经皮肾镜碎石取石术穿刺定位技术的研究进展

经皮肾镜碎石取石术穿刺定位技术的研究进展【摘要】目的经皮肾镜碎石取石术（PCNL）是治疗大体积肾结石（>2cm）的主要方法，穿刺定位是手术成功的关键。本文梳理了PCNL穿刺定位技术的研究进展，旨在为提升PCNL手术技能提供策略。方法系统检索PubMed、WebofScience、中国知网等数据库相关文献，综合分析传统（X线、超声、CT引导）及新型（增强现实、电磁跟踪、机器人辅助、三维可视化）定位技术的原理、优势、局限性及临床应用价值。结果以机器人辅助、增强现实、CT-超声融合、电磁跟踪等为代表的新型影像引导技术，在提高定位准确性、降低手术难度、缩短学习曲线和减少辐射暴露方面展现出显著优势。结论立体成像技术、辐射剂量控制、图像质量优化及多模态图像融合是PCNL穿刺定位技术发展的关键方向。人工智能与医学影像技术的融合，有望进一步缩短学习曲线、降低手术难度，对PCNL技术的普及推广具有重要意义。【关键词】经皮肾镜碎石取石术；影像导航；增强现实；超声-CT融合；机器人手术；三维可视化泌尿系结石是泌尿外科的常见疾病，经皮肾镜碎石取石术（percutaneousnephrolithotomy，PCNL）被欧洲泌尿外科协会指南列为治疗大体积肾结石（>2cm）的首选方案[1]。穿刺定位技术是PCNL的核心技术，对手术的成败与并发症的发生有着深远的影响。传统X线与超声定位因为受到辐射暴露或图像质量的限制，难以满足复杂病例的需求。近年来，CT-超声融合、电磁跟踪及机器人辅助等技术的出现，为上述问题的解决提供了全新的思路。本文致力于对PCNL定位技术的进展进行综述，并通过系统对比不同技术的临床效能与转化瓶颈，为优化手术策略提供依据。一、传统定位技术进展1.X射线在PCNL定位中的应用与技术革新X线定位技术以操作的便捷性与较短的学习曲线为优势，曾被广泛应用于临床。然而相关研究表明，由于该技术存在电离辐射的累积性效应与图像缺乏空间信息两个不足，使得其在PCNL的应用中有很大的局限性[2-4]。辐射暴露很大程度上取决于采用何种防护措施。传统铅防护服虽然防护效果好，但重量大、灵活性差[5]。新一代防护服采用轻质材料如锡、钨、锑等，减轻了重量，提高了舒适性[6-7]。创新的防护系统，如移动式辐射防护舱和悬浮式辐射防护不仅提高了医护人员的舒适性，还减轻了长期佩戴带来的身体负担[8]。近些年，微型入路导向器和SabreSourceTM等新型系统的研发，使穿刺精度提高的同时降低了辐射暴露。微型入路导向器是Chowdhury等[9]开发的一项简单便宜的辅助穿刺设备。它能够消除由人为震颤和针头错位产生的穿刺误差，使穿刺精准度进一步提高，且缩短了学习曲线。但还需要更多的临床实践来评估它的有效性。SabreSourceTM是一个安装在C臂X线机上的实时图像引导系统[10]。其原理是通过与定位器结合使用，在X线图像上显示靶向十字线来定位目标肾盏，并根据激光束提供正确的穿刺点和角度。结果显示SabreSourceTM系统减少了辐射暴露的同时缩短了穿刺筛查时间。X线定位技术在防护设备和导航系统的持续改进下，辐射暴露问题得到了一定缓解，穿刺精度也有所提升。然而，其本质仍为二维成像，在复杂解剖条件下定位能力有限，这促使了三维和实时导航技术的发展。2.超声影像定位技术的应用超声定位系统是由声波在组织界面的反射系数梯度变化的原理，实现结石形态的特征成像。它具有无辐射、操作简单、实时监测等优点，尤其适用于肾积水患者[11]。而对于肥胖或肠腔积气的患者，影像质量多有衰减现象。该局限性可能导致结石定位准确性下降。再者，超声的可视范围相对狭窄，对穿刺深度及周围组织的空间关系的判断较为困难。除此之外，超声定位在无肾盂积水的患者中的难度大，这些都是影响PCNL成功率的影响因素。为解决上述问题，第二代超声造影技术（contrastenhancedultrasound，CEUS）突破了无肾盂积水病例的技术壁垒。