尿结石手术的三大技术发明

在内镜检查发明以前，很多医生试图非直视下取出结石。1859年Gustav Kolisher首次成功实现了取出结石的操作，他用一个带有金属尖端的导尿管插人到输尿管口以上几英寸的地方定位了结石，并通过这个导尿管注射了30ml的无菌油，从而排除了结石。1979年Arthur Smith给腔道泌尿外科学下了定义:生殖泌尿道内近距离掌控的操作技术。随着微创外科技术的不断发展,目前泌尿系结石的治疗已经发生了翻天覆地的变化,改变了长久以来以开放性手术为主的传统治疗方法,绝大多数复杂性肾结石均可以通过微创治疗达到满意的治疗目的。近些年来,光电技术、生物材料以及新型碎石技术的发展,也不断推动着结石治疗手段和方法向前进展。这些进步加速了现代排石技术的发展，包括输尿管镜检查术、经皮肾镜取石术(PNL)和体外冲击波碎石术(SWL)。这三项技术是二十世纪尿石症治疗的三大技术发明。经皮肾技术作为腔内泌尿外科技术的一个重要部分，尤其在治疗上尿路结石方面，与输尿管镜术及体外冲击波碎石共同成为现代主要的治疗方法，已彻底改变了传统的开放手术治疗模式。

一、体外冲击波碎石术( ESWL)

早在古代人们就已经认识到声波能被聚焦这一现象。古希腊人利用这一知识建造地下室以偷听被关进监狱的敌人的谈话。18和19世纪，能够回声或者反射声音的壁橱可以把怀表指针的声音传出超过60英尺远。

关于体外冲击波碎石术，真正具有划时代意义的研究起源于德国。德国人最初研究冲击波的意图只是出于军事目的。1980 年2 月德国多尼尔公司研制出世界上首台ESWL 机，开创了人类医学历史上非开放手术治疗结石的新纪元。1960年，德国莎尔大学的Hausler教授发现天空中的雨滴和宇宙中的尘埃撞到卫星或宇宙飞船后，反弹时的压强可达16000MPa，同时还可产生一种冲击波。冲击波可传播至远离撞击之处，虽然飞船的表面似乎完好无损，但深部已产生裂纹。另外，超音速飞机在飞行时也会产生气态冲击波，如果这种冲击波被机身某一部位的轮廓反常聚焦后，再透射到机身的另一部位时，则会加速该处异样性金属疲劳，最终导致飞行器毁坏。于是Hausler教授着手研究弹性波在固体/液体中传播的物理现象及其对液体中固体应力行为的影响。

1963年，德国多尼尔公司在研究超音速飞行器材料损伤的机制时，发现了冲击波的影响。为此，他们在实验室环境中用光-气-枪来模拟这些物理效应，最终认为，冲击波产生的“水锤式压力”是破坏飞行材料的真正原因。德多尼尔公司的一位工程师在一次实验研究中，在一高速抛物体穿透钢靶时的瞬间恰好触靶，当即就有一种触电的感觉，不过，手臂上的接触部位并无受损痕迹，他重复了这样的过程，确认，只有高速抛物体穿透钢靶时的瞬间恰好触靶，才能有触电的感觉。当时怀疑可能是电作用所致，但随后的测试并未发现任何电荷。其实“电击感”正是冲击波穿过这位工程师手臂所造成的。1966年，通过一偶然发现，研究人员逐渐认识到冲击波对人体组织产生的生物学效应。

1969年，在一次多尼尔内部职员平常的家庭沙龙上，工程师们谈及冲击波可以打碎铝合金的威力，并且冲击波还可以对人体产生作用，一位工程师的妻子是内科医生，经常要诊治肾结石病人，在交谈中偶发奇想，提出能否利用冲击波来粉碎人体的肾结石。于是，物理学家们便萌发了用冲击波治疗肾结石的大胆设想。当年就在前西德国防部资助下，Saarucken大学的Hausler教授和多尼尔公司的Hoff博士领导的小组联手开始了冲击波在医学上应用的研究，课题是冲击波与动物组织之间的相互关系。1971年，Hausler教授首次用冲击波在玻璃器皿中进行体外肾结石粉碎实验。最初是用自行研制的多级光一气一冲击波枪来产生冲击波，当时花了一整天时间却只产生了4个冲击波。最终的实验结果只在肾结石上打了一条缝，不能令人满意。后来，Hausler教授首次以生物学实验为基础进行了冲击波研究，他以动物为研究对象。起初Hausler教授的实验表明，在水中产生的冲击波经水传播到动物体内时.能量并无明显衰减.而且对除肺以外器官和组织的影响很小。然而，由于肺是一种含气的实质性脏器，空气一生物组织之间的声阻差异很大，故对冲击波较为敏感。放在体内的脆性材料，如压力传感器探针，也易被冲击波击碎。对如何运用冲击波进行碎石，当时科学家的观点并不一致如Hausler教授认为，先经手术暴露出肾脏之后，再用冲击波粉碎其内的结石，而Munich小组则认为，只有采用从体外产生的冲击波来击碎体内的肾结石，彻底取代传统的手术取石.才能算是突破性成功，为此，他们进行了一系列的技术实验和生物学实验，研究非接触式体外碎石方法。

