术前三维影像重建在治疗肾盂输尿管连接部梗阻中的应用

Abstract

Objective

To investigate the value of preoperative three-dimensional image reconstruction in the treatment of ureteropelvic junction obstruction (UPJO).

Methods

We reviewed data on 40 patients (22 male cases, and 18 female cases) diagnosed with UPJO in Peking University First Hospital from May 2017 to April 2019. The median age was 26.5 years (IQR 23.25-38.75) years. There were 11 patients complicated with ectopic vessels, 14 patients with kidney stones, 3 patients with horseshoe kidney, and 6 patients with obstruction after pyeloplasty. All the patients underwent preoperative enhanced CT scan, and the CT data were reconstructed into three-dimensional image models. The obstruction position of ureteropelvic junction and the relationship between ureteropelvic junction and blood vessels and organs were observed by three-dimensional models to assist planning surgery. Thirty-seven patients underwent laparoscopic pyeloplasty (including 3 cases combined with pyelolithotomy with flexible cystoscope, 1 case combined with pyelolithotomy by sun-style cystoscope, 1 case with laparoscopic ureter resection and anastomosis, 3 cases of laparoscopic pyeloplasty of horseshoe kidney), 2 patients underwent laparoscopic ventral onlay lingual mucosal graft ureteroplasty, and 1 patient underwent robot-assisted laparoscopic pyeloplasty.

Results

Three-dimensional CT image clearly showed the relationship between the obstruction of ureteropelvic junction and blood vessels and organs after three-dimensional reconstruction. The type, diameter, position and direction of the ectopic vessels could be observed clearly before operation according to the three-dimensional reconstruction model, and the number, size, location and shape of renal calculi or other masses, the number of involved renal calyces and the anatomical distribution in the renal pelvis and calyces could be also evaluated preoperatively. After comprehensive analysis of the above information, individualized operation plans were performed on the patients, all the 40 cases were successfully completed with the surgery without any transfer to open surgery. The average operative time was (129.91±37.90) min (range: 75 to 273), the average blood loss was (48.1±78.0) mL (range: 10 to 400), the average hospitality was (5.04±1.99) d (range: 2 to 10), and the average postoperative drainage time was (3.8±1.4) d (range: 2 to 8).

Conclusion

The preoperative three-dimensional image reconstruction has a high clinical value in the treatment of ureteropelvic junction obstruction, and it is of great help to assist surgery planning and is worthy of further clinical promotion and application.

肾盂输尿管连接部梗阻(ureteropelvic junction obstruction，UPJO)是肾积水的常见原因，包括原发性和继发性两大类，具体可分为腔内因素及腔外因素，腔内因素包括肾盂输尿管连接部(ureteropelvic junction，UPJ)管腔内狭窄、输尿管内瘢痕形成、输尿管发育不良等，腔外因素多为下极异位肾血管压迫，另外UPJO还可合并马蹄肾、重复肾等先天性肾畸形，治疗较为困难。临床医师只有在进行充分术前评估后，才能针对性地确定治疗方案。在对患者的术前评估中，影像学评估尤为重要，目前常见的术前影像学评估主要包括B超、静脉肾盂造影、逆行尿路造影和泌尿系统增强CT等，但上述检查无法提供患者的肾血管及集合系统三维立体结构。随着计算机技术的发展，医学可视化技术特别是高分辨CT三维重建技术的应用不断进展^[1-2]，三维影像重建通过计算机图像处理技术对CT原始数据进行整合，以三维图像将肾、血管、集合系统、病变组织和结石等目标的形态和空间分布显示出来，为临床医师提供直观、准确、立体的三维重建模型，以辅助术者进行术前评估及拟定治疗方案。本研究旨在研究三维影像重建模型对UPJO患者术前病情评估和手术方案制定的辅助作用，以探讨术前三维影像重建技术在治疗UPJO中的临床应用价值。

1. 资料与方法

1.1. 病例资料

选择2017年5月至2019年4月北京大学第一医院收治的UPJO患者病例资料进行回顾性分析，共收集病例40例，男22例，女18例，中位年龄26.5岁(四分位距23.25~38.75岁)。25例患者以腰部酸胀、疼痛为首发症状，无临床症状者共15例，25例患者发现有肾积水，中、重度肾积水患者共18例。2例患者合并有泌尿系感染，14例患者合并有肾结石。所有UPJO患者临床资料分析见表 1。

1.

