引用本文
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Wang lei, Wang Gang, Zhao Zichen, Liu Kun, Yang Hongwei, Na Manli, Li Xiaojian, Pan Dongliang, Li Ningchen, Na Yanqun. Application of holographic image in preoperative planning and assisting puncture of percutaneous nephrolithotripsy. JOURNAL OF MINIMALLY INVASIVE UROLOGY,2022,11(3): 209-214.  
Doi:10.19558/j.cnki.10-1020/r.2022.03.013
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全息影像在经皮肾镜碎石取石术术前规划和辅助穿刺中的应用
汪磊1, 王刚1, 赵子臣1, 刘坤2, 杨宏伟2, 那曼丽3, 李晓建1, 潘东亮1, 李宁忱1,*, 那彦群1
1北京大学首钢医院吴阶平泌尿外科医学中心,北京 100000
北京仁馨医疗科技有限公司,北京 100041
北京大学首钢医院医学影像科,北京 100000
通信作者：李宁忱, ningchenli@126.com
收稿日期: 2022-04-03
基金项目:北京大学首钢医院2019临床重点建设项目（2019-Yuan-LC-14）
摘要

目的：探讨全息影像应用于经皮肾镜碎石取石术术前规划及术中辅助穿刺的可行性和价值。方法：回顾性分析2020年5月至2022年2月北京大学首钢医院收治的30例行全息影像辅助经皮肾镜碎石取石术患者的临床资料。年龄(53.6±11.9)岁,S.T.O.N.E 结石评分为7分（5~10）。术前一周内行手术体位下泌尿系增强CT扫描,使用体位垫、定位贴及呼吸控制。将CT检查数据制作为全息影像模型并针对目标肾盏规划穿刺路径,术前行认知手术模拟以预估清石范围并制作经穿刺路径的“模拟超声截面图像”。术中患者取与CT检查相同体位,采用混合现实头戴式显示器模式或平面查看器模式,将全息影像用于辅助术者在超声下准确、快速识别目标肾盏及明确皮肤穿刺点,进而按术前的计划实施超声引导下的精准穿刺。对手术相关数据及术后并发症情况进行记录。结果：本组30例均顺利完成,平均手术总时间及穿刺耗时分别为(93.3±32.6)min及(8.5±3.6)min。穿刺通道数目为1个（1~3）,穿刺尝试次数为1次（1~3）,实际穿刺通道与规划的吻合率为97.1% （34/35）,完全清石率为93.3%（28/30）,Clavien-Dindo 并发症Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ~Ⅴ级者分别为7例（23.3%）、3例（10%）和0例。结论：全息影像应用于PCNL术前规划和术中辅助穿刺具有可行性,术中通过与超声结合的多模态方式,有助于经皮肾通道的准确建立和避免严重并发症。

关键词: 肾结石; 全息影像; 经皮肾镜碎石取石术; 术前规划
中图分类号:R692.4
Application of holographic image in preoperative planning and assisting puncture of percutaneous nephrolithotripsy
Wang lei1, Wang Gang1, Zhao Zichen1, Liu Kun2, Yang Hongwei2, Na Manli3, Li Xiaojian1, Pan Dongliang1, Li Ningchen1,*, Na Yanqun1
1Wujieping Urology Center, Peking University Shougang Hospital,Beijing 100000
2Beijing Renxin Medical Technology Co., Ltd,Beijing 100041
3Department of Medical Imaging, Peking University Shougang Hospital,Beijing 100000
Corresponding author： Li Ningchen, ningchenli@126.com
Abstract

