三维可视化技术在经皮肾镜碎石取石术中的应用研究进展_徐浩.pdf

综 述基金项目：云南省科技厅科技计划项目（）；云南省卫生和计划生育委员会医学领军人才培养计划（）第一作者简介：徐浩，硕士，住院医师，研究方向：泌尿系结石与肿瘤。通信作者简介：李伟，博士，主任医师，研究方向：泌尿系结石与肿瘤。三维可视化技术在经皮肾镜碎石取石术中的应用研究进展徐 浩，李 伟 王峻峰 邹 岷（云南省第一人民医院泌尿外科，云南省昆明市；大理大学临床医学院，云南省大理市；云南省第一人民医院数字医学研究中心，云南省昆明市）【提要】近年来，三维可视化技术被广泛应用于外科手术，其可以直观显示人体解剖结构和手术操作过程，立体感及交互性强，在医患沟通、术前规划、术中指导、医学教育等方面优势明显。三维可视化技术应用于经皮肾镜碎石取石术可以有效减少术中并发症的发生率，提高结石清除率。本文结合我院数字医学团队对三维可视化技术的应用经验，就三维可视化技术在经皮肾镜碎石取石术中的应用效果进行综述。【关键词】经皮肾镜碎石取石术；三维可视化技术；打印技术；虚拟现实技术；增强现实技术；混合现实技术；临床效果；综述【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）：经皮肾镜碎石取石术（，）是治疗上尿路结石的主要术式之一，其在技术上已较为成熟，但是术中及术后出血、术后感染、术后结石残留等并发症的发生率仍较高，而且对于年轻医师而言，的学习周期较长。因此，泌尿外科医师针对 的各个环节进行了长期的探索与改良。随着精准医疗及智慧医疗的发展，三维可视化技术广泛被应用于外科手术，具有数据可视化、外科智能化、手术精准化、医教简单化等优势，可改善医患沟通模式，降低手术并发症的发生率，提高手术成功率，缩短年轻医生的学习周期。目前应用于外科手术中的三维可视化技术主要为 打印技术、虚拟现实（，）技术、增强现实（，）技术及混合现实（，）技术。本文就 打印技术、技术、技术、技术在 中的应用效果进行综述。打印技术在 中的应用效果 打印技术是利用数字图像数据形成数字三维模型，通过计算机辅助设计，以连续多层打印的方式构建实物模型的技术，其在 世纪 年代被首次用于工业、工程领域，又称增材制造或快速原型技术。随着科学技术的不断进步，打印技术在外科手术尤其术前规划方面得到了广泛应用。有学者将应用 打印技术构建的手术模拟器用于泌尿外科的术前规划，发现其可提高泌尿外科的术前规划质量，降低 术后并发症的发生风险。等通过制作肾结石 打印模型模拟手术操作，选择能够提高结石清除率（，）的最佳工作通道，并将其用于患者的术前谈话及指导 术中操作，取得满意的效果。魏晓松等等利用 打印技术制作肾脏模型，于 术前模拟手术操作，并与术中实际情况相比较，发现两者在穿刺肋间与深度方面高度一致，穿刺肾盏符合率为，而且能有效提升在医患沟通过程中患者及其家属的满意度。由此可见，打印技术不仅能指导术者的手术操作，而且采用 打印技术制作肾脏模型能改善医患术前沟通，提高术者及患者对解剖空间结构的理解程度。还有学者发现，打印技术制作的肾脏模型可真实呈现肾脏集合系统、结石与周围脏器的空间结构及相互位置的关系。近年来，经过不断地实践，打印技术已可适用于复杂性肾结石患者、先天性肾输尿管畸形并发结石患者，以及需要在不同体位下行 的肾结石患者，并取得良好效果。此外，打印技术还可以辅助 穿刺定位，提高穿刺成功率，降低出血等并发症的发生率。技术、技术、技术在 中的应用效果 技术是通过纯数字化三维模型仿真系统，为用户提供视、听、触等感官的模拟体验，从而全方位地获取现实物体的空间信息和逻辑信息。技广西医学 年 月第 卷第 期术也称人机交互技术，是一种可以将虚拟模型融合至现实世界，令使用者从感官效果上确信虚拟物体是周围真实环境的组成部分的新型技术。技术结合了 技术和 技术的特点，将虚拟场景引入真实环境，并在虚拟世界、真实世界和用户之间建立交互反馈信息循环，允许用户同时保持与虚拟世界和真实世界的联系，并根据自身的需要对真实世界和虚拟世界的联系进行调整。