清除肾结石的创新

Tzelves L, Geraghty RM, Hughes T, Juliebø-Jones P, Somani BK. Innovations in Kidney Stone Removal. Res Rep Urol. 2023 Apr 11;15:131-139. doi: 10.2147/RRU.S386844. PMID: 37069942; PMCID: PMC10105588.

尿石症是一种常见的临床病症，手术治疗采用不同的微创手术，例如输尿管镜检查、冲击波碎石术和经皮肾镜取石术。虽然从开放手术到腔内泌尿外科手术治疗这种情况的转变是一种范式转变，但随着现代设备的发展，不断的技术进步允许进一步改善临床结果。肾结石清除方面的此类创新包括新型激光器、现代输尿管镜、利用三维模型、人工智能和虚拟现实开发应用程序和培训系统、机器人系统的实施、连接到真空设备的护套和新型碎石机。

全球尿石症的发病率正在上升，这主要是由于更敏感的成像方法（如计算机断层扫描 (CT) 扫描）的更高利用率，以及代谢综合征的增加趋势和西方饮食和生活方式的采用。1 , 2进行的腔内泌尿外科手术的数量正在增加，这反映出病例数量不断增加。3在大多数情况下，出色的无结石率 (SFR) 是预期的临床结果，这不仅归功于训练有素的腔内泌尿科医生遵循的适当技术，而且还得益于大量的技术创新。

激光和光纤

15 多年前，钬：钇铝石榴石 (Ho:YAG) 激光的推出彻底改变了结石的内窥镜管理，目前根据欧洲泌尿外科协会 (EAU) 指南，它是金标准。4石材分解主要是通过光热现象实现的，其中能量转移到石材裂缝和孔隙中的水分子，导致它们粉碎。5–7 Ho: YAG 机器最初制造时输出功率为 15–20 瓦 (W)，后来输出功率更高，达到 120 W，电光转换效率低 ~1–2%，其余 98 –99% 的能量转化为热量，证明需要强大的冷却系统。7新型 Ho:YAG 机器的增强频率 (Hz) 和脉冲能量（焦耳）设置允许开发更有效的碎石术模式，例如除尘和爆破，在这些模式中会产生细小的结石颗粒，并且很容易从尿道中排出. 8然而，这种增强的结石崩解伴随着结石后退，这很可能是由于气泡6的破裂以及激光纤维尖端的损坏（“回烧”效应），这导致手术时间更长。9此外，在使用高功率设置期间内窥镜视野受损是常见的（“暴风雪”效应），并且可能需要通过增加灌注流量来进行补偿。后者可能导致肾内压升高的风险增加，并增加感染并发症的风险。10

铥光纤激光器 (TFL) 是一种较新的激光平台，与 Ho:YAG 相比具有良好的物理特性。与 Ho:YAG 的 2100 nm 相比，TFL 的工作波长为 1940 nm，非常接近水吸收峰 (1950nm)。11与 Ho:YAG 相比，该特性使 TFL 的结石消融阈值降低四倍，同时允许所有类型的结石崩解，类似于 Ho:YAG。12 TFL 在更广泛的设置范围内发挥作用，以高达 2000 Hz 的频率发射 0.025 至 6 J 的脉冲能量，从而提供非常高的峰值功率（~500 W）。7 , 13 , 14与 Ho:YAG 下限 200 μm 相比，这种广泛的设置使 TFL 能够通过更小、更灵活的 50 μm 纤维提供高功率能量。6这种差异的临床意义在于改进了镜的可操作性、更好的冲洗和更低的结石回弹风险，这不仅来自更小的纤维和更高的频率，还来自更小的水泡的产生。6 , 7 , 11 , 13然而，应该强调的是，虽然这些非常高的频率在理论上是可以实现的，但即使低于 50 Hz 的设置也会产生“暴风雪”效应，需要暂停该程序以重新获得清晰的视力。15