Objective: To investigate the feasibility and clinical value of holographic image in preoperative planning and assisting ultrasound-guided puncture of percutaneous nephrolithotripsy （PCNL）.Method: The clinical data of 30 patients with holographic assisted PCNL performed in Peking University Shougang Hospital from May 2020 to February 2022 were analyzed retrospectively. The mean age was （53.6±11.9） years old, and the S.T.O.N.E stone score was 7 （range 5-10）. Enhanced CT scan of urinary system in operation body position was performed within one week before the operation, and posture pads, positioning stickers and respiratory control were used. The original data of CT were obtained, holographic image models were made and the puncture paths were planned for target renal calyces. The preoperative cognitive surgical simulation was performed to estimate the stone removal range, the “simulated ultrasound images” passing through the puncture path were made. During the operation, the patient took the same body position as in CT scan. The surgeon team adopted the mixed reality head mounted display mode or the plane viewer mode, so that the holographic image could be used to assist the surgeon to identify the target renal calyx and the skin puncture point under ultrasound accurately and quickly. Next, the surgeon could perform ultrasound-guided precise puncture according to the preoperative plan. The operation related data and postoperative complications were recorded.Results: All operations on the 30 cases were successfully carried out. The average total operation time and puncture time were （93.3±32.6） min and （8.5±3.6） min, respectively. The number of puncture channels was 1 （1-3）, and the number of puncture attempts was 1 （1-3）. The coincidence rate between the actual puncture channel and the planning was 97.1% （34/35）, and the complete stone removal rate was 93.3% （28/30）. There were 7 cases （23.3%）, 3 cases （10%） and 0 case of Clavien-Dindo complications of grade Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ-Ⅴ, respectively.Conclusion: The application of holographic image in preoperative planning and intraoperative assistance of PCNL is feasible. The multimodal mode combined with ultrasound is helpful to establish percutaneous renal channel accurately and avoid serious complications.

Keyword: nephrolithiasis; holographic image; percutaneous nephrolithotripsy; preoperative planning

经皮肾镜碎石取石术（percutaneous nephrolithotripsy, PCNL）是目前处理肾内≥ 2cm肾结石的主要外科手段, 而经皮肾通道的建立又是该术式的关键[1]。目前X线或B超引导的经皮肾穿刺对术者的经验依赖较大, 学习曲线往往较长, 其副损伤也不容忽视。[2]

全息影像又称三维可视化模型, 是在术前利用医学影像设备和计算机图形学的方法, 对患者多模式的图像数据（以CT或MRI的DICOM数据为主）进行三维重建和可视化处理获得的三维模型, 近年来其在医学领域的应用得到了快速发展, 涉及医学教育、医患沟通、术前规划、手术导航等多个方面[3, 4, 5, 6]。全息影像在泌尿外科腹腔镜手术应用中已取得了良好的临床效果[7, 8, 9, 10, 11, 12], 但在PCNL手术中应用的报道还很少。本研究回顾性分析了2020年5月至2022年2月间在北京大学首钢医院吴阶平泌尿外科医学中心接受PCNL手术并且进行了全息影像术前规划及术中辅助穿刺的患者30例, 旨在探讨全息影像技术应用于PCNL手术的可行性及临床价值。

1 资料与方法
1.1 患者情况

1.1.1 纳排标准 纳入标准：⑴拟在我中心接受PCNL术; ⑵术前采用手术体位行泌尿系增强CT摄片; ⑶术前完成了PCNL全息影像模型制作。排除标准：⑴未按要求行CT摄片或资料不完善者; ⑵因各种原因更改了手术方式或未行手术者。

1.1.2 基线资料 本研究纳入30例患者, 平均年龄（53.6± 11.9）岁, 男性24例, 女性6例。肾结石中位体积为2.35（1.52, 6.06）cm3, 鹿角形结石5例（16.7%）, 22例伴有肾积水（73.3%）, S.T.O.N.E 评分的中位值为7分（6, 7.25）。

本组患者手术指征均明确且均拟行PCNL术, 手术前均充分告知本研究的方法和意义, 并签署知情同意书, 本研究方案通过北京大学首钢医院伦理委员会的审核及批准（IRB-AF-25-02）。

1.2 经皮肾镜碎石取石术全息影像模型的构建

1.2.1 泌尿系增强CT扫描 于术前一周内行泌尿系增强CT检查。患者取手术体位（俯卧位为主）, 胸、腹部垫手术用体位垫, 根据肾结石分布特点于双侧12肋尖、患侧11肋尖及11肋间等位置粘贴皮肤定位贴（心电图用电极片）5枚, 并使用Marker笔标记定位贴的边缘。用飞利浦（荷兰阿姆斯特丹）64排双能CT扫描, 扫描层厚1mm。患者轻吸气后闭气（避免深吸气后肾脏过度下移）, 按常规范围进行扫描, 需包含动脉期、静脉期和排泄期。扫描结束后可揭掉定位贴, 但须保留Marker笔标记。

