数字肾及其应用展望

孙圣坤 王威 陈光富 张旭

1中国人民解放军总医院泌尿外科 100853 北京

数字医学是医学与信息科学相结合的前沿交叉学科，美国可视人项目(Visible Human Project, VHP)于1994年和1995年分别完成男、女两个人体数字化数据集，开创了数字解剖学和数字化虚拟人体的新时代[1, 2]。国内第三军医大学(现陆军医科大学)以及南方医科大学在2003年左右完成了中国数字人女1号、男1号，已完成8套能代表中华民族特色的数据集[3, 4]。

欧美等国在数字医学研究方面起步较早，并在肝胆外科等领域进行了临床应用研究。1991年Soyer等[5]报道了利用三维重建技术成功地确定肝段和亚肝段解剖，并进行肝转移性癌术前肝段定位的临床研究，1998年即开始了虚拟现实技术模拟肝脏外科手术，通过术前三维重建，成功模拟了腹腔镜肝叶切除并与真实手术高度相似[6, 7]。2001年Hohne等[8]报告了利用可视化人体数据建立人体内部器官模型的方法，Shin等[9]利用韩国数字人体数据重建了肝脏表面模型。国内方驰华等在中国数字人研究基础上，利用医学图像三维可视化系统进行三维重建，将其导入虚拟手术系统中，并利用仿真手术器械进行腹腔镜胆囊结石、半肝切除、活体肾移植等仿真手术，提高了手术成功率，降低了手术风险[10～12]。

但数字医学在肾脏外科的研究应用较少。从信息学角度分析，肾脏具有以下特点：①在内脏器官中，肾脏是为数不多的具有刚性特征的器官。大部分人体内脏器官如心、肝、肺、胃肠等，均为非刚性器官，受到外力作用时容易产生局部变形和移动，而肾脏质地相对较硬，即使在外力作用下也会保持外形的稳定，因此根据影像学建立的虚拟肾脏模型能反应肾脏的真实情况；②肾脏在人体内位置比较固定，位于后腹腔空间，被周围脂肪及肌肉固定，随呼吸活动度仅3～4 cm，扫描时干扰因素少；③肾脏周围包绕有肾周脂肪，形成一个天然的分界面，有利于进行图像分割；④肾脏表面规则圆钝，进行建模时不容易丢失局部细节信息；⑤肾脏血供丰富，约占人体血流的20%～25%，注入造影剂后增强对比明显，提取信息十分方便；⑥肾脏最主要的功能是产生尿液，相比肝脏等其他器官，其功能相对简单，产生的尿液容易计量，便于进行功能分析。以上这些特点，决定了数字肾研究具有得天独厚的优势，因此，我们于2012提出了“数字肾”概念并进行研究[13, 14]。

1 数字肾构建方法

通过将医学数字影像和通讯(digital imaging and communications in medicine, DICOM)格式图片导入到MIMICS(materiaise's interactive medical image control system)等医学三维重建软件后，进行建模，得到含有患者肾脏真实数字信息的模型，我们称之为“数字肾”。图像分割是数字肾建立的基础，我们采用区域生长法进行图像分割，建立的数字肾能够帮助医生准确把握肾脏及其病变的解剖学特点。我们认为，完整的数字肾既包括反映形态学特征的解剖数字肾，又包括反映其排泄特征的功能数字肾。

2 解剖数字肾及其应用

数字肾是基于患者个体化特征而建立的，可在患者教育、医患交流、医学教学、解剖研究、手术设计等方面广泛应用，未来将在以下方面取得突破性进展。

2.1 数字肾在医患交流及辅助医生决策方面的应用

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]。

2.2 数字肾在内生性肾肿瘤术中的定位作用

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。

2.3 数字肾预估残存肾脏体积。

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。

2.4 数字肾评估肿瘤靶向治疗效果

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。

2.5 数字肾判断肾结石负荷

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。

3 功能数字肾及其研究

解剖数字肾主要集中于肾脏的形态学研究，功能数字肾则侧重于肾脏排泌尿液的功能研究。

3.1 功能数字肾用于分肾功能测定

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。

3.2 功能数字肾应用于肾脏肿瘤的鉴别诊断

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。