40例UPJO患者临床资料分析

clinical data analysis of 40 patients diagnosed with UPJO

Items	UPJO (n=40)
UPJO, ureteropelvic junction obstruction.
Operative time/min	129.91±37.90
Blood loss/mL	48.1±78.0
Drainage time/d	3.8±1.4
Hospitalization time/d	5.04±1.99

1.2. 三维影像重建技术

对所有患者分别行CT增强扫描，包括平扫期、动脉期、静脉期、延迟期共4期扫描，收集CT原始数据并以医学数字成像DICOM(digital imaging and communications in medicine)数据格式存储。将患者各期的DICOM数据导入深圳市旭东数字医学影像技术有限公司医学影像处理软件IPS(版本号:2.0.7.0)进行三维重建。采用体绘制交互的“阈值分割法”对CT数据进行分割和重建，以显示血管的立体重建模型; 应用“面绘制”和“区域生长法”等方法对肾、肾盂肾盏、输尿管、结石等结构进行重建; 应用数据图形处理工具对重建模型去噪、平滑; 由专门的阅片平台Viewer阅读三维重建图像模型，使用不同的颜色以区分重建后的动脉、静脉、肾内外集合系统、肾，以及肿瘤和结石等占位，重建后的图像可以从任意角度观察，并可旋转、缩放、切割、抹除、透明化任意器官及占位，术者可以反复观察三维影像以明确肾盂输尿管连接部狭窄部位及周围组织毗邻关系，肿瘤、结石等占位的大小与位置，血管变异等情况。

1.3. 术式的选择

依据患者术前CT检查、三维影像重建结果，确立手术方案，37例均行腹腔镜下肾盂成形术(其中3例为腹腔镜下肾盂成形联合软膀胱镜取石术，1例为腹腔镜下肾盂成形联合孙氏镜取石术，1例为腹腔镜下肾盂成形联合输尿管切断再吻合术，3例为腹腔镜下肾盂成形联合马蹄肾成形术)，2例为腹腔镜下舌黏膜补片法输尿管成形术，1例为机器人辅助腹腔镜下肾盂成形术。

1.4. 统计学分析

应用SPSS 24.0软件处理数据，计量资料用均数±标准差表示。

2. 结果

2.1. 异位血管(图 1)

1.

UPJO伴异位血管的三维影像模型

Three-dimensional image model of UPJO with ectopic vessels

在建立的CT三维重建模型中，术者可从不同角度观察，综合判断患者异位血管与UPJ的走形关系及毗邻关系。共11例UPJO患者三维重建模型显示存在异位血管(表 2)，6例患者异位血管为动脉(其中4例异位动脉位于肾盂输尿管前方，1例异位动脉横跨于肾盂输尿管连接部，1例异位动脉位于肾盂输尿管后方)，4例患者异位血管为动静脉(3例异位动静脉走形于肾盂输尿管前方，1例异位动静脉走形于肾盂输尿管后)，仅1例患者异位血管为静脉，横跨于UPJ。依据三维重建模型提供的信息，术者于术前可清晰地判断异位血管的类型、位置及走形方向，术中显露各支异位血管后，分别采取不同处理方式，异位血管为动脉时尽量保留血管，当异位动脉明确压迫引起UPJO，走形于手术区域内难以避开，保留该动脉对上尿路的压迫解除作用不确切，且异位动脉较细，离断后对肾供血影响较小时可结扎切断。异位静脉压迫引起UPJO时，非肾静脉主干的一般结扎切断。处理好异位血管后顺利行北京大学泌尿外科研究所经腹改良肾盂成形术^[3]。

2.

