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(jī)進(jìn)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(shù)[1]。近年來, 3D打印技術(shù)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(yīng)用于手術(shù)設(shè)計、醫(yī)學(xué)教育、手術(shù)導(dǎo)板及植入物制作等個體化醫(yī)療領(lǐng)域[2], 但在泌尿外科中的應(yīng)用尚處于起步階段。作者初步將3D打印技術(shù)應(yīng)用于腎鑄型結(jié)石行經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)(PCNL)患者中，現(xiàn)將結(jié)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(jié)石患者5例，男4例，女1例，平均年齡(41.7±6.1)歲，平均體質(zhì)量(69.5±11.1) kg。所有患者均符合PCNL手術(shù)治療指證，無明顯手術(shù)禁忌證，腎鑄型結(jié)石體積(39.3±7.7) cm3, 無明顯腎積水。

1.2 3D打印腎鑄型結(jié)石模型

使用256排螺旋CT進(jìn)行上、中腹部的薄層掃描，層厚0.5 mm, 獲取腎臟平掃期的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行圖像分割，并采用多層編輯人工分割方法進(jìn)行修飾。腎結(jié)石、脊柱、肋骨采用平掃期圖像進(jìn)行分割重建。通過配準(zhǔn)后對模型進(jìn)行去噪、平滑以及精細(xì)填充，最終重建出部分脊柱、肋骨、腎鑄型結(jié)石的3D數(shù)字模型。將3D數(shù)字模型輸入3D打印機(jī)，以polylactic acid為材料打印出腎鑄型結(jié)石的3D模型。

1.3 3D打印腎鑄型結(jié)石模型在PCNL中的應(yīng)用

與患者溝通、交流腎鑄型結(jié)石3D打印模型，設(shè)計調(diào)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(jìn)行術(shù)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(shù)方案的幫助程度; ④ 3D打印模型對患者理解術(shù)后殘留結(jié)石的幫助程度。術(shù)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(jié)石的特點(diǎn)是結(jié)石填充整個腎臟集合系統(tǒng)，患者結(jié)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(biāo)腎盞(圖1A、B)，經(jīng)過目標(biāo)腎盞軸徑的穿刺通道即為最大化取石通道，根據(jù)患者結(jié)石及腎盞分布，挑選出2～3個目標(biāo)腎盞作為最大化取石通道。如果設(shè)計的取石通道和周圍某個腎盞的夾角<60°, 則預(yù)測該腎盞內(nèi)結(jié)石為殘留結(jié)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(biāo)腎盞(黃色箭頭)與周圍腎盞夾角<60°, 預(yù)測該腎盞(藍(lán)色線)內(nèi)結(jié)石為殘留結(jié)石

圖1利用腎臟鑄型結(jié)石3D打印模型設(shè)計取石通道

術(shù)前利用3D打印模型上的十二肋為參照物，將筋膜擴(kuò)張器放置于目標(biāo)腎盞軸徑位置，觀察筋膜擴(kuò)張器與十二肋尖的位置關(guān)系(圖2A)。利用直角定位法進(jìn)行穿刺點(diǎn)定位，以筋膜擴(kuò)張器在十二肋水平面的交點(diǎn)為預(yù)定穿刺點(diǎn)，沿預(yù)定穿刺點(diǎn)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(yù)定穿刺點(diǎn)上的刻度值(圖 2A)。在人體表面標(biāo)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(zhǔn)還原預(yù)計穿刺點(diǎn)，即為實際皮膚穿刺點(diǎn)(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(dǎo)管至患側(cè)腎盂，并經(jīng)輸尿管導(dǎo)管緩慢注入生理鹽水，制造人工腎積水。取俯臥位，術(shù)中運(yùn)用超聲探頭圍繞定位的穿刺點(diǎn)進(jìn)行探查，在3D打印模型的引導(dǎo)下進(jìn)行目標(biāo)腎盞穿刺(圖2C)。手術(shù)中利用3D打印模型引導(dǎo)腎鏡在集合系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行腎盞探查及碎石。術(shù)前、術(shù)后CT掃描和手術(shù)操作均取俯臥位進(jìn)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(jìn)行。

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

A: 利用直角定位法進(jìn)行穿刺點(diǎn)定位，利用直角兩邊上的刻度(黃色線段)定位預(yù)定穿刺點(diǎn)與十二肋尖之間的位置關(guān)系;B: 利用直角定位法進(jìn)行皮膚穿刺點(diǎn)定位，利用直角兩邊上的刻度(黃色線段)在患者皮膚上精準(zhǔn)還原出穿刺點(diǎn)位置(白色箭頭);C: 術(shù)中在腎臟鑄型結(jié)石3D打印模型引導(dǎo)下進(jìn)行經(jīng)皮腎穿刺及取石; D: 術(shù)后3D重建顯示取石通道經(jīng)過腎盞軸徑進(jìn)入目標(biāo)腎盞