Martov 等人于 2020 年发表了第一个比较 Ho:YAG 和 TFL 的随机试验，他们使用这两个激光平台治疗输尿管结石，当前能量为 1 J，频率为 10 Hz，使用的纤维尺寸相似。11作者报告说，与 Ho:YAG 相比，TFL 导致结石后退明显减少（4% 对 69%，p < 0.05），内窥镜视野更清晰（87% 对 64%，p < 0.05），手术时间更短（24.7 对 32.4分钟，p < 0.05）和激光时间（8.4 对 15.9 分钟，p < 0.05），而支架置入率、并发症和 SFR 相似。11更进一步，Ulvik 等人比较了输尿管结石和肾结石的两种激光，其设置从 0.4 J 和 6 Hz 开始，并根据结石崩解而增加，但输尿管限制为 0.4 J/6 Hz，输尿管限制为 0.8 J/20肾脏中的赫兹。16同样，TFL 的手术时间明显更短（49 分钟对 57 分钟，p = 0.008），同时未使用输尿管通路护套，术后支架置入率相似。激光手术时间在两组之间没有显着差异，手术时间差异归因于 TFL 内窥镜视野的改善。16实际上，与 Ho:YAG 组相比，TFL 组出血较少（5% 对 22%，P = 0.014），原因是水对 TFL 能量的吸收更高。16两组输尿管 SFR 均为 100%，而在肾结石中，TFL 的 SFR 显着更高，无论定义是无残余碎片（23% 对 13%，p = 0.005）还是残余≤3 mm (30 % 对比 19%，p = 0.001）。16需要强调的是，在所有这些比较研究中，都使用了传统的 Ho:YAG 激光器，既没有使用高功率机器也没有使用 Moses 技术。

较新的 Ho:YAG 激光机能够在不同的脉冲发射周期下运行，即短脉冲 (180–330 μs) 或长脉冲 (650–1215 μs)。17体外实验表明，长脉冲设置受益于较少的反推力和纤维损伤，尽管现实生活中的临床结果尚未得到证实。6 , 9 , 18 Ho:YAG 机器在短脉冲和长脉冲设置下运行，通过一个脉冲提供能量，大部分能量在蒸汽泡的产生过程中被消耗。7高功率机器的一个新特征是 Moses 技术，其中通过两个脉冲施加能量：第一个脉冲产生气泡，而第二个脉冲通过已经形成的蒸汽通道传输能量，以最大限度地提高对石头的影响。19在一项临床前研究中，结果表明反推力显着减少了 50 倍。20虽然在随机对照试验 (RCT) 中，与传统模式相比，Moses 技术的手术时间显着缩短（50.9 与 41.1 分钟，p = 0.03），但 SFR 在 3 个月时相似。21缺乏 TFL 和 Moses 技术机器之间的正面比较。Moses 模式的较高成本应与减少手术时间的临床益处相平衡。另一种发射模式是 Virtual Basket TM（Quanta System，Samarate，意大利），它指的是双脉冲设置，其中第一个脉冲产生气泡，而第二个脉冲将该气泡扩大到最大膨胀。22这种双脉冲模式被认为可以更有效地向目标宝石传输能量。在他们的临床研究中，Bozzini 等人报告输尿管（220.4 对 16.1 分钟，p < 0.05）和肾脏（28.7 对 19.8 分钟，p < 0.05）结石碎裂速度更快，且释放的能量相似（9.9 对 10.7 kJ 和 13.5 对 16.1 kJ，p > 0.05）。23Basulto-Martínez 等人在一项体外研究中得出结论，Virtual Basket 模式提高了 Ho:YAG 激光在 40 Hz/0.3 J 下的消融率，以达到相同设置下 TFL 的消融率，表明这种消融模式是其中一种对 Ho:YAG 碎石术最有效。22

应用激光能量后去除结石的两种既定方法是装筐和撒粉。当结石破碎后存在 2-4 毫米的碎片时，需要使用装篮装置，而除尘是指产生小于 2 毫米的颗粒，可以随尿流自发排出。许多外科医生更喜欢除尘技术，以避免使用篮子在输尿管和肾脏内进行多次操作，这可能需要使用输尿管通路护套，并可能增加组织创伤和手术时间。24另一方面，除尘需要更高的频率设置，这反过来会导致温度升高和组织损伤。篮子的使用通常需要一名助手来处理该装置的打开和关闭以抓取和释放结石颗粒，而外科医生则在收集系统和输尿管内导航范围。一种有趣的替代方法是用于柔性输尿管镜检查的单外科医生装篮技术，无论是经验丰富的还是新手的腔内泌尿科医生，该方法已被证明可导致类似的结石清除率、并发症和住院时间。24