UPJO伴异位血管患者临床资料分析

Plinical data analysis of patients diagnosed with UPJO with ectopic vessels

Case	Type of ectopic vessel	Number of branches	Spatial relationship between UPJ	Spatial distance between UPJ	Operation procedures
A，artery; V，vein; UPJ, ureteropelvic junction.
1	Artery	1	In front of UPJ	Near	Retained
2	Artery	1	In front of UPJ	Far	Retained
3	Artery	2	Behind the UPJ	Far	Retained
4	Arteries and veins	A: 1/V: 1	Behind the UPJ	Far	Retained
5	Arteries and veins	A: 4/V: 3	In front of the renal pelvis	Near	Cut off
6	Artery	1	In front of UPJ	Far	Cut off
7	Arteries and veins	A: 1/V: 1	In front of UPJ	Near	Retained
8	Vein	1	In front of UPJ	Near	Cut off
9	Artery	1	In front of UPJ	Near	Retained
10	Artery	1	In front of the renal pelvis	Near	Retained
11	Arteries and veins	A: 3/V: 2	In front of the renal pelvis	Near	Retained

2.2. 肾结石(图 2)

2.

UPJO伴肾结石的三维影像模型

Three-dimensional model of UPJO with kidney stones

A, the location and shape of urinary stone located in the lower calyces could be clearly identified when renal tissue and blood vessels were eliminated; B, the maximum length axis and the maximum diameter of the stone could be found and measured by adjusting the spatial orientation and angle in the 3D mode.

肾结石共14例患者，单发肾结石6例(5例位于下盏，1例位于中盏)，多发肾结石8例(4例位于中下盏，4例位于下盏)，三维重建模型显示肾结石多位于肾下盏，位于上盏者少见。4例患者肾结石较大或为肾盏内多发结石，最大单枚结石直径为9.1~21.8 mm，平均(15.55±6.63) mm，且伴有不同程度的肾功能下降，术中予相应处理; 其余10例肾结石较小，最大单枚结石直径1.6~13.7 mm，平均(6.59±4.24) mm，术前决定不予术中处理。1例青年男性患者，术前CT三维重建显示肾结石位于肾下级小盏内，结石单发，直径较大(20.2 mm)，且完全占据小盏内空间，考虑肾结石持续存在将影响肾小盏功能; 1例青年女性患者，左侧UPJO伴肾多发结石，肾下盏2枚结石，最大结石直径为9.1 mm，中盏一枚结石，直径为4.9 mm; 另一例老年女性UPJO患者，左侧孤立肾伴单发肾结石，结石直径为10.6 mm，术者通过三维重建模型确定结石大小及位置后，术中行IUPU经腹改良肾盂成形术联合膀胱软镜肾盂取石术; 另1例青年男性患者，肾多发结石，其中最大一枚结石位于中盏，直径为21.8 mm，中盏内另1枚结石为2.3 mm，肾下盏内2枚结石直径分别为8.4、6.8 mm，三维模型显示结石直径均较大，且位于不同肾盏内，取石难度较大，确定手术方案后，术中顺利行孙氏镜取石术。

2.3. 马蹄肾(图 3)

3.

UPJO合并马蹄肾及肾盂成形术后梗阻的三维影像模型

Three-dimensional image model of UPJO with horseshoe kidney and UPJO after pyeloplasty

A, horseshoe kidney with UPJO, with many vessels around the isthmus of horseshoe kidney, which includes small arteries and a vein across the renal pelvis; B, UPJO after pyeloplasty, with rough upper ureteral segment.