1.2.2 全息影像模型制作 获取增强CT检查图像的DICOM格式数据并上传至全息影像分析规划工作站（北京仁馨医疗科技有限公司）。图像工程师使用Mimics软件（比利时Materialise公司）对组织器官进行勾画、拆分, 包括肾实质、肾集合系统、肾结石、肾动脉及分支、肾毗邻器官（肝、脾、结肠、胸膜等）、皮肤定位贴等, 以生成初始的全息影像模型。术者观察该全息影像模型, 确定目标肾盏及穿刺角度。图像工程师添加虚拟穿刺通道以生成完整的PCNL全息影像模型。对于预估不能通过单一通道达到完全清石的病例, 可设计第二个或更多的穿刺通道; 对于经多个单通道均能完成清石的病例, 也可设计针对备用肾盏的穿刺通道（图1）。通过Mimics软件制作的全息影像模型为.stl格式, 可转换为.3dm或.svlx格式供手机端App查看。

图1 基于患者泌尿系增强CT的DICOM数据构建的PCNL全息影像模型
图中所示的两个虚拟穿刺针分别指向左肾上组背侧盏及中组背侧盏; 左肾上方显示的是与其毗邻的脾脏及胸膜; 蓝色圆圈为皮肤定位贴）

1.3 全息影像模型术前规划

术者根据全息影像模型提供的穿刺通道深度、目标盏的盏颈长度、结石分布、平行盏情况等信息, 结合既往手术经验行手术认知模拟, 预估清石范围及残石可能（图2）。根据手术模拟结果对虚拟穿刺通道进一步调整优化。图像工程师以虚拟穿刺线为轴对集合系统进行模拟超声探头的扇面“ 切割” , 以生成包含目标盏的“ 模拟超声截面图像” , 供术中参考（图3）。

图2 基于全息影像模型模拟PCNL手术及预估清石范围
A：规划穿刺线指向下组背侧盏, B：规划穿刺线指向下组最下盏, C： 规划穿刺线指向上组背侧盏, D：规划穿刺线指向中组背侧盏; 图中结石的颜色代表了在该通道下其被清除的可能性：绿色表示可清除; 红色表示不可清除; 黄色表示不确定）

图3 基于全息影像模型截取的目标肾盏的“ 模拟超声截面图像” 及术中超声图像
A为目标肾盏的“ 模拟超声截面图像” , B, C为相对应的术中超声图像; 图中所示肾集合系统, 自左到右依次为最下盏, 下、中、上组的背侧盏和最上盏。

1.4 全息影像模型术中辅助穿刺

手术采用全身麻醉, 患者先取截石位留置输尿管导管并行人工肾积水, 之后改为俯卧位（也可按术前计划采用斜仰卧位）, 胸、腹部垫体位垫, 术区常规消毒时注意保留定位贴标记。采用以下两种模式进行经皮肾穿刺的辅助操作。

1.4.1 HoloLens 2模式 由软件工程师将全息影像模型转化为.fbx格式, 术前加载到第二代头戴式增强现实装置（HoloLens2, 美国微软公司）中。术者佩戴HoloLens2并将全息影像模型投射于手术室空间, 通过调整模型的大小和空间位置以使模型上的虚拟定位贴与患者身体上的真实定位贴标记完全重叠, 以实现虚拟模型与真实人体的视觉配准。配准完成后, 经皮肾穿刺点的位置已基本明确。术者手持超声探头于该穿刺点及其附近观察目标肾盏, 获取与术前规划中的“ 模拟超声截面图像” 一致的超声断面后实施穿刺。该穿刺仍在超声的动态监测下进行, 穿刺时可参考模型中虚拟穿刺线的角度（图4）。

