
　　 腎臟本身內(nèi)部解剖及毗鄰臟器差異性及結(jié)石引起腎結(jié)構(gòu)病變的復(fù)雜性

3、，經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)作為治療腎結(jié)石的精標(biāo)準(zhǔn)，依然存在很多不可預(yù)測(cè)。PCNL最常見的并發(fā)癥是出血和感染，術(shù)中、術(shù)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(duì)于復(fù)雜性結(jié)石往往需要多通道或多階段的碎石，均會(huì)增加手術(shù)出血風(fēng)險(xiǎn)。大出血原因主要為動(dòng)靜脈瘺或手術(shù)造成的假性動(dòng)脈瘤形成，往往需要腎動(dòng)脈栓塞治療。如何提高治療腎結(jié)石的一次性清除率和減少手術(shù)并發(fā)癥是PCNL研究發(fā)展

4、的關(guān)鍵。腎結(jié)石的清除率與結(jié)石大小、位置、分布、集合系統(tǒng)的關(guān)系密切相關(guān)，明確腎內(nèi)動(dòng)脈分布及腎盂腎盞之間的分布關(guān)系，將有助于評(píng)估患者手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，建立合理的穿刺路徑。
　　 PCNL手術(shù)最關(guān)鍵和最難的地方在于穿刺通道的建立，手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)及結(jié)石清除率在很大程度上與腎穿刺路徑的選擇和建立有關(guān)。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(guān)系，因此無法較好避免對(duì)血

5、管及周圍臟器的損傷;而且部分患者病情較為復(fù)雜，可能存在解剖變異如馬蹄腎、腎臟旋轉(zhuǎn)不良，增加了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。彩超能顯示動(dòng)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(shù)大出血的風(fēng)險(xiǎn)，然而其提供二維圖像對(duì)穿刺通道規(guī)劃性不強(qiáng)，腎內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示的不清，穿刺定位很難達(dá)到合理性。
　　 國(guó)內(nèi)外對(duì)如何快速合理的建立穿刺通道進(jìn)行了相關(guān)研究，最引起關(guān)注的是三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，Patel U等對(duì)腎結(jié)石患者進(jìn)行集合系統(tǒng)的三維重建，術(shù)前充分了解結(jié)石形

6、態(tài)，結(jié)石與集合系統(tǒng)的空間分布位置，為經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)中穿刺部位的選擇提供了指導(dǎo)。Oliveira-Santos等采用計(jì)算機(jī)結(jié)合腎集合系統(tǒng)三維模型進(jìn)行輔助穿刺進(jìn)入集合系統(tǒng)，在人體模型上設(shè)立標(biāo)志點(diǎn)，通過采集術(shù)中圖像與腎集合系統(tǒng)三維模型進(jìn)行融合，進(jìn)行穿刺引導(dǎo)。A.D.Zarrabi等設(shè)計(jì)了機(jī)械性的經(jīng)皮腎穿刺定位設(shè)備，彌補(bǔ)C臂二維圖像的不足，促進(jìn)穿刺的快速定位，減少術(shù)者遭受的輻射量。Jens J.Rassweilera等通過ipad后置攝像頭采集

7、術(shù)中圖像，通過與術(shù)前的腎結(jié)石結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行融合指導(dǎo)2名患者進(jìn)行PCNL穿刺初步證實(shí)是有效可行的。然而大多腎臟的三維重建只基于CT的單時(shí)相期數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，單一采用動(dòng)脈期或腎盂分泌期的腎臟CT數(shù)據(jù)集進(jìn)行重建，未能達(dá)到真正意義的腎臟三維可視化，僅僅為能進(jìn)入集合系統(tǒng)，并未能能考慮是否獲得最佳穿刺路徑。
　　 為此，將3D工程學(xué)與醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步結(jié)合，利用虛擬可視化技術(shù)，將現(xiàn)代影像學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理、解剖學(xué)和泌尿?qū)W相結(jié)合，研究基于64排CT

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

9、49.6(35-63)歲，左腎結(jié)石16例，右腎結(jié)石14例。
　　 空腹4小時(shí)后，患者俯臥位胸腹部墊枕進(jìn)行CT掃描，采集腎臟64排CT圖像數(shù)據(jù)，包括平掃期、動(dòng)脈期、靜脈期、腎盂排泄期。動(dòng)脈期采用自動(dòng)閾值觸發(fā)技術(shù)定時(shí)掃描，取腹主動(dòng)脈斷面為興趣(ROI)，觸發(fā)閾值設(shè)定為200Hu，同步啟動(dòng)對(duì)比劑注射及掃描程序，閾值達(dá)200Hu自動(dòng)開始掃描。自注入靜脈造影劑開始，靜脈期延遲65s進(jìn)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(shí))對(duì)CT圖像分割和進(jìn)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(zhǎng)、布爾函數(shù)(Boolean function)等方法來分割圖像，并采用多層編輯人工分割方法進(jìn)行修飾。在不同時(shí)相期的CT數(shù)據(jù)分別分割重建腎臟內(nèi)部及毗鄰臟器結(jié)構(gòu)。包括腎臟大體、腎結(jié)石、腎動(dòng)靜脈及其分支，腎集合系統(tǒng)及毗鄰相關(guān)結(jié)構(gòu)肺下部、肝臟或脾臟、脊柱、腰部皮膚。通過各個(gè)時(shí)相期重建的腎臟實(shí)質(zhì)模型設(shè)置多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算自動(dòng)配