输尿管镜

技术进步的步伐也非常有利于输尿管镜的设计和功能，导致现代内窥镜具有独特的特性，并且与旧技术内窥镜有所不同。从光纤系统切换到数字系统使外科医生能够更好地可视化解剖结构，因为“蜂窝”外观消失了。25数字示波器的传感器对激光能量引起的冲击波引起的图像闪烁不太敏感，因此提供了清晰的视野。6 , 26数字“尖端芯片”系统的主要缺点是成本高，而且传感器目前按特定尺寸制造，这阻碍了数字示波器的进一步小型化。6个

几年来也引入了一次性使用的灵活内窥镜，与可重复使用的内窥镜相比，即使不是更好，也不会产生更差的临床结果。27、28一次性设备的人体工程学似乎更优越，如肌电图数据所示，29从而降低外科医生的疲劳程度，而不会影响范围功能，如多项研究所示。27 , 28 , 30–32另一个明显的优势是不存在污染风险，即使在遵循严格的灭菌协议后，使用可重复使用的内窥镜，污染风险也可高达 12.1%。33一个悬而未决但关键的问题是这项新技术的成本效益，对此文献中缺乏共识。6购买此设备的不同公司和国家之间的成本差异很大，可重复使用设备在需要维修之前需要执行的案例数量也不同（根据最近的报告，维修前有 8–29 个程序34）以及证明缺乏共识的不同医院环境（学术、教学、社区）。6个尽管如此，一次性内窥镜还是有一定好处的，特别是对于解剖结构不佳的病例（下极结石，骨盆漏斗角陡峭 <30–50°，有尿流改道、移植肾或先天性异常的患者），对于有风险的患者尿脓毒症的治疗，也用于上尿路尿路上皮癌的内窥镜治疗。27

人工智能、3D技术和虚拟现实

“看一个、做一个、教一个”的手术培训时代已经被多层次的理论和实践、动手操作的手术培训所超越和取代，以确保患者安全和治疗效果。外科界需要的是高效、负担得起和切合实际的系统，这些系统将逐步培训初级医生，同时确保在将获得的知识应用于外科领域之前具备最低水平的外科专业知识。

可以使用 3D 打印机构建准确的解剖模型，与通过 CT 和 MRI 扫描访问的 2D 图片相比，有助于更真实和详细地表示泌尿道几何形状。35 3D 模型可以协助尿石症管理的主要方向是培训、手术前规划和患者咨询。36在 Xu 等人的一项研究中，创建了鹿角形结石患者的 3D 模型并将其用于培训和术前计划。37作者通过选择合适的花萼来穿刺并使用石膏在模型上执行程序来为手术做准备。37模型的术后结石体积与实际手术相比有优势，Pearson 相关指数为 r = 0.972 (p < 0.001)，表明模型具有很好的相关性和可靠性。37在 Ali 等人的另一项研究中，将 3D 模型与 UROMentor TM模拟器在 PCNL 的二年级住院医师培训方面进行了比较。38培训完成后，使用特定问卷询问两组居民的培训经验，作者得出结论，与模拟器相比，3D 打印 PCNL 模型在所有指标（即 X 射线引导穿刺、导丝放置、正确肾盏的识别、肾造口管的放置、肾脏解剖结构的评估、组织模型的反馈和关于错误的讨论。35 , 38更进一步，Golab 等人利用 CT 图像创建的 3D 打印导板对马蹄肾患者进行肾穿刺，并报告针头成功到达患者肾脏中的结石。39还应强调成本影响，因为 VR 培训师的成本似乎约为 100.000 美元，这对于全球大多数教学中心来说显然是不可行的。40、41虽然这些 3D 模型在复杂病例中很有帮助，但这项技术的广泛采用可能会受到已经捉襟见肘的医疗保健系统的时间和成本压力的限制。