近年来，技术在泌尿外科领域主要被应用于手术导航系统，在肾肿瘤治疗、肾结石治疗、泌尿外科教育教学及医患沟通等方面发挥了重要作用。陈远波等发现应用三维数字模型进行经皮肾穿刺规划及术中辅助定位，可提高 的穿刺精准性及，尤其在一期复杂性肾结石多通道碎石术中展现了较大优势。等等利用肾结石三维模型构建个性化虚拟 穿刺途径，并在三维模型辅助下进行，可提高，并降低手术并发症的发生率。等发现，技术有助于提高泌尿科医生对肾脏解剖的理解程度，也有助于患者对病情及手术的理解。此外，技术还可以用于评估 的治疗效果，如、线透视时间等。的关键步骤是工作通道的建立，最佳工作通道应为通过最少的通道达到最大的，并具备安全、高效、易学、易普及的特点。研究表明，技术有助于提高 工作通道建立的准确性。但 技术仍存在许多不足，如缺乏深度信息、不能实时互动、使用时位置相对固定等。术中需要调整患者的体位，因而患者肾脏所处位置也会发生相应变化，术中脏器移动等因素不可避免地降低了 技术的精准度。技术具有实时互动的功能，弥补了 技术的不足。有学者发现，相较于传统的 线及 超定位，应用 技术有助于提高 穿刺的准确度。但上述研究仅限于静态模型，在真实手术过程中的应用效果仍需进一步研究探讨。薛亮等通过 尿路造影图像进行三维数字建模，继而通过 眼镜进行术前规划、医患沟通及术中辅助定位，取得满意效果，但其研究样本量较小，术前 扫描检查时的体位与手术体位并不完全一致，精准度仍相对不足。等在进行 图像采集时，为避免患者呼吸运动对肾脏位置的影响，嘱咐患者保持与手术相同的体位进行个体化三维重建，采用 技术指导医生进行 穿刺，结果显示所有患者均一次穿刺成功，表明 技术引导 穿刺是可行且有效的。值得注意的是，等的研究仅为肾下盏穿刺，虽然这可以减少胸膜损伤及高位周围脏器损伤的风险，但对 有一定的影响，且还需考虑患者的依从性。各项三维可视化技术的特点及其相互关系各项三维可视化技术都以三维数字模型为基础，在此基础上通过转变数据格式导入不同设备使用。打印技术可将各种数字模型进行打印，直观且不易损坏，部分模型甚至可以重复使用。和 阐述的“虚拟现实连续统一体”的概念很好地呈现了 技术、技术、技术之间的联系。技术可以真实地反映人体的解剖结构，具有“颜色区分人体结构”“改变脏器透明度”“脏器内窥”“脏器穿刺”“三维透明化”等功能。技术弥补了 技术不能与现实环境融合的劣势，进一步拓宽其应用范畴，但其存在展示深度信息不足的缺点。技术的特点主要是将现实世界与虚拟世界相结合、实时交互、精确匹配，其在 技术和 技术的基础上增加了交互性和可操作性，减少了不必要的 打印模型，节省了 打印材料及设备的高昂开销。三维可视化技术在 中应用效果的影响因素三维可视化技术须获取患者、等二维影像数据，转变为 格式等，并导入相应的三维重建软件进行数字建模。本研究团队利用 三维重建软件进行数字建模并将其用于手术，发现影响数字建模精准度的因素主要有以下方面：（）影像数据扫描层厚。北美放射学会 打印专业组建议，每个解剖建模至少应具备 个独立的层面，最佳扫描层厚将根据模型所需的精度而变化。例如，若病灶大小为 ，则扫描层厚最大建议为 ，这样可以减小层厚对空间分辨率的影响。（）影像数据图像质量。扫描图像的质量对数字建模存在一定的影响。例如，肾结石患者行 尿路造影检查时，平扫期、增强扫描皮质期、髓质期、排泄期扫描时限，以及各期扫描时限间隔不足或过长均可对图像质量产生影响，直接关系到建模时肾皮质、肾髓质、集合系统、结石及其他脏器之间的辨别，增加手动勾选目标区域的概率，对数字建模精度存在一定的影响，甚至导致建模畸形。（）数据校准。三维重建技术是分区域、分步骤进行的，各期扫描影像数据只针对某一部分器官或组织，每一部分三维重建完成后须进行整合，与原图像进行校准，这可能会导致一定的误差，尤其是扫描检查时出现患者呼吸幅度较大、移动体位等情况，均会直接影响不同扫描时限的影像重合度。（）建模人员。本团队在进行建模时并不依赖于技术工程师，而是由临床医师经培训合格后自行建模，以减少因临床专业知识不足导致的 ，误差，并可节省部分医疗费用。