其关键在于应用六氟化硫微泡作为声学增强介质，现已被广泛应用于肝、前列腺以及肾[12]。六氟化硫是一种微泡超声造影剂，内部含有的六氟化硫浓度较高[13]。这种气体微泡通过建立气液平面的声阻抗差，使肾髓质与肾皮质的分辨率显著提升，有利于对结石位置进行定位以及扩张的肾盏和肾囊肿的区分[14]。已有研究证明六氟化硫微泡是一种可靠的造影剂，并已广泛地应用于临床[15]。多项研究表明CEUS在无肾盂积水的PCNL患者中表现出明显优势，包括更高的穿刺成功率、更短的穿刺时间以及更少的并发症[14,16-17]。其中Liu等[18]开展的一项随机对照试验，结果显示CEUS在穿刺成功率和穿刺时间上均有优势。在PCNL中，精准穿刺是关键步骤。传统穿刺针因镜面反射易导致超声成像模糊，尤其在深部肾组织穿刺时显影困难。相关研究表明，新型穿刺针如螺旋形针体能稳定维持高回声特征，提高首次穿刺成功率，有助于缩短手术时间并降低并发症风险[19]。超声定位凭借其无辐射、实时成像等优点成为PCNL的重要辅助手段。CEUS与新型穿刺针的应用显著拓展了其适应范围，提升了在困难病例中的定位成功率，为超声引导技术的进一步智能化奠定了基础。这些突破性进展不仅重新定义了超声引导技术的适用范围，更为开发智能化穿刺系统提供了理论依据。3.CT引导下经皮肾镜取石术CT引导技术在PCNL中的应用起源于Haaga等[20]的开创性探索。该技术根据手术前或术中的CT扫描对肾脏、结石以及穿刺路径进行精确定位。并通过结合三维重建技术，能够清晰地呈现出肾脏的解剖结构及结石的空间位置，从而提高穿刺准确性。锥形束CT（conebeamCT，CBCT）作为传统C臂X线机的改良版本，具有C臂成像的多元性与横断面成像的准确性。CBCT在术前规划及穿刺引导方面具有很大的优势，但对于术者及患者却有着较高的辐射暴露风险[21]。目前对于剂量的控制主要有以下方面：在硬件层面，新型高效率平板探测器的应用使同等图像质量下辐射输出明显降低[22]，可在保护敏感器官（如晶状体、甲状腺）的同时维持目标区域成像质量。人工智能（artificialintelligence，AI）驱动的降噪算法（如深度学习金属伪影校正）进一步提升低剂量扫描图像可用性[23]。双能CT的能谱分离特性也为结石成分分析提供了额外诊断价值，但其剂量控制仍需更多临床验证[24]。CT引导技术凭借其高分辨率三维成像能力，在PCNL术前规划和复杂病例穿刺中具有不可替代的价值。通过硬件升级与AI算法优化，辐射剂量问题正逐步得到控制，使其在精准与安全之间趋于平衡。4.多模态融合技术的应用近年来，CT-超声图像融合技术的出现又一次提升了PCNL的精准度。该技术通过算法匹配，将术前的高分辨率CT图像与术中的实时超声图像进行对齐，从而为手术提供更准确的“虚拟双模态”导航[25]。它结合了CT的高分辨率与超声的实时成像优势，实现了更高精度的穿刺引导[26]。Xu等[27]在肝脏介入领域的先驱研究为此技术在泌尿外科的转化奠定了循证医学基础。随后，Shen等[26]的临床研究证实，与传统超声定位相比，CT-超声融合技术不仅缩短了学习曲线和筛查时间，还明显提高了穿刺成功率。然而，呼吸相位差异造成的动态形变仍可能导致图像匹配偏移，这在深吸气相的肾上极穿刺中的体现分外明显。为了解决上述问题，有团队开发了CT-超声融合机器人系统，呼吸门控技术将误差压缩至CT-超声融合技术有效整合了不同影像模态的优势，显著提升了PCNL穿刺的准确性与安全性。尽管存在呼吸运动干扰和成本问题，通过机器人辅助与门控技术的结合，其临床适用性正不断拓展。5.穿刺路径的优化作为二维定位技术的改进方式，靶心技术和三角测量技术在穿刺路径领域得到推广，其中前者的技术掌握难度系数较后者明显降低[30]。Lazarus等[31]研发的智能导航平台，在和传统靶向法的对照研究中显示出较短的定位时间与较低的辐射暴露。三角测量技术利用双平面透视引导穿刺，虽然能减少辐射暴露，但其穿刺深度与角度的控制较为复杂。