图4 术中基于HoloLens2模式进行视觉配准及辅助超声引导下的经皮肾穿刺
图中紫线为虚拟穿刺线; 紫色圆圈为全息影像模型中的皮肤定位贴, 与其相邻的黑色圆圈为患者皮肤上的定位贴标记。实际上两者完全配准, 但由于HoloLens2为3D显示但录制的视频为2D显示, 导致图像上出现了视觉的偏差

1.4.2 平面查看器模式 在不具备HoloLens2时可使用手机、iPad、笔记本电脑等平面查看器, 由软件工程师将全息影像模型转化为.3dm、.svlx或.fbx格式, 术前加载到相应的平面查看器上。术中, 台下助手负责调整查看器中的全息影像模型, 并使术者获得良好的观察角度。术者通过了解模型中虚拟穿刺点与定位贴的相对位置, 可以判断出真实的穿刺点所应处的大致位置, 同时也可通过“ 模拟超声截面图像” 明确在超声下观察到的肾盏是否为目标盏（图5）。

图5 术中基于平面查看器模式协助目标盏及皮肤穿刺点的确定

1.5 通道建立及PCNL术

穿刺成功后拔除针芯, 置入导丝, 逐级扩张穿刺通道至F16~F20, 之后常规实施钬激光碎石取石术。如需建立更多通道, 方法同前。术毕留置肾造瘘管、输尿管支架和尿管。

1.6 临床数据的收集整理

记录每例患者的基线资料和围手术期资料, 包括年龄、性别、体质量指数、结石体积、S.T.O.N.E 评分、手术总时长、穿刺时长、通道数、穿刺尝试次数、完全清石率、术后并发症发生情况等。其中结石体积使用Mimics软件测得, 穿刺时长是指术者利用超声寻找到目标盏并穿刺成功的时间。穿刺尝试次数：穿刺针进入皮肤计为一次, 如穿刺不满意, 穿刺针拔出体外或拔出至皮下再次进针计为第二次, 以此类推。完全清石：指术后平扫CT提示集合系统内无长径≥ 4 mm的结石。

2 结 果
2.1 全息影像模型结果

30例患者均于术前进行了全息影像模型的构建和手术规划, 采用俯卧位CT摄片者28例, 侧卧位者2例。全息影像建模与CT摄片间隔的中位天数为2（1.00, 4.25）d, 与手术间隔的中位天数为1（1.00, 2.00）d。术前规划提示可通过单通道、双通道及三通道达到完全清石的例数分别为26例（86.7%）、3例（10%）和1例（3.3%）。术中采用HoloLens 2模式及平面查看器模式协助穿刺者分别为26例（86.7%）及4例（13.3%）。

2.2 手术结果

30例患者均顺利完成PCNL手术, 均为单侧手术。手术总时长为（93.3± 32.6）min, 术中穿刺时长为（8.5± 3.6）min。术中实际建立的经皮肾通道数目与术前规划一致[1（1.00, 3.00）], 每个通道的穿刺尝试次数为1~3次。术后（拔除肾造瘘管前）通过平扫CT验证的实际通道位置与术前规划的通道位置符合率为97.1% （34/35）, 1例不符合者为术前规划的穿刺上盏通道因实际位置过高, 而选择了下盏穿刺。术后CT证实的完全清石率为93.3%（28/30）。

2.3 手术并发症

纳入患者均未发生气胸及肝、脾、肠道损伤, 均未输血, 无肾动脉介入栓塞、感染性休克、转入ICU等严重不良事件发生, 术后第一天血红蛋白较术前下降为6.5（3.0, 13.5）g/L。术后Clavien-Dindo 并发症分级为0级者20 例（66.7%）、Ⅰ 级者7例（23.3%）, Ⅱ 级者3例（10%）, Ⅲ ~Ⅴ 级者0例。其中Ⅰ 级并发症包括使用止痛药及解痉药、延迟拔除肾造瘘管、血色素下降偏多, Ⅱ 级并发症均为术后尿路感染发热及抗生素使用。术后平均住院时间为5（3, 7）d。