此外，临床医师亲自建模可以针对病变区域及对手术有影响的区域重点建模，尤其对于微小病变及动静脉等，如小叶间动脉，术中参考价值极大，可提升术者穹窿部进针的意识。但临床工作繁杂多样，时间宝贵，若建模时间长，将极大消耗临床医师的时间及精力。因此，由临床医师建模也并非长久之计，亟须更为合理的建模人员。小结与展望 当前，人工智能识别技术尚不能全自动识别及三维重建人体组织和器官，必须通过医学专业人员进行人工辅助三维重建及结构校正。“超 腹腔镜”的影像融合穿刺技术在泌尿外科领域已得到初步的应用，如经皮肾穿刺、前列腺穿刺、肿瘤定位等，实现了超声图像与、三维图像间的匹配与融合，但此技术尚未成熟。打印技术、技术、技术及 技术作为重要的辅助手段应用于 各个环节是可行且有效的，在提高手术效率、降低手术并发症、建立和谐医患关系及缩短年轻医师的学习周期等方面具有重要作用。同时，随着三维可视化技术与 医疗模式理念的不断发展，三维可视化技术的应用领域将更为广泛，如远程医疗、远程教学、远程会诊等，在将来或可形成区域性乃至全球性的智能化“医、教、学”网络体，更好地服务于社会大众。参 考 文 献 ，（）：，：，（）：武鹏，杨晓剑，王延柱，等 混合现实技术联合达芬奇机器人在完全内生型肾肿瘤行肾部分切除术中的临床应用 微创泌尿外科杂志，（）：段鑫鑫，廖文峰，张超，等 三维可视化重建技术在机器人辅助肾部分切除术中的应用 机器人外科学杂志（中英文），（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：魏晓松，刘 征，庄乾元，等 打印技术在经皮肾镜取石术术前规划及医患沟通中的应用研究 中华泌尿外科杂志，（）：汤 润，刘 林，时湛，等 用于经皮肾镜取石术模拟的肾脏 打印模型研究初探 中华泌尿外科杂志，（）：丘捷文，李 春，文 博，等 打印技术在经皮肾镜取石术中的应用 临床泌尿外科杂志，（）：刘宇保，刘 彬，胡卫国，等 打印技术对鹿角形肾结石 术前精准设计的临床研究 临床泌尿外科杂志，（）：，（）：陈林泽，何灼彬，王卫峰 打印建模辅助下斜仰截石位超细经皮肾镜治疗肾结石及术后无管化的研究医学理论与实践，（）：彭 华，朱海涛，刘 帅，等 打印个性化经皮肾镜穿刺导板的临床应用 现代泌尿外科杂志，（）：张旭辉，张 彬 虚拟现实技术在泌尿外科内镜诊疗中的应用现状 中国内镜杂志，（）：，（）：于德旺，王殊轶，姜陶然，等 基于 的增强现实手术导航系统研究 北京生物医学工程，（）：，：，（）：，（）：陈远波，张志甫，陆剑君，等 可视化经皮肾穿刺规划及术中辅助定位引导 的应用 临床泌尿外科杂志，（）：，：，（）：，（）：广西医学 年 月第 卷第 期 ，：，（）：陈光彪，湛海伦，李燕玲，等 经皮肾镜碎石取石术关键环节中的超声应用技巧 中华腔镜泌尿外科杂志（电子版），（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：朱 鹤，李宁忱，赵子臣，等 基于混合现实引导的经皮肾穿刺肾脏模型的验证 中华医学杂志，（）：，：，（）：薛 亮，陈泽宇，陈仁富，等 混合现实技术在经皮肾镜取石术治疗过程中的应用 现代泌尿外科杂志，（）：，：，（）：，（）：，（）：陈梓键，王峻峰，余闫宏，等 混合现实技术对腹腔镜下肿瘤动脉阻断肾部分切除手术的指导价值 临床泌尿外科杂志，（）：梅昆有，李 治，王罡，等 混合现实技术在肝胆肿瘤手术中的应用 中国介入影像与治疗学，（）：，（）（）：，（）：赵子臣，朱 鹤，王刚，等 全息影像腹腔镜融合技术在肾内型肿瘤切除术中的应用 临床泌尿外科杂志，（）：李建兴，肖 博，唐宇哲，等 融合影像技术在超声定位经皮肾镜手术中的初步应用 中华泌尿外科杂志，（）：白志杰，王新胜，马洪顺，等 与超声融合导航技术在前列腺靶向穿刺的临床研究 首都医科大学学报，（）：，？，（）：（收稿日期：修回日期：）（上接第 页）参 考 文 献 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