1972年10月底，多尼尔公司的Hoff博士与慕尼黑LudwigMaximilians大学泌尿外科主任Schmiedt教授和外科研究所的Brendel正式签署技术合作协议。在这项联合研究工作中，多尼尔公司提供冲击波碎石设备，外科研究所承担基础实验研究，最后由泌尿外科进行临床应用研究。后来，在外科研究所一直从事肾移植实验工作的助理研究员Chaussy也被调入泌尿外科，在Schmiedt教授指导下，开始参与体外冲击波碎石的各项试验工作。泌尿外科的Eisenberger医师最初也是一位重要研究者。1974年，多尼尔公司研制出了首台冲击波碎石实验机。这种简易实验装置不带定位系统，放电电极位于半椭球反射缸的第一焦点(( F,)处。缸内充满水，缸口用橡胶膜覆盖，聚焦冲击波可穿过这层薄膜及其表面的藕合剂涂层进入上方箱内的水中，进而打击到位于第二焦点(F2)的受试体上。初步实验结果确实令人鼓舞，但是，由于首台冲击波碎石实验机的波源出口覆盖着一层橡胶膜，当冲击波射入受试动物的体内时.橡胶膜会造成冲击能量的衰减。

1976年，研究人员又设计了一种水槽式冲击波碎石实验机，可将受试动物直接放人水中进行冲击波冲击实验。因其没有定位装置，实验成功率很低，所以研究人员又设计了一种带有2个超声探头定位装置的冲击波碎石实验机。在这台新实验机上，主要进行了结石的超声定位实验和对移植到犬肾的人体结石进行了首次体内碎石实验。1976年一1977年间，用B超定位的冲击波碎石实验机对17只肾结石犬进行了大量的定位实验和碎石实验。14天后处死动物，其中13只犬的碎石效果令人满意，而且犬肾没有明显的病理变化。用超声定位虽然能观察到肾和肾盂，但由于其分辨率不高，不能清晰判明结石，实验结论是水下超声定位效果不能令人满意。虽经一年多研究和改进，但结石的超声定位技术仍以失败而告终，此后又改用X光定位。当时最需解决的是结石的三维定位技术和水对X光穿透力的衰减作用。对3只肾内移植了人体结石的犬采用X光定位的实验研究，在犬与球管之间放置了5-13cm厚的水垫，来模拟X光穿过水介质的真实条件。

1978年初，研究者又研制成一台X光定位的水槽式冲击波碎石实验机。它包括冲击波波源和X光定位系统。波源安装在水槽内的可调式支架，以便将波源的第二焦点调至与结石重合，而且放电电极的更换也比较方便; X光定位系统为双束交叉式，旋转方便，定位精确，影像清晰，而且可在冲击波发射过程中监视结石粉碎的情况;另外置位台可进行三维运动，将受试体移至冲击波焦点。在历时7年的基础实验研究中，医生与理工科的合作卓有成效，具有适度峰值的体外冲击波碎石设备的研制已告成功，可以实现非接触式体外冲击波碎石。实验研究结果提示冲击波对生物组织没有明显的损伤。X光定位能够满足精确定位的要求。这些研究成果先后发表在各种刊物上，合作小组成员也为此荣获了1976年度Alken奖。1979年9月，多尼尔公司终于研制成功人类历史上的首台体外冲击波碎石样机，并将其取名为HM 1型碎石机，HM1是human machine-1，即人体1型机的缩写。