在过去十年中，随着机器人系统在治疗肿瘤患者方面的主导地位，基于 VR 的外科手术培训蓬勃发展。VR 系统建立了一个逼真的 3D 虚拟环境，该环境是使用解剖学知识和真实图像创建的，为用户提供高精度视图，用户能够虚拟交互并执行特定程序的练习或步骤。42

UROMentor TM是一种用于输尿管镜检查培训的 VR 模拟器，由 Matsumoto 等人进行了评估，他们报告说，与初级住院医师相比，老年住院医师获得了更好的分数，并且模拟器分数与工作台模型指标密切相关，这表明它是评估手术的有用工具胜任诸如膀胱镜导丝插入、刚性 URS 和篮子操作等任务。据 Cai 等人报道， 43 个VR 模拟器也有助于灵活的输尿管镜检查培训，他们得出的结论是，经过 4 小时的培训后，受训者的分数（完成步骤的时间、激光使用的熟练程度、应用的总激光能量、模型损坏和产生的碎片的范围和大小）。44

人工智能 (AI) 是计算科学领域，其中机器被编程为模仿和执行通常由人脑完成的认知任务。45 AI 迅速融入所有医学领域，因为它比传统统计方法具有明显更好的准确性，并且可以结合新的数据源，例如图像或病理数据，并允许创建非常准确的预测模型，使用海量数据。46 , 47专门针对结石疾病，人工智能已经在诊断、结石成分检测以及医疗或手术治疗的几个方面进行了评估。Langkvist 等人使用机器学习神经网络在 CT 扫描中区分静脉石和结石，灵敏度达到 100%。48 Aldoukhi 等人使用了类似的算法，他们设法区分结石成分（尿酸、草酸钙、胱氨酸、鸟粪石），总体准确率为 85%。49 Poulakis 等人报告了 90% 以上的准确度，他们开发了一种算法，通过输入动态尿流、骨盆漏斗角、体重指数、结石大小和骨盆高度来预测下极结石的冲击波碎石术结果 (SWL)。50关于 PCNL，AI 也表现出显着的预测能力。在 Aminsharifi 等人的一项研究中，PCNL 结果的预测准确度高达 98%。51 Tzelves 等人比较了几种机器学习模型，仅通过了解细菌种类就可以预测结石病患者细菌种类的易感性，准确率达到 87.4%，从而节省了近 24 小时，直到实验室报告敏感性结果。52人工智能的进一步工作可能意味着研究提供代码/用户界面以进一步对这些模型进行外部验证。

腔内手术过程中肾内压 (IRP) 和抽吸的使用

腔内泌尿外科手术期间灌注液的使用与清晰的可视化密不可分。测量正常 IRP 的研究报告范围为 7.5–14.7 cmH20, 53 , 54渗透性利尿可增加至 25 cmH20。53在腔内手术过程中，这些压力会进一步增加，导致几种类型的肾盂回流，即肾盂静脉、肾盂淋巴、肾小管和肾盂间质回流。55这种生理现象的主要临床意义是增加感染56和组织损伤的风险。57抽吸已在腔内泌尿外科领域应用多年，在 PCNL 中通常结合超声和弹道能量以有效去除结石碎片。58 , 59技术进步允许在输尿管通路护套和 PCNL 护套或肾镜中结合抽吸技术，旨在提高腔内泌尿外科手术的有效性和安全性。59 Zhu 等人进行了一项回顾性队列研究，比较了使用 12/14 Fr 输尿管通路鞘 (UAS) 的传统输尿管镜检查与连接真空装置的 12/14 Fr 改良 UAS 输尿管镜检查。60他们发现，对于使用改良 UAS 的组，手术时间、住院时间和败血症发生率显着缩短，即时 SFR 也有所改善。60以类似的方式，Huang 等人进行了一项随机对照试验，比较 miniPCNL (mPCNL)，使用 16 Fr 护套连接到具有标准 16 Fr 护套的真空装置。61他们报告说，手术时间、术中出血、发热率、肾盂穿孔率和住院时间明显减少，1 个月时 SFR 显着改善。61同时，通过使用配备压力传感器62的导丝或能够同时监测 IRP 并在术中施加有效吸力的 UAS，可以实时监测 IRP。63