圖2利用腎臟鑄型結(jié)石3D打印模型進(jìn)行穿刺點(diǎn)定位及引導(dǎo)穿刺

2 結(jié) 果

成功3D打印制作5例患者的個性化腎臟鑄型結(jié)石模型，3D打印模型在體外1︰1精準(zhǔn)再現(xiàn)腎臟鑄型結(jié)石的復(fù)雜立體形態(tài)，以及腎結(jié)石與十二肋的位置關(guān)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(jié)石模型進(jìn)行術(shù)前溝通的效果非常滿意。利用腎鑄型結(jié)石3D打印模型共設(shè)計13個目標(biāo)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(biāo)腎盞，術(shù)中按照設(shè)計完成所有13個預(yù)計目標(biāo)腎盞的穿刺，其中1例患者增加1個前組中盞為目標(biāo)腎盞，目標(biāo)腎盞符合率為93.0%。成功利用直角定位法完成13個預(yù)計目標(biāo)腎盞的皮膚穿刺點(diǎn)定位，并在腎鑄型結(jié)石3D模型的輔助引導(dǎo)下完成經(jīng)目標(biāo)腎盞軸徑的穿刺，每個目標(biāo)腎盞穿刺時間平均為(7.3±2.6) min。手術(shù)中在3D打印模型的引導(dǎo)下，可快速熟悉腎鏡下集合系統(tǒng)內(nèi)立體形態(tài)，并快速引導(dǎo)腎鏡進(jìn)入各個腎盞。 術(shù)后3D重建顯示穿刺點(diǎn)與術(shù)前預(yù)計穿刺點(diǎn)符合率為92.0%, 穿刺通道和腎盞軸徑的符合率為100.0%。術(shù)后結(jié)石殘留位置和數(shù)量均符合術(shù)前預(yù)測, 5例手術(shù)均順利完成，術(shù)中出血少，術(shù)后第2天檢查血紅蛋白較術(shù)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(jié)石是腎結(jié)石將腎臟集合系統(tǒng)全部充滿的一種特殊類型的復(fù)雜性腎結(jié)石，研究[3-4]顯示如果鑄型腎結(jié)石不能得到良好的治療，將會導(dǎo)致患者腎功能喪失，嚴(yán)重者可導(dǎo)致尿膿毒癥，甚至危及生命。腎鑄型結(jié)石的治療方法主要包括腎切開取石術(shù)和PCNL。隨著微創(chuàng)設(shè)備和技術(shù)的快速發(fā)展, PCNL已經(jīng)成為腎鑄型結(jié)石治療的“金標(biāo)準(zhǔn)”[5-6]。雖然PCNL手術(shù)較開放的腎切開取石術(shù)具有創(chuàng)傷小、出血少、清石率高、保護(hù)腎組織等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)石體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合并感染等特點(diǎn)使得腎鑄型結(jié)石仍然是PCNL時面臨的最大難點(diǎn)[7]。PCNL治療腎鑄型結(jié)石存在的并發(fā)癥主要包括術(shù)中、術(shù)后大出血，結(jié)石殘留等，分析認(rèn)為對腎鑄型結(jié)石復(fù)雜的立體形態(tài)認(rèn)識不足、穿刺通道設(shè)計不合理、目標(biāo)腎盞穿刺不精準(zhǔn)是導(dǎo)致上述并發(fā)癥的主要原因[8]。

在泌尿外科領(lǐng)域，作者利用3D打印技術(shù)以鈦合金、PEEK等為原材料，個性化地設(shè)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(nèi)生性腎臟腫瘤的術(shù)中精準(zhǔn)定位[10]。本研究中，作者將3D打印技術(shù)用于腎鑄型結(jié)石的精準(zhǔn)診斷、經(jīng)皮腎通道的設(shè)計、經(jīng)皮腎穿刺、術(shù)中引導(dǎo)以及醫(yī)患溝通等方面，并評估其臨床應(yīng)用效果。

首先，以往X線、超聲的二維圖像需要經(jīng)過術(shù)者思維的抽象三維化轉(zhuǎn)換，往往導(dǎo)致信息丟失或錯誤，進(jìn)而導(dǎo)致手術(shù)決策的偏差，而3D打印腎鑄型結(jié)石模型在體外1︰1精準(zhǔn)再現(xiàn)患者復(fù)雜的腎結(jié)石立體形態(tài)，術(shù)者可以直觀、全面、精準(zhǔn)地閱讀出結(jié)石的形態(tài)細(xì)節(jié)，避免了不同維度之間信息轉(zhuǎn)換中的丟失和偏差。其次，以往經(jīng)皮腎通道的設(shè)計主要依靠術(shù)者的經(jīng)驗和主觀判斷，往往因為通道選擇錯誤而無法達(dá)到最大化的取石效果。由于腎鑄型結(jié)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(jié)石模型可以精準(zhǔn)測量每個腎盞到達(dá)腎盂及相鄰腎盞的角度，從而客觀地挑選出可達(dá)最大化取石效果的目標(biāo)腎盞。最重要的是利用3D打印腎鑄型結(jié)石模型可以精準(zhǔn)引導(dǎo)經(jīng)皮腎穿刺。經(jīng)目標(biāo)腎盞軸徑的穿刺是PCNL成功的關(guān)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(dǎo)方法無法精準(zhǔn)定位皮膚穿刺點(diǎn)和穿刺路線，這是目前PCNL最大的技術(shù)瓶頸。作者術(shù)后驗證在3D打印模型引導(dǎo)下，通過直角定位法可以在患者皮膚上準(zhǔn)確定位穿刺點(diǎn)，同時可以引導(dǎo)穿刺針沿著目標(biāo)腎盞軸徑進(jìn)行穿刺，從而精準(zhǔn)建立通道，避免了出血等并發(fā)癥。另外，術(shù)者手術(shù)中可以在3D打印模型的引導(dǎo)下快速熟悉集合系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，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(shù)前直觀、形象地了解自身病情，理解手術(shù)方案及手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，加之3D打印鑄型腎結(jié)石模型在殘留結(jié)石預(yù)測方面也具有顯著的直觀性以及準(zhǔn)確率，患者對依托3D打印模型的醫(yī)患溝通滿意度較高。