1980年2月20日，是全世界泌尿外科值得纪念的一日，慕尼黑大学的泌尿外科医师Chaussy在世界上首次用这台HM1型碎石样机治疗了一例肾结石患者，结果令人振奋。来自体外的非接触式冲击波确能击碎体内的结石，而且被冲击波击碎的结石颗粒从尿路自行排出时并未引起绞痛。为慎重起见，起初每月只安排一二例患者接受体外冲击波治疗，而且指征极为严格，仅限于体积较小的非梗阻性肾盂结石。至1982年4月，共有234例肾结石患者接受了HM 1型碎石机冲击波碎石治疗，疗效极佳，而且实验室检查和肾功能测定均未显示肾脏及其周围器官损伤。然而HM1型样机操作较麻烦，每副电极只能击打300次，而且更换电极时，还须将患者从水槽中移出。

1982年5月，又研发出HM2型碎石样机，并在慕尼黑建立了世界上第一个体外冲击波碎石中心，进行更为广泛的临床实验。与HM1相比，HM2型机的操作相对简单，不必在更换电极时将患者从水槽中移出，较为省时省力。HM2型机的应用指征仍然非常严格，仅限于体积小于樱桃且无梗阻的肾盂结石。但令人振奋的是，冲击波治疗的无石率已达90%。虽然HM2型碎石样机还不够完善，有待进一步改进，但在慕尼黑大学医院的临床应用中，已证明了大多数体外冲击波碎石的有效性、安全性和可重复性。1983年3月，也就是在慕尼黑应用冲击波碎石3年后，多尼尔公司将HM2型碎石样机稍加改进，研制出HM3型碎石机。早期从事冲击波碎石研究，后来又调入斯图加特大学医院泌尿外料的Eisenberger教授在该科安装了这台HM3型碎石机，并成立了世界上第二个体外冲击波碎石中心。从此以后，冲击波碎石技术很快就在前西德得到推广和应用。自从冲击波碎石中心在慕尼黑建立之后，世界各地的结石患者慕名纷至踏来，希望用这一新的疗法来解除病痛。

在我国，1982年北京医科大学泌尿外科研究所和中科院声学研究所共同研究此项技术，1984年10月北京医科大学附院与中国科学院电工研究所合作研制成功我国第一台体外冲击波碎石机，1985年首次临床治疗肾结石成功，同年北京、上海等地也相继研制出碎石机。国家科委对这一重大成果结予充分首定，授于国家科技进步一等奖。

1984年3月，美国印第安纳大学泌尿外科也购置和使用了一台多尼尔HM3型冲击波碎石机，这标志着第一台商品化多尼尔HM3型碎石机正式进人医疗市场。同年12月，多尼尔HM3型冲击波碎石机得到美国食品和药品管理局(FDA)的认证，从此，冲击波碎石技术开始以“冲击波”的力度在全球推广开来。

二、经皮肾镜碎石术（PCNL）

经皮肾技术是建立从皮肤到肾集合系统的手术通道，并放置内腔镜进入肾盏、肾盂甚至输尿管上段，对上尿路疾病进行诊断和治疗的一种手术方法。

早在公元10 世纪 , 阿拉伯已有经腰部戳孔取石的传说。1941年Rupel和Brown首次描述了经皮肾取石术，他们从以前肾造瘘术时形成的手术通道里取出了结石。1948年，Trattner在开放手术中用内腔镜对肾盂进行了检查。然而直到1955年，Goodwin才首次描述了通过放置经皮肾造瘘管排空一个严重积水的肾，开创了经皮肾造瘘技术的新纪元。由于他是在无放射技术引导下完成的这一操作，所以引流管是在不可视的情况下放置的。1973年之后,德、美、日等国不断生产和改进各种硬性和可曲性肾镜,促进了这一技术发展。

1965年Bartley的seldinger法X光透视定位PCN，，1976年Pederson的超声引导下PCN。1976年Fernstrom和Johannson首次报道他们建立了经皮专一用于取石的方法，应用肾镜通过经皮穿刺扩张的肾造瘘通道用套石篮成功取出肾盂内结石。1981年，Wickbam和Kollett将该技术命名为“经皮肾镜取石术”。1981年Pfister等的Trocar- needle技术和Segal等的Catheter-needle技术，1983年Hunter, Lawson逆行径路穿刺方法及1983年Claymen的气囊一步扩张方法，使这项技术越来越准确和安全。经皮肾技术才日益受到重视并获得不断发展，成为新兴的腔内泌尿外科技术。80年代,Alken和Clayman等在此基础上成功施行肾镜下取石术,并将超声碎石术和液电碎石术在PCNL中成功应用,由于其微创的本质特点,逐渐受到全球泌尿外科医师和患者的欢迎。1997年Jackman等介绍了微创肾镜( F11)在儿童结石中的应用。微创肾镜为腔内碎石的广泛开展奠定了基础。