11、準(zhǔn)，再通過三維X、Y、Z軸的位移和旋轉(zhuǎn)調(diào)整進(jìn)行人工輔助調(diào)整，逐一完成配準(zhǔn)、融合構(gòu)建一體化腎結(jié)石三維模型。
　　 由兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的泌尿外科醫(yī)師對(duì)三維圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分和記錄，有效完整重建腎結(jié)石三維模型的指標(biāo)為:能同時(shí)顯示腎結(jié)石、腎內(nèi)血管、集合系統(tǒng)之間的解剖關(guān)系，腎臟以及毗鄰器官顯示清楚，邊界光滑完整無斷裂。腎內(nèi)動(dòng)脈能分辨至三至四級(jí)分支，腎內(nèi)靜脈能分辨一至二級(jí)分支，集合系統(tǒng)清晰光滑完整。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析基于CT圖像建立腎結(jié)石三維模型的有效

12、性。
　　 （二）基于腎結(jié)石三維模型的經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)虛擬仿真研究
　　 采用3D Studio Max2012軟件制作建立PCNL仿真手術(shù)器械3D模型，包括手術(shù)刀、穿刺針、導(dǎo)絲、筋膜擴(kuò)張鞘、碎石桿。由一名經(jīng)驗(yàn)豐富的泌尿外科手術(shù)醫(yī)師，在腎臟及腎結(jié)石三維模型的進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，包括結(jié)石大小、腎臟大小等，操作模型進(jìn)行放大、旋轉(zhuǎn)，和透明化達(dá)到對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化，根據(jù)其提供的詳細(xì)的患者生理解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，采用仿真手術(shù)器械3D穿刺針在模型腰

13、壁皮膚上進(jìn)行穿刺定位，全面規(guī)劃經(jīng)皮腎穿刺路徑。記錄穿刺點(diǎn)、路線及穿刺深度。
　　 將帶有穿刺針的腎結(jié)石三維模型導(dǎo)入到3D觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)(FreeFormModeling Plus)，操作FreeForm系統(tǒng)三維鼠標(biāo)，使用PCNL仿真手術(shù)器械進(jìn)行PCNL手術(shù)仿真操作，包括留置輸尿管導(dǎo)管、擴(kuò)張建立通道，碎石及置入腎造瘺管等過程。
　　 結(jié)果:
　　 （一）基于CT圖像的數(shù)字化腎結(jié)石三維模型的建立
　　 一共3

14、0名患者參與了本次實(shí)驗(yàn)，患者年齡平均年齡49.6歲，其中男16例，女14例，左腎結(jié)石16例，右腎結(jié)石14例，多發(fā)結(jié)石10例(33.3％)，鑄型結(jié)石6例(20.0％)，馬蹄腎結(jié)石1例(3.3％)，余13例為腎盂或腎盞結(jié)石(43.3％)。共采集了30套腎結(jié)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(dòng)脈期、靜脈期、腎盂分泌期，CT圖像對(duì)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(jié)石

15、三維模型，重建的腎臟輪廓清晰，能真實(shí)反映腎臟的實(shí)際體積，具有腎臟的解剖標(biāo)志;腎動(dòng)脈能清晰顯示腎動(dòng)脈主干及四級(jí)分支，血管邊緣光滑，無呼吸運(yùn)動(dòng)偽影，腎靜脈顯示腎靜脈主干及其二級(jí)分支，血管邊緣模糊，集合系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)清晰、連續(xù)、自然。腎結(jié)石三維模型直觀顯示結(jié)石的形態(tài)和數(shù)目及集合系統(tǒng)擴(kuò)張程度。通過調(diào)節(jié)腎臟的透明度可同時(shí)顯示腎臟和腎內(nèi)的動(dòng)脈、靜脈和集合系統(tǒng)。能對(duì)模型放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等其他全方位觀察的操作，形態(tài)逼真，立體感強(qiáng)。通過評(píng)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(tǒng)重建部分腎盞不顯示。基于CT圖像建立腎結(jié)石三維模型的有效性為93.3％。
　　 （二）基于腎結(jié)石三維模型的經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)虛擬仿真研究
　　 建立了一套PCNL仿真手術(shù)器械模型，包括手術(shù)刀、穿刺針、導(dǎo)絲、擴(kuò)張鞘、碎石桿等，手術(shù)器械模型逼真，具有三維可操作性。腎結(jié)石三維模型共28例，結(jié)石體積大小為7.8±2.4cm3，結(jié)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(jié)石三維模型上分別進(jìn)行全面的手術(shù)規(guī)劃和穿刺定位，其中7例(25.0％)經(jīng)皮腎穿刺手術(shù)規(guī)劃采用11肋間進(jìn)行穿刺，3例(10.7％)根據(jù)多發(fā)結(jié)石分布情況設(shè)計(jì)了2通道一次性碎石方案。按照規(guī)劃設(shè)計(jì)的手術(shù)入路，采用FreeForm Modeling System操作在腎結(jié)石三維結(jié)構(gòu)模型上完成個(gè)體化的PCNL虛擬手術(shù)仿真，包括定位穿刺、導(dǎo)絲引導(dǎo)下置入筋膜擴(kuò)張器擴(kuò)張、碎石、置