Darlington等[32]提出的创新性角度-深度同步方案通过固定穿刺方向及深度，避免了在不同平面监测角度及深度，因此能够较为容易掌握。但因为其穿刺角度固定，在面对复杂肾结石时，可能效果并不理想。另有团队利用放射显影3D模型发现标准双平面透视技术可能会误判非乳头穿刺为乳头穿刺，而60°侧向+30°头倾组合可以显著提高识别率，减少误判风险[33]。PCNL的成功率很大程度上取决于最佳穿刺点的选择。近年来上盏穿刺凭借更出色的结石清除率与更优的清除效果，逐渐成为临床领域的关注方向。近期，Liu等[34]的研究证实，上盏穹隆尖下穿刺（非传统中盏）可显著提升结石清除率（83.6%vs69.4%）并缩短手术时间[（59.99±5.85）minvs（68.49±6.74）min]，且无胸膜损伤并发症。肾上盏穹隆尖下穿刺是一种兼顾清石效率与安全性的创新PCNL路径，值得在复杂肾结石治疗中推广应用，并进一步通过前瞻性多中心研究验证其普适性。穿刺路径的优化通过技术创新与解剖研究的深入不断推进。靶心、三角测量等方法的改良，以及上盏穿刺路径的确认，共同促进了PCNL手术效率与安全性的提升。综上，传统影像引导技术在设备改进、序列优化及路径规划方面取得了显著进展，提升了PCNL穿刺的精准度与安全性。然而，其在复杂病例中的应用仍存在一定局限，如辐射暴露、图像质量受限及动态追踪能力不足等，这为新型定位技术的发展提供了需求与空间。二、新型定位技术1.增强现实（augmentedreality，AR）导航系统作为一种新型介入导航技术设备，增强现实导航PCNL（AR-PCNL）根据空间配准与虚实融合的核心原理构建多维手术坐标系，提高了穿刺精确性。该技术需要患者在手术前接受增强CT扫描，然后再通过专用的医学图像处理软件对CT图像进行三维重建与分析，生成精确的肾脏及周围组织的数字化模型[35]。术中利用增强现实技术将重建的三维模型实时投影至平板屏幕上，并将穿刺路径、目标肾盏及周围器官的空间结构直观地显示出，以此来实现更精准的穿刺定位。Klein等[36]通过对穿刺模型的活体研究验证了这一技术的可行性，并对22例患者进行了与传统定位技术的比对分析[37]。结果发现，AR-PCNL技术与传统技术相比能够实现穿刺路径及肾周组织的实时可视化，从而能够更精准地定位结石位置。而且，其可视化的优势有助于缩短初学者的学习曲线，并能够为复杂病例的穿刺规划提供更直观的参考。一项随机对照试验与一项回顾性研究表明无论是在术前还是术中，使用AR技术均具有明显优势[38-39]。但目前该技术仍有诸多不足。例如，由于受到患者呼吸运动的影响，肾脏等器官发生位移，存在动态形变补偿不足的缺点。另有团队正在研究的AI驱动自动配准算法，可以通过实时分析超声图像或CT图像，自动调整手术器械与目标器官之间的位置关系，从而能减少因器官运动导致的手术误差[40]。成本高、硬件依赖性强、基层推广困难也是目前AR技术面临的瓶颈问题。AR设备虽然能够为手术提供实时的三维可视化信息，但其价格昂贵，且需要专业的技术支持和维护[41]。这使得许多基层医疗机构难以承担其成本，限制了AR技术在PCNL中的广泛应用。尽管AR-PCNL技术仍处于探索阶段，但其结合AR的创新理念为精准穿刺提供了新的思路。该技术通过三维可视化与实时导航显著提升了PCNL的定位精度与手术直观性，尤其在教学与复杂病例中价值突出。然而，呼吸运动补偿、设备成本与操作复杂性仍是其临床推广的主要挑战。未来研究应进一步优化硬件设备、提升图像的实时性，并通过多中心临床研究验证其成本效益与普适性。2.电磁跟踪技术（electromagnetictracking，EMT）EMT是由Huber等[42]首次提出的一种以电磁传感器为基础的新型影像导航方法。到目前为止，只有少数文献报道了这项技术[43-45]。其主要原理是通过输尿管软镜在目标肾盏中放置一根装有电磁传感器的特殊导线，然后利用电磁场对传感器和穿刺针的位置进行实时追踪，以此实现三维空间内的精准定位[45]。