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目的对30个正常人和肾结石患者采集肾脏CT的扫描数据,通过图像分割和融合来重建肾脏的三维立体模型;测量与肾结石病因的相关解剖结构数据,比较和分析正常人与肾结石患者之间这些数据的差异,以期为肾结石的病因提供基础数据参考。然后,在重建的肾结石患者的数字化三维模型上进行经皮肾镜碎石术(Percutaneous nephrolithotomy,PCNL)虚拟手术,比较虚拟手术与这些患者在实际手术的穿刺路径、穿刺点、穿刺深度和通道选择等指标的差异。同时比较经术前虚拟手术规划和模拟的PCNL手术与未经PCNL虚拟手术规划模拟的常规PCNL手术在住院时间、手术时间、手术效果、并发症和术后出血等指标方面的差异,从而为提高PCNL的手术效果,减少并发症提供新的思路。材料与方法随机选取肾结石患者和正常人各30例,分别作为研究组和对照组。研究组选取的是2017年12月到2019年2月在北京房山区良乡医院就诊的肾结石患者,对照组是同期在我院进行体检的正常人。两组患者采集肾脏CT的扫描数据后,通过图像分割和融合来重建肾脏的三维立体模型;测量与肾结石病因的相关解剖结构数据(肾脏长度、肾脏宽度、肾窦长径、肾窦宽径、肾盂与输尿管连接处直径、肾上缘至棘突纵线距离、肾下缘至棘突纵线距离、肾门至棘突纵线距离),比较和分析两组研究对象之间这些数据的差异。根据三维数字化测量结果和重建的三维模型,对肾结石的患者采用PCNL仿真手术器械进行穿刺路径、穿刺点、穿刺深度、通道选择等的手术规划和设计,并通过虚拟仿真手术操作模拟来熟悉患者的肾内结构及其与毗邻脏器之间的关系,虚拟手术操作包括留置导管、建立通道、碎石过程和留置造瘘管等,虚拟手术后进行真实的PCNL手术;记录虚拟手术与实际手术时穿刺部位、穿刺通道、穿刺深度,来比较虚拟手术与实际手术的符合度。此组经虚拟手术后行PCNL手术的肾结石患者,为A组。查询同期因肾结石在我院住院治疗未经虚拟手术的常规PCNL手术患者为B组。比较A、B两组患者在真实PCNL手术中的差异(手术时间、术中出血量、术后住院天数、总住院天数、术后并发症)。所有研究对象的肾脏螺旋CT扫描是在空腹时进行,扫描体位为平卧位,扫描时期为平扫期、动脉期、静脉期和肾盂排泄期共四个时相。将所获取的四个时相的CT图像数据导入三维图像处理和编辑软件(MIMICS16.0)来产生3D图像,并通过编辑、图像分割、三维重建来形成肾结石的三维图像模型。图像分割技术主要采用的是阈值分割法和区域生长法等,图像分割和三维重建均由软件进行自动处理,但为了使图像数据更为准确,贴近真实,还需要进行人工校对。三维图像的质量评估和控制则由两名经验丰富的泌尿外科专业医师进行评估,根据评估标准来判断重建的三维模型的有效性。虚拟仿真手术则是由3D Studio Max软件和FreeForm Modeling Plus(3D触觉式设计系统)来共同完成的。重建的三维模型可以被放大和缩小,还可以通过旋转来观察肾脏三维空间的位置和大小,透明化可以观察肾脏内部结构。研究过程中获取的数据在统计软件SPSS20.0中进行统计学分析,计量资料采用t检验,计数资料采用卡方检验,双侧P<0.05表示差异具有统计学意义。结果1、肾结石患者与正常人的肾在肾脏长度、肾脏宽度、肾窦长径、肾窦宽径、肾盂与输尿管连接处直径、肾上缘至棘突纵线距离、肾下缘至棘突纵线距离、肾门至棘突纵线距离方面的三维数字化测量结果差异无统计学意义(P>0.05)。2、肾结石患者肾脏解剖学多参数logistics回归分析结果表明,肾结石患者的肾脏长度、肾脏宽度、肾窦长径、肾窦宽径、肾盂与输尿管连接处直径、肾上缘至棘突纵线距离、肾下缘至棘突纵线距离、肾门至棘突纵线距离等与肾结石的形成无明显相关性(P>0.05)。3、共采集了30套肾结石患者四个时相的64层CT图像,建立了30例患者的肾结石三维模型,其中有效完整的模型共29例,有效性96.7%。重建的肾脏三维模型具有很好的可视性,肾脏轮廓及其与毗邻器官的关系清晰可见,模型评分较高,肾动脉的主干及其分支和肾静脉主干及回流属支均清晰可见。透明化处理后,结石形态、数目、大小一目了然,集合系统的扩张程度也清晰可见。4、虚拟仿真手术穿刺部位16例选在肾上极,13例选在肾中极;26例通道位置选在11肋间,3例通道位置选在12肋下,平均穿刺深度为(6.51±0.94)厘米。5、虚拟仿真手术有16例穿刺入路选择在上盏,13例选在中盏;26例穿刺点选在第11肋间,3例选在第12肋下;29例通道选择均为单通道;而实际手术中17例选在上盏,12例选在中盏;26例穿刺点选在第11肋间,3例选在第12肋下;28例通道选择为单通道,1例为双通道。虚拟仿真手术与实际手术的穿刺路径、穿刺点、穿刺通道符合度分别为96.6%(28/29)、100%(29/29)和96.6%(28/29),且虚拟仿真手术中平均穿刺深度为(6.51±0.94)厘米,实际手术中的平均穿刺深度为(7.05±0.83)厘米,虚拟手术与实际手术的穿刺路径、穿刺点、穿刺通道和穿刺深度差异无统计学意义(P>0.05)。6、经虚拟仿真手术方案设计与模拟的PCNL手术组(A组)的平均手术时间为(75.13±25.69)分钟,平均住院时间为(14.30±5.27)天,平均出血量为(40.67±59.38)毫升,术后住院时间为(7.20±1.75)天,术后严重并发症的发生率为0%;而常规PCNL手术组(B组)的平均手术时间为(83.95±60.14)分钟,平均住院时间为(16.54±6.13)天,平均出血量为(104.27±51.48)毫升,术后住院时间为(9.15±2.24)天,术后严重并发症的发生率为6.9%;两组的住院时间、平均手术时间差异无统计学意义(P>0.05),但平均出血量、术后住院时间、并发症发生率差异具有统计学意义(P<0.05)。结论1、肾结石患者的肾脏长度、肾脏宽度、肾窦长径、肾窦宽径、肾盂与输尿管连接处直径、肾上缘至棘突纵线距离、肾下缘至棘突纵线距离、肾门至棘突纵线距离等对肾结石的形成无明显相关性。2、肾结石虚拟手术与实际手术具有较好的符合度,术前通过重建的肾结石三维模型进行虚拟手术设计规划和模拟,有助于减少PCNL手术的出血量,减少术后住院时间和严重并发症的发生。