3例患者三维重建模型显示合并马蹄肾，其中1例患者三维模型示峡部抬高，峡部为一囊肿，周围异位血管较多，肾盂扩张明显并梗阻，拟定手术方案为囊肿去顶后离断峡部，注意避免损伤血管，裁剪狭窄的UPJ后行马蹄肾成形术+肾盂成形术，2例患者伴肾积水，三维重建模型可见一侧肾积水，肾盂明显扩张，UPJ处可见异位索条及异位血管，术中切断异位索条，牵开异位血管再行肾盂成形术及马蹄肾成形术。

2.4. 肾盂成形术后

肾盂成形术术后梗阻患者共6例，其中5例患者行腹腔镜下肾盂成形术，1例患者行腹腔镜下舌黏膜补片法输尿管成形术。三维重建模型显示其中1例患者UPJO长段严重狭窄，单支异位肾动脉走形于肾盂前方，相较下段输尿管，输尿管上段毛糙，管腔直径较细，行腹腔镜下舌黏膜补片法输尿管成形术。

40例手术均顺利完成，无中转开放手术者。平均手术时间(129.91±37.90) min，平均出血量(48.1±78.0) mL，平均术后拔除引流时间(3.8±1.4) d，平均住院时间(5.04±1.99) d。

3. 讨论

UPJO是泌尿外科中较为常见的尿路梗阻性疾病，以尿液从肾盂通过输尿管流向膀胱受阻为主要特点。开放离断肾盂成型术(Anderson-Hynes式)被认为是治疗UPJO的标准术式^[4-5]，但近年来随着技术的发展，腹腔镜下肾盂输尿管成形术在临床中广泛应用，已逐渐替代开放肾盂成形术成为治疗UPJO的首选术式，成功完成该手术的关键步骤是术前明确患者肾、输尿管及血管的解剖结构，目前临床上主要通过静脉肾盂造影、逆行尿路造影、B超检查和CT检查等影像学检查评估患者的解剖结构，但上述检查无法显示精细的空间三维结构，具有一定的局限性。即便是CT设备自带软件生成的三维重建图像，如CTA、CTU，能一定程度上显示肾、集合系统和肾蒂血管的三维解剖结构特点，但其三维模型图像的构建基于单时相期CT数据集，无法对图像有效分割，三维图像透明化困难，脏器的内部结构不能显示; 同时由于图像融合技术的缺乏，不同时相的重建模型无法进行融合，难以辅助术者进行全面的手术规划，针对高危复杂的尿路疾病，临床医师缺乏更精确的技术支持。近年来随着“精准外科”概念的提出，可视化三维重建技术特别是基于CT的三维重建技术在外科领域中快速发展起来^[6-8]。

肾动脉最常见为每侧各一条，双侧肾均为单支肾动脉者约为70%^[9]，与之不同的肾动脉形式均可视为肾动脉变异，不经肾门入肾的额外肾血管称为副肾动脉或静脉，也可称为肾异位血管。曾有报道，术前明确肾蒂血管变异的存在及其表现形式对减少术中出血、缩短手术时间均有重要意义^[10]。UPJO合并异位血管的处理较为棘手且富有争议，而基于CT的立体化、可视化三维重建模型能直观反映肾集合系统及周围血管解剖变异特点，可辅助术者于术前明确异位血管的位置、类型及走形方式。异位动脉因维持着部分肾的血供，在处理上通常予以保留，仅当满足一定条件时可予以离断(异位动脉明确压迫肾盂造成UPJO，并走形于手术区域内难以避开; 对异位动脉悬吊时张力较大，对其血管转位时压迫解除作用不明显^[11]; 异位动脉血管较细，离断后对肾供血影响较小)。本研究1例青年患者(图 1A)，术前的三维影像模型清晰显示出异位动脉压迫在UPJ前方的位置关系，拟定的手术方案为充分游离异位动脉及UPJ后保留动脉，于动脉前方行肾盂输尿管吻合术。另一例合并有重复肾的青年UPJO患者(图 1C)术前三维重建模型显示，重复肾的重复肾盂处走形有多支较细的异位动脉及静脉，走形于手术区域内难以避开，行肾盂成形术时注意游离重复肾盂后离断异位血管。而1例伴肾旋转不良的UPJO患者(图 1B)三维重建图像显示2支异位动脉走形于输尿管后方，调整三维重建模型，观察至侧面可见异位动脉与输尿管间隙较大，无明确压迫征象，因而术中注意保留血供，不予处理此异位动脉。由此可见，临床医师可基于术前三维重建模型信息对UPJO患者不同血管变异情况制定出精准的术前规划，术中针对性的对肾蒂血管定位、结扎和离断，从而避免了不必要的血管损伤，提高了手术准确性以及手术效率。