术中可通过显示屏实时观察针尖与目标肾盏的位置，并在输尿管软镜的辅助下完成穿刺操作[43]，以保证对目标肾盏进行全方位的精准定位。Lima等[43]通过临床病例队列验证Huber团队的理论，并证实了电磁跟踪技术在PCNL中的安全性与有效性。Borofsky等[46]的研究进一步验证了EMT在PCNL中的诸多优势。SonixGPS也是一种基于电磁跟踪技术的穿刺定位系统。该系统包含超宽频带GPS凸阵探头、定位感应器、GPS信号发射器和穿刺针等设备[47]。多项研究比较了SonixGPS导航系统与普通超声引导穿刺在PCNL中的临床应用效果，其研究数据均表明，SonixGPS系统在手术时间、穿刺时间、一次穿刺成功率、结石清除率等方面更具优势[48-49]。EMT-PCNL相比于其他导航体系具有首次穿刺成功率高、穿刺时间与学习曲线短等优势。但是它仍然存在一定局限性：包括对设备依赖性强、技术成熟度不足、术中干扰等[50]。未来应注重：（1）优化设备设计，降低技术成本；（2）开展多中心临床研究，验证其在不同临床场景中的适用性；（3）探索与其他影像导航技术的融合，以进一步提升定位精度。3.机器人辅助手术系统（robotic-assistedsurgery，RAS）微创泌尿外科领域正在经历一场技术的革新，RAS正从实验室稳步走向临床应用。其中，由Taguchi等[51]队研发的X射线自动针靶向机器人辅助装置（X-rayautomaticneedletargetingrobotic-assisteddevice）作为代表性技术，它通过集成机械臂系统，实现了PCNL中靶心技术的自动化操作。其核心创新在于独特的固定模块设计，只需在患者体表标记目标肾盏区域，系统就能自主完成从3D路径规划到精准穿刺的全过程，外科医师只要负责最后阶段的深度确认即可。初步动物实验（活体猪模型）和临床研究均证明，与传统定位技术相比，该装置可将术中放射暴露降低26%以上[52]。在验证了机器人辅助X线引导技术的临床价值后[53]，Taguchi等[51]进行了一项对比研究，该研究系统评估了机器人辅助X线引导与单独超声引导在建立肾脏通路中的安全性与有效性。研究发现，虽然两种技术在单次穿刺成功率方面差异无统计学意义，但机器人组在整体穿刺次数、手术时间等方面都优于传统超声组。机器人辅助系统通过自动化穿刺路径执行，显著提高了操作精度与一致性，并有效减少了术者辐射暴露。然而，高成本与技术复杂性仍是其广泛普及的主要障碍。4.远程机器人辅助定位技术近些年，5G技术的突破性进展正在为远程精准手术开辟新天地[54-57]。Yang等[58]开展的5G远程超声导航系统就是一个典型范例：远程专家通过高速网络实时操控虚拟探头，与现场医师的实体机器人设备形成智能协作，在PCNL术中创造了如同“触手可及”的导航新体验。远程机器人辅助技术借助高速网络实现了跨地域精准手术协作，展现出良好的应用前景。实验数据表明了远程机器人辅助定位系统的多方面优势：提高穿刺精准度、缩短手术时间、降低辐射暴露等。然而，该技术的推广面临着设备成本高、技术复杂性强、临床应用数据有限等挑战。其可靠性、安全性及成本效益仍需更多临床数据支持。未来研究应进一步聚焦于智能化模块的持续革新（如引入AI辅助系统）、应用场景的多样化开拓（如复杂结石病例），以及来自多中心研究的数据。5.三维可视化模型的应用三维可视化模型（three-dimensionalvisualizationmodel），亦称三维数字模型（3Ddigitalmodel）。其主要原理在于运用表面渲染算法（surfacerenderingalgorithm）对患者的原始CT/MRI数据进行分层处理与三维重建[59]。该技术通过高分辨率渲染与交互式操作界面，不仅能够立体显示出目标器官的解剖结构特征，还能动态显示与相邻组织和血管系统之间的位置关系，为实施精准手术治疗提供关键的解剖依据。在技术创新方面，Wang等[60]的研究工作具有开创性的意义。