三维可视化技术在肾结石手术中应用的研究进展

三维可视化技术在肾结石手术中应用的研究进展

崔宇1▲，云志中2△

（1.内蒙古医科大学研究生学院，内蒙古 呼和浩特 010110；

2.内蒙古自治区人民医院泌尿外科研究所，内蒙古 呼和浩特 010017）

摘要：三维可视化技术已广泛应用于医学领域，其使得解剖结构的描述变得越来越详细，使医生能够实现较为精确的手术。相较于传统的二维图像阅片模式，三维图像对空间深度和细节的精细感知有明显的优势。最新的三维可视化技术已应用于肾结石的治疗中，为患者提供个体化的治疗方案，其不断的发展减少了手术并发症，缩短了手术时间，提高了手术精确度，减轻了患者的费用负担。本文章对三维可视化技术在肾结石治疗中应用的发展过程进行总结并提出最新的研究进展。

关键词：三维可视化技术；肾结石；手术

经皮肾镜取石术Percutaneous Nephrolithotomy (PCNL)和逆行输尿管软镜碎石术Retrograde Intrarenal Surgery, (RIRS)[1]是治疗肾结石的两种重要手术方式。经皮肾镜取石术是通过在皮肤和肾盏之间建立通道，采用气压弹道、激光等方式将肾脏及输尿管上段的石头击碎并取出，在我国，通常采用超声定位引导穿刺通道的建立;逆行输尿管内软镜碎石术利用人体自然腔道，经膀胱输尿管逆行向上抵达肾盂肾盏后碎石，其创伤小，恢复快的特点也易被患者所接受。

对于经皮肾镜取石术，依赖医生阅片能力以及对超声的熟练掌握，否则通道的建立将十分困难；对于逆行输尿管软镜碎石术，若不能在术前模拟软镜路线，在术中进行摸索，手术将会费时费力。因此，两种手术难度大，学习曲线长[2]。目前，X射线、超声、CT等影像学检查常被用于肾结石的诊断和治疗，然而，这些影像学检查是以二维平面图像展现，在诊断和治疗过程中并不直观，往往对青年医生造成较大困扰，近些年三维可视化技术的不断发展逐渐解决以上困难。

三维可视化技术[3]是指利用计算机图形学和相关技术，以三维的方式呈现或模拟实际物体或场景的方法，使用户能够以更真实、直观的方式进行观察和交互。最早的三维可视化技术起源于计算机图形学的发展，主要应用于科学研究和工程设计。随着计算机性能的提升，三维建模、动画和渲染技术得以广泛应用，例如电影和游戏产业。随着虚拟现实、增强现实和深度学习等技术的发展，三维可视化技术在医学、教育、建筑设计等领域得到了广泛应用。

1. 3D打印

1.1 3D打印在经皮肾镜取石术（PCNL）中的应用

术前通过进行CTU影像学检查,将图像通过软件进行三维重建形成3D模型，后将该模型进行3D打印,该模型能够清晰的显示结石的大小、形状，在肾盂肾盏中的位置，肾动脉、肾静脉的走形。术者在术前可根据3D模型明确结石的位置，在模型上模拟穿刺点,进行术前规划,设计出最佳的经皮肾镜穿刺通道,提高穿刺成功率和降低并发症的的发生。吴晃[4]等对3D打印技术联合经皮肾镜取石术治疗肾结石的有效性和安全性进行Meta分析，共纳入579例患者，其中观察组283例，对照组296例，得出结论：3D打印技术联合PCNL可提高肾结石患者清石率和一次穿刺成功率，缩短或降低住院时间、并发症发生率及术中出血量，临床疗效和安全性较佳，效果优于单独使用PCNL,值得临床应用推广。

1.2在逆行输尿管软镜取石术（RIRS）中的应用

逆行输尿管软镜取石术利用人体自然腔道进入肾盂，然而镜头视野小，肾盂结构复杂，所以在寻找结石过程中容易迷路，同时，输尿管软镜学习曲线长，设备费用高，故障率高，限制了医生的学习和普及。利用三维重建并行3d打印后，术者可直观看到结石位于肾盏位置，术中减少寻找结石时间，缩短手术时间。梁阳冰[5]等人采用CT三维重建成像技术联合3D打印技术辅助输尿管软镜治疗复杂性上尿路结石得出结论：可减少患者手术时间及术中出血量,降低手术创伤及术后并发症发生率。曹志强[6]等人打印了透明的肾脏及输尿管，得出结论：用3D打印的输尿管软镜训练模型，可以明显缩短学习曲线，有利于年轻医师快速掌握操作技巧，制定个体化治疗方案、降低手术并发症及医疗费用。