3 讨论

全息影像模型在PCNL中的应用报道尚少[13, 14]。不同于传统的体绘制三维影像模型, 全息影像模型利用面绘制的方式进行构建[15, 16]。其制作过程尚未实现自动化, 需要图像工程师采用手动或半自动方式对人体器官进行逐一的勾勒和拆分。本研究中PCNL全息影像模型的制作时长大多在1 h左右。

全息影像模型在PCNL术前规划方面的价值容易理解：首先, 它有助于术者直观掌握肾脏集合系统的空间结构及结石分布, 以便准确选择穿刺目标肾盏; 其次, 通过立体化展示毗邻器官位置、肾分支动脉分布及目标肾盏角度, 使术者容易确定最优的穿刺路径, 以避免副损伤及盏颈的过度摆动; 此外, 在直观获取穿刺深度、盏颈长度、集合系统及结石空间分布后, 术者容易基于既往经验对手术进行认知模拟, 以预估清石效果及残石可能。“ 清石范围手术模拟” 和“ 超声截面图像模拟” 是我们在全息影像技术下衍生出的次级技术, 也在临床实践中证明了其良好的应用价值。

精确配准和穿刺针位置实时监测是穿刺类手术术中导航的难点[17, 18, 19]。全息影像技术目前尚无法独立解决这些难点, 不过在配准方面, 虽然肾脏随呼吸和体位产生的位移无法完全避免, 但通过优化CT拍摄条件并利用定位贴提高术中配准的精确度, 已经可以使模型中的虚拟皮肤穿刺点与实际的皮肤穿刺点非常接近。我们的实践证明, 通过配准后全息影像模型提供的皮肤穿刺点进行超声观察, 几乎总能探及目标肾盏并对目标盏成功实施穿刺。无论是通过HoloLens 2空间投射还是平面查看器进行参照, 该模型均有助于术中辅助穿刺。优化CT拍摄条件包括手术体位摄片、体位垫使用及呼吸调节, 其目的是使CT中的肾脏位置与术中肾脏位置尽量接近。当术中完成视觉配准后, 如发现模型中的虚拟肾脏与超声探查获得的真实肾脏位置有偏差时（一般为毫米级）, 可对穿刺点和穿刺角度做出适当调整, 一般均能获得与规划相符的穿刺。

穿刺角度常会对整体碎石效果带来不小的影响, 以上组肾盏穿刺为例, 良好的穿刺角度有可能兼顾处理肾盂甚至下盏结石, 但不佳的角度则仅能处理该上盏内的结石。在实际操作中, 要想实现以预设的最佳穿刺角度准确进入目标盏并不容易, 我们发现在全息影像术中配准时, 肾脏的真实位置往往会和全息影像模型中的位置存在一定的偏差, 一旦偏差较大（如> 5mm）, 预设的穿刺路径及其角度便不可使用。此时如能对进针点进行一定程度的“ 代偿性” 调整（一般为上移）, 则依然能够参照原穿刺角度进行穿刺, 效果也较好。当然, 如能严格按照术中体位、呼吸进行规范化CT摄片, 则上述偏差一般会控制在较小的范围。

全息影像引导经皮穿刺技术的研发过程中尚面临诸多难点, 比如模型制作耗时且成本较高、尚未实现自动化配准、未能完全解决肾脏漂移问题、穿刺时尚不能脱离传统的超声或X线监视等。不久的未来或许可以实现术中CT扫描后的快速自动建模, 以及自动配准后利用机械臂实施的精准穿刺。

作为回顾性报道, 本文也存在很多不足, 比如实验数据缺少与传统手术方式的对照, 研究样本量偏少, 纳入病例的结石复杂度评分总体偏低等, 未来将积极开展大样本量的对照研究, 进一步阐明全息影像技术在PCNL手术中的应用价值。

总体而言, 全息影像术前规划对于复杂结石的价值更大（如鹿角形结石、盏颈细长且结石多发者、存在解剖变异者）, 有助于以较少的穿刺通道达到完全清石。此外, 对于初学者理解PCNL术的操作要点、减少学习曲线也大有裨益。术中辅助穿刺的价值则体现在可以帮助术者按照术前既定的策略完成穿刺, 以更加优化和精准的方式实施手术并减少并发症。

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