他们开发的基于三维可视化模型的PCNL穿刺定位系统在穿刺时间与定位误差率等关键指标上均有明显改善[60]。三维可视化已在骨科与心血管外科等领域形成了标准化的应用流程[61]。但是在泌尿外科领域，这一技术的临床运用仍处于探索阶段，特别是针对RAS等复杂手术场景。近年来研究的重点方向逐渐向术中导航领域延伸。2021年的一项多中心研究也验证了三维可视化模型作为PCNL术中导航工具的可行性[62]。结果表明，该技术在提升定位准确度、缩短手术时长、减少围术期出血量等方面展现出了多重的临床获益。不过，其长期临床效益的评估还需通过大样本随机对照试验加以验证。此外，Cui等[63]的研究结果也表明，在复杂型PCNL病例中，三维导航技术可将穿刺精确度提升到97.78%，并将术后并发症发生率控制在6.67%内。而Zhang等[64]利用三维打印技术制作导航模板，以提高PCNL精准度的创新方法进一步验证了这一技术在PCNL中的应用。这些数据从循证医学的角度有力地证实了这项技术方案的有效性与安全性。三维可视化模型通过提供直观、个性化的解剖导航，显著提升了PCNL术前规划与术中定位的精准度。结合3D打印技术，其在复杂病例中的应用价值日益凸显，但标准化流程与长期疗效证据仍是未来发展的关键。总之，传统定位技术由于普适性、低成本等优势，仍然是PCNL的主要定位方法。新型技术中，AR辅助穿刺通过实现实时可视化，提升定位精度；电磁跟踪通过三维导航降低辐射并简化操作；机器人辅助技术提高了精度并减少辐射，但成本和复杂性限制了其推广；3D可视化模型为复杂病例提供了精准的术前规划，但临床转化尚需更多证据。未来研究的重点可能聚焦于AI驱动的手术导航[28]，低成本轻量化AR眼镜设备的开发[65]，以及以3D打印个体化模板+术中超声组合等为代表的不同成像模态的图像融合技术。而医学影像技术融合人工智能，可以明显缩短PCNL学习曲线，降低手术学习难度，对于普及和推广PCNL技术具有重要意义。参考文献[1]SkolarikosA,SomaniB,NeisiusA,etal.Metabolicevaluationandrecurrencepreventionforurinarystonepatients:anEAUguidelinesupdate[J].EurUrol,2024,86(4):343-363.DOI:10.1016/j.eururo.2024.05.029.[2]BuchbergerB,SchollK,KrabbeL,etal.RadiationexposurebymedicalX-rayapplications[J].GerMedSci,2022,20:Doc06.DOI:10.3205/000308.[3]HamadaN,AzizovaTV,LittleMP.Anupdateoneffectsofionizingradiationexposureontheeye[J].BJR,2020,93(1115):20190829.DOI:10.1259/bjr.20190829.[4]MillerDT,SeminsMJ.Safetyduringureteroscopy:radiation,eyes,andergonomics[J].FrontSurg,2021,8:737337.DOI:10.3389/fsurg.2021.737337.[5]GanpuleAP,VijayakumarM,MalpaniA,etal.Percutaneousnephrolithotomy(PCNL)acriticalreview[J].IntJSurg,2016,36:660-664.DOI:10.1016/j.ijsu.2016.11.028.[6]GurumurthiSHP,RajasekarV.Comparativeanalysisofeffectivenessoftraditionalleadapronsversusnewergenerationlead-freeapronsinradiationprotection[J].JMedPhys,2025,50(1):1-7.DOI:10.4103/jmp.jmp_152_24.