数字肾可以应用于术前规划、患者教育、手术方式预演、3D打印等。2012年我们对1例腹腔镜肾部分切除进行术前规划, 所建模型有助于术前对肿瘤所在位置、大小、切除后的瘤床状态做一个基本的判断, 帮助医生预知术中的真实场景^[14]。

内生性肿瘤手术的主要难点不在于怎样切除肿瘤, 而是怎样找到肿瘤。目前的通用方法是术中应用专用的腹腔镜超声探头进行定位, 其缺点在于要求术者具备丰富的B超影像知识, 在腹腔镜手术空间有限的情况下有时会影响手术操作^[15]。采用机器人辅助腹腔镜手术时, 还要将腔内超声图像整合到机器人三维图像中供术者阅读, 这需要更为复杂的技术和设备。Teber等^[16]术中应用C臂获得即时图像, 然后应用MITK进行图像分割, 形成三维虚拟图像, 再用增强现实技术, 将计算机生成的虚拟信息叠加到腹腔镜手术的真实场景中, 完成了10例内生性肾肿瘤的定位, 但这一技术需要术中特殊的影像导航设备并进行术中复杂的运算, 并不可避免会受到周围组织的干扰。2017年我们开始尝试将数字肾应用于内生性肾肿瘤的定位。我们在MIMICS软件中建立数字肾以后, 执行“ 在表面测量距离(measure distance over the surface)” 命令, 利用肾脏的上下极、外轮廓线得到肾肿瘤定位数据, 然后在腹腔镜中放入软尺, 按照术前测定好的距离进行术中定位, 成功完成了2例内生性肿瘤的术中定位^[17]。最近Fan等^[18]通过术前肾脏3D打印, 根据术中的解剖标志进行测量定位, 成功定位5例完全内生性肾肿瘤并实施肾部分切除。需要指出的是, 但由于肾脏的上下极不是一个点, 而是一个面, 因此这种定位方法是比较粗略的。

如果利用现在市场上虚拟现实的技术优势, 将预先生成的数字肾图像叠加到显示器上, 就能将数字肾与腹腔镜图像进行融合, 达到术中精准的内生性肿瘤定位。我们在2017年第24届全国泌尿外科学会年会进行了此项技术的报告。

随着手术技术及器械的改进, 肾部分切除术逐渐成为肾肿瘤的主流手术。但对于较大的肾肿瘤, 肿瘤切除后患者是否能够从残存肾脏受益, 目前还缺乏统一的评价标准。残存肾脏体积往往和肾脏功能成比例, 但残肾体积过小时仍然有肾萎缩、肾性高血压的风险。通过数字肾在术前预估残存肾脏体积, 有利于帮助医生和患者做出是否保肾的决策。

较大肾肿瘤或转移性肾肿瘤需要应用靶向治疗, 目前评估肾癌靶向治疗效果, 主要是在CT上比较肿瘤的径线, 而且不同医疗单位采集的图像难以进行比较。普通CT影像只是二维层面的比较, 肿瘤的三维体积变化能够真正反应靶向药物的治疗敏感性。采用数字肾, 则可以对原发肿瘤或转移肿瘤的体积进行精确的评估, 从而判断靶向药物的疗效, 不同医疗单位的图像也可以进行比较评价。

肾结石大小和硬度是预判碎石时间的重要依据。目前评估结石大小的主要方法是在X线或B超的二维图像中测量结石的不同径线, 或者以数学模型根据径线数值计算表面积^[19]。由于结石多为不规则形, 这种方法误差很大。我们通过动态区域生长法, 建立肾结石三维模型, 在“ mask” 属性栏中直接得到结石的平均CT值, 借以判断结石的硬度; 同时可以直接得到结石的准确体积。另外通过对集合系统的外形分析, 可选择经皮穿刺的相应肾盏进行穿刺, 从而优化经皮肾镜的穿刺策略。

解剖数字肾是数字肾的研究基础。但如果仅仅停留在解剖数字肾基础上, 进行三维重建或3D打印, 则丢失了其中蕴含的大量数字信息。我们发现, 数字肾中隐藏了肾脏的功能参数。数字肾既包括传统意义的解剖数字肾, 又包括建立在解剖基础上的功能数字肾。

在分肾功能测定上, 目前广泛使用的是IVP, 但其只是一个定性或半定量的判断, 并且需要使用大剂量造影剂, 有引起造影剂肾病的风险。同位素扫描是目前临床上肾功能检查的金标准, 但它不能显示泌尿系统的形态, 具备放射性污染是其固有的缺陷。GFR测定也具有很多局限性, 由于血清肌酐水平通常并不稳定, 不仅受肾功能影响, 还受血浆总量、肌酐生物合成速度等影响, 并且不能排除对侧肾脏的代偿影响^[20]。数字肾通过一次CT增强扫描, 可以直接测量肾集合系统体积内造影剂量, 因此可以精确量化肾脏的排泄功能。

当前对于肾脏肿瘤的定性判断, 无论MRI还是CT, 均是基于平面图像的信息作出肉眼判断。但肿瘤是具有空间立体结构的实体。数字肾可以从三维角度综合分析肿瘤实体的影像学特点包括形状、大小、灰度和纹理特征等。虽然基于MRI的三维重建目前研究较少, 但MRI具有强大的功能成像技术, 随着图像处理技术的进步, 如果将MRI功能成像与功能数字肾相结合, 将为肾脏外科疾病的诊疗提供崭新的手段。

综上所述, 数字肾既包含了丰富的解剖信息, 具有现实的可操作性, 又能反应出肾脏最主要的功能特征。解剖数字肾已经有了相对充分的研究, 但功能数字肾方面的研究才刚刚开始。可以预见, 含有大量数据信息的数字肾, 借助于人工智能、虚拟现实等技术, 将促进肾脏外科向精准化、微创化、个体化、智能化方向发展。