机器人输尿管镜检查 (RoboURS)

机器人系统在泌尿肿瘤学中的应用改善了临床结果。64 , 65 Desai 等人首先报道了在猪模型中使用机器人系统进行 URS。66他们建议在使用 Sensei 机器人时改进人体工程学，基于外科医生对仪器稳定性 (10/10)、可重复性 (10/10) 和自动回缩 (8/10) 的视觉模拟量表的反应。66同一团队在 2011 年使用 RoboURS 平台对 18 名患者进行了一项人体试验，报告无术中并发症，3 个月 SFR 为 89%，术后并发症轻微；机器人的控制再次被评为 8.5/10，稳定性为 9/10，结石碎裂为 9.2/10。67Geavlete 等人使用 RoboURS 和标准输尿管软镜进行了比较研究，报告使用机器人系统时的再治疗率显着降低（9.1% 对 15%）。68 Rassweiler 等人使用 Roboflex Avicenna 并检测到透视时间缩短，这归因于机器人的记忆功能和机器人系统的有利插入和缩回。69总结现有文献，机器人系统处于起步阶段，但据报道，由于这些系统的记忆，机器人系统改善了人体工程学，减少了荧光检查的使用并减少了手术时间；但是，还应考虑成本影响。

PCNL 鞘的小型化 - PCNL 碎石机的创新

技术进步允许改进 PCNL 期间使用的仪器。最重要的转变之一是通路鞘的小型化，从 24-30 Fr（标准 PCNL）到 14-20 Fr（迷你 PCNL）。70 mPCNL 的主要优点是减少出血和输血率，增加无管手术的执行率 (75–80%)，减少住院时间，但代价是由于在 mPCNL 期间使用激光碎石术而增加了手术时间。71

多年来，PCNL碎石的主要设备是结合超声波和弹道能量，使用两个探头（双探头、双能碎石机）。最近，单探针双能量 (SPDE) 碎石机出现并在临床前研究中证明了其有效性。ShockPulse SE (Olympus, USA) 72和 EMS LithoClast ® Trilogy 73是该技术的两个代表。在最近的系统回顾和荟萃分析中，Mykoniatis 等人得出结论，基于实验室研究，SPDE 碎石机被认为是安全和有效的，但初步临床数据显示，与使用较旧的激光碎石术和碎石术相比，SFR、出血并发症和手术时间相似发电设备。74事实上，SPDE 设备提供两种形式的能量的同时应用，提高了人体工程学和外科医生的满意度，以及当更多数据可用时，它们是否会被证明是优越的还有待观察。74

用于腔内泌尿外科手术的无辐射协议

荧光镜引导通常用于腔内泌尿外科手术。75广岛和长崎的灾难性事件清楚地表明了电离辐射对人体组织的危害程度；然而，根据最近的一项调查，内科泌尿科医生缺乏教育，防护设备使用不当。76患者在尿石症的诊断、治疗和随访期间会暴露于辐射，77–79而外科医生也容易因长期、低剂量暴露而受到其致突变作用。80虽然本身不是技术创新，但为 URS 和 PCNL 建立和采用无辐射协议可以大大减少辐射暴露和相关风险。81但是，应该强调的是，具有足够经验的中心和非复杂病例应遵循此类协议。81

未来展望

改进的输尿管镜和视力也改善了上尿路肿瘤的管理。82 , 83虽然它也允许治疗高危患者群体，例如儿科患者和怀孕期间，84 , 85也许未来的研究还应该考虑结石治疗的成本和生活质量方面。86 , 87

结论

肾结石的管理已经从 1990 年代初期的开放手术发生了翻天覆地的变化，转变为当今时代的微创手术。然而，持续的技术进步导致了设备的不断改进，包括铥光纤激光器、碎石术的新模式、数字/一次性和小口径输尿管镜、使用 AI/3D 模型和 VR 的应用、抽吸护套、机器人系统等创新新的碎石机已被纳入临床实践并扩大医疗设备。这些技术和培训方面的创新使肾结石切除术微创、安全，同时随着时间的推移继续提供更好的结果。