[7]KönigAM,VerbeZoumJ,FiebichM,etal.Comparisonoftheradiationprotectioneffectofdifferentradiationprotectionapronsmadeofdifferentmaterials[J].EurJRadiol,2023,164:110862.DOI:10.1016/j.ejrad.2023.110862.[8]BudošováD,HorváthováM,BárdyováZ,etal.Currenttrendsofradiationprotectionequipmentininterventionalradiology[J].RadiatProtDosimetry,2022,198(9-11):554-559.DOI:10.1093/rpd/ncac098.[9]ChowdhuryPS,NayakP,DavidD,etal.Miniaccessguidetosimplifycalycealaccessduringpercutaneousnephrolithotomy:anoveldevice[J].IndianJUrol,2017,33(4):319-322.DOI:10.4103/iju.IJU_404_16.[10]HowlettJ,LazarusJ,KaestnerL.SabreSource™:anovelpercutaneousnephrolithotomyapparatustoaidcollectingsystempuncture-apreliminaryreport[J].SAfrJSurg,2020,58(2):105.[11]Gaudreau-SimardM,SaiyinT,McInnesMDF,etal.Testcharacteristicsofpoint-of-careultrasonographyinpatientswithacutekidneyinjury[J].UltrasoundJ,2024,16(1):15.DOI:10.1186/s13089-023-00352-3.[12]DietrichCF,NolsøeCP,BarrRG,etal.Guidelinesandgoodclinicalpracticerecommendationsforcontrast-enhancedultrasound(CEUS)intheliver–update2020WFUMBincooperationwithEFSUMB,AFSUMB,AIUM,andFLAUS[J].UltrasoundMedBiol,2020,46(10):2579-2604.DOI:10.1016/j.ultrasmedbio.2020.04.030.[13]ErlichmanDB,WeissA,KoenigsbergM,etal.Contrastenhancedultrasound:areviewofradiologyapplications[J].ClinImaging,2020,60(2):209-215.DOI:10.1016/j.clinimag.2019.12.013.[14]GuoX,ZhangZ,LiuZ,etal.Assessmentofthecontrast-enhancedultrasoundinpercutaneousnephrolithotomyforthetreatmentofpatientswithnondilatedcollectingsystem[J].JEndourol,2021,35(4):436-443.DOI:1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