因此：3D打印技术在肾结石手术的术前规划、医患沟通、手术模拟中都有应用，但3D打印有限制其推广的一些因素，1.打印费用成本较高。2.打印时间较长。3.3D打印的精度较低。

2.虚拟现实（Virtual Reality，VR)

虚拟现实(VR)在肾结石手术中的应用主要为虚拟内镜技术，利用CT、MRI图像获得三维医学影像数据,通过虚拟成像和可视化技术,由计算机显示连续的三维器官内腔结构视图。使用者可以沿这个虚拟的内部空腔做飞行观察,模拟传统的内镜检查过程,所看到的景象如使用真实内镜观察到的一样。Cai J liang [7]等人选取主治医师17名、副主任医师13名，30名学生进行研究，在进行了4小时的虚拟现实模拟器培训后，取得了显著进展。表现为整个手术过程时间、从输尿管口到结石的寻找时间、结石移位时间、碎石时间、激光操作熟练度评分、总激光能量、残余石块的最大尺寸、镜头和工具损伤次数、镜头损伤次数均有所改善，差异具有统计学意义（所有P<0.01）。证明虚拟现实模拟器训练可以帮助学员快速提高逆行输尿管镜检查在肾结石治疗中的技能，并能减少器械的损伤。虚拟现实模拟器具有客观性、安全性、经济性等优势，其应用有助于逐步推进和完善我国输尿管镜手术的规范化培训模式。

3.增强现实（Augmented Reality，AR）

增强现实技术将计算机生成的虚拟图形等信息融合叠加到现实世界场景中,使用户看到虚实结合的三维世界,提高用户对现实世界的感知与理解。AR技术弥补了VR技术不能与现实环境融合的劣势，进一步拓宽了其应用范畴。

3.1 AR技术在经皮肾镜碎石术中应用

Rassweiler[8]等人发表了AR经皮肾穿刺的首次经验，使用平板相机将3D模型与术中图像重叠。配准基于基准标记和摄像机校准。与其他非AR技术相比，该工具可减少泌尿科受训人员的穿刺时间（81s vs 65s）和辐射暴露。

3.2AR技术在输尿管软镜逆行取石术中应用

AR技术已应用于手术培训、手术规划与手术导航等领域，然而在患者教育中少有报道，陈力[9]等人在实验组宣教过程中以AR眼镜全程演示术者第一视野演示手术路径，对照组仅采用传统的口头手术谈话，两组患者在术后谈话后均完成焦虑自评（SAS）、抑郁自评（SDS）、阿姆斯特丹术前焦虑与信息量表（APAIS）评分，结果显示：输尿管软镜手术的术前焦虑可以通过AR眼镜情景化模拟术中情景而得到缓解，女性患者更应注重术前宣教。

4.混合现实（Mixed Reality，MR）

MR的问世，完美解决了3D打印技术的弊端，其重建的模型更加生动、具体，可操作性更强。MR是VR及AR的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建一个交互反馈的信息回路，使观察者可以从不同角度不受限制地观察，甚至可以进入影像内部进行观察。MR发展迅速，Francesco Porpiglia[10]等已运用于经皮肾镜取石术，MR组的中位辐射暴露时间（120s vs 262s，P<0.05）显著缩短，MR的使用使得术前和术中穿刺角度具有更高的一致性（100% vs 50%；p=0.009）。此外，与对照组相比，3DMR组首次尝试肾穿刺的成功率更高（100%vs50%；p=0.032）。薛亮[11]等将MR运用于PCNL中，证实MR对术前沟通、穿刺路径选择和年轻医生三维立体思维的形成有积极意义。

讨论：

三维可视化技术在肾结石手术中的应用尽管面临一些挑战，例如数据获取、处理和可视化方面的困难，但其优点仍然十分明显，具体而言，三维可视化技术能以更直观的方式展示肾结石手术的过程，使医生能更好地理解和分析患者的病情。此外，它还有助于医生更好地规划手术路径和方案，提高手术的准确性和成功率。

随着技术的不断发展和完善，其在肾结石手术中的应用将会越来越广泛。因此，我们需要进一步研究和发展更高效、精准的三维可视化技术，以更好地服务患者和医疗事业。

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[5]梁阳冰, 覃斌, 李长赞, 等. CT三维重建成像技术联合3D打印技术在输尿管软镜治疗复杂性上尿路结石中的应用价值[J]. 广西医学, 2020, 42(3): 282-285.

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