UPJO会造成肾盂内压增高、肾积水，进而导致肾功能损害，同时也会因尿液淤积引起肾结石^[12]，UPJO合并结石时，选择何种治疗方式处理结石常给术者带来一定的困惑，术前明确肾盏结石的大小、形态及位置对手术的顺利进行至关重要。有研究报道，数字化肾结石三维模型可为手术设计提供可靠和全面的依据，术前虚拟仿真手术对提高碎石率和减少手术并发症有重要指导意义^[13]，由于肾盂特殊的空间结构，肾盂内结石常形态各异，针对一些形态不规则的肾盂结石，三维立体模型能显示出结石的立体空间结构，从而可测量出结石的最长径，突破传统二维图像在结石直径测量上的束缚，此外，三维重建模型可明确结石于肾盏内的空间位置，以及与周围组织的毗邻关系。Li等^[14]探讨了三维重建技术在经皮肾镜碎石术(percutaneous nephrostolithotomy, PCNL)治疗肾结石中的应用价值，15例复杂肾结石患者PCNL术前构建三维重建模型以辅助手术方案拟定，术后一期结石清除率为93.3%，最终无石率为100%，减少PCNL术式经皮穿刺风险，提高一期结石清除率。本研究共14例患者合并有肾结石，其中2例患者肾结石为下盏单发结石，1例患者为肾中下盏多发结石，下盏结石较其他盏结石直径较大，以上3例均采用IUPU改良的腹腔镜肾盂成形术联合膀胱软镜治疗UPJO合并肾结石^[15]，另1例青年男性患者为肾多发结石，中盏结石较其他盏直径较大，不同肾盏内结石空间方位调度较大，术前决定予肾盂成形术联合孙氏镜碎石取石术，手术均顺利进行，无中转开腹及出现术中大出血等并发症，可见三维重建技术在处理UPJO合并肾结石上有着较好的应用价值。

肾盂成形术后再患肾盂输尿管连接部狭窄的处理常比较棘手，需要术者充分的术前评估，以选择出最佳术式，术者可再次行肾盂成形术，当伴有输尿管短段狭窄可行狭窄段切除-端端吻合术，而长段狭窄的处理方式多样，包括膀胱瓣、腰肌悬吊术、肠代输尿管术、自体肾移植术等，自Simonato等^[16]于2006年首先报道将舌黏膜用于重建尿道以来，舌黏膜用于修复前尿道狭窄在临床上得到广泛应用并取得了良好的远期效果^[17-18]，Li等^[19]报道了1例输尿管镜钬激光碎石术后输尿管狭窄的病例，患者泌尿系统CT尿路重建显示局部输尿管高度狭窄、闭锁，逆行泌尿系统造影示造影剂经输尿管导管注入不能上行，综合评估以上检查结果后，术者判断患者为输尿管上段狭窄，并成功行腹腔镜舌黏膜补片法输尿管成形术予以修复。本研究5例患者行腹腔镜下肾盂成形术，另1例肾盂离断成形术后再次UPJO的青年患者, 三维影像重建模型显示输尿管上段相较下段输尿管毛糙，长度达5 cm，且管腔直径较细，结合患者病史，术前评估此段输尿管严重狭窄，拟通过舌黏膜补片重建输尿管。三维重建模型清晰地显示了狭窄段输尿管的位置、长度及毗邻结构，辅助术者术中快速地寻找到狭窄段输尿管，并覆盖上修减后的舌黏膜与输尿管吻合，顺利行舌黏膜补片法输尿管成形术。本研究通过术前CT三维重建，辅助术者术前评估患者病情，有着良好的临床应用价值。

综上所述，三维影像重建模型提供了可视化立体解剖信息，可辅助术者全面的术前规划，提高术者在手术操作中的精确性，对安全地施行手术有重要的临床意义。