但经皮肾造瘘和经皮肾镜术本身有一定的侵入性，手术器械和操作过程较繁琐，需要扩张通道较大易损伤致肾出血，尤其是肾脏积水不明显者，往往需要二期手术取石，粗大的肾镜镜身无法抵达输尿管上段等，都影响了该项技术的临床推广应用。1992年吴开俊、李逊等提出经皮肾微造瘘、二期输尿管镜碎石取石术；1998年后提出了“多通道经皮肾穿刺取石术”，并逐渐开展了一期取石术。2001年Lahme、Bichler等也提出扩张经皮肾通道在F14 – F16进行经皮肾镜取石，命名为“Minimally invasivePercutaneous Nephrolithotomy（MPCNL）”。大量实践证明其方法较开放手术和传统PCNL更为优越。

三、输尿管镜碎石术(URL)

输尿管镜检查术的实施源于一个偶然事件，1912年，Hugh Hampton Young在一位两个月大男孩身上,用9.5F儿童膀胱镜观察因后尿道瓣膜导致扩张的输尿管，并一直观察到肾盂内的肾盏。当这位儿童患者接受第2次输尿管扩张时，Young又一次把膀胱镜放到了肾盂水平，更清晰地观察到肾盂情况。Hugh Hampton Young从而成为第一个腔道内观察肾内集合系统的泌尿学家。

然而在之后的30年内，输尿管镜检查方法并没有什么进展。在1912年第一次使用“输尿管镜”,以后纤微光源的发明导致了输尿管软镜的发展。1957年，Curtiss和Hirschowitz把大量的玻璃纤维薪合成一束，并在末端把这些纤维融合在一起，以便使它们根据自身的长度独立活动，就此造就了第一个软质内镜。60年代末，日本制造了第一条输尿管软镜，1964年，Marshall首次报道了这种新型软质内镜在泌尿学领域的应用，用此镜从尿道到膀胱，然后由膀胱经输尿管口，进入输尿管并逐渐从下段到上段至肾内，完成了整个泌尿系统管道内的观察工作，并且观察到结石。但由于入水量以及窥镜的清晰度较差，软镜工作通道较少，使得输尿管软镜在处理有关上尿路疾病的实际意义上受到影响，而只局限于对泌尿系的检查。尽管日本Takayso和Aso在1970年的国际泌尿外科会上发表了多篇论文，但未引起泌尿外科医生的重视。有趣的是，硬质内镜的检查是在软质内镜检查几乎整整10年之后才有报道。接下来，他的两个同伴，McGovern和Walzak首次实施了经尿道输尿管镜检查术，他们利用9F的内镜经尿道检查输尿管结石。自此之后，光学和机械学的发展极大的改进了这种软内镜的设计。几年后还有Takagi和Bush等人使用软镜陆续的报道，软镜的应用实际比硬镜要早,但由于其本身的缺陷以致未能广泛应用。

HaroldHopkins使输尿管镜变得更为细小，1960年他发明的柱镜系统使得窥镜的设计前进了一大步。,在此之前,窥镜都是由中空管内放置一组镜片,包括远端的反射镜片,目镜和中间的导光镜片.这些镜片必须排列精确,任何细微的位移都导致景象的变形,同时也极易损失光线的传导.柱镜系统内增加了镜片的厚度,减少了空气的间隙.实际上现在的窥镜是由反射系数比空气高的多的玻璃纤微制成.传导光线和景象时,损失极少.这种口径细小的窥镜作为输尿管镜使用变得更加容易。

1977年Goodman和Lyon首次使用输尿管硬镜，证明了硬镜进入输尿管可行；Goodman用直径11F的小儿膀胱镜在3例成人患者中观察输尿管下段，其中1例还在镜下电灼输尿管肿瘤，开创了窥镜治疗肿瘤的先例；Lyon先用扩张器扩张后，用直径11F小儿膀胱镜观察了5例成人患者；Lyon在1979年了应用特制的软头输尿管扩张器，将输尿管扩张至16F，可使13F的膀胱镜作为输尿管在男性患者中使用，这些经验证明了输尿管硬镜的安全和可操作性。从此输尿管镜术作为腔内泌尿外科重要的技术，广泛地应用于泌尿外科领域。然而，这些原始硬质输尿管镜用的是一种很大(10-13F)且不能屈伸活动的杆状透镜系统，这种镜却能提供很好的视野。大多数硬质内镜已经用纤维光学系统代替了这种杆状透镜影像传输系统，这样就大大减小了内镜的尺寸。另外，纤维光束的灵活性使得镜体能够沿着其垂直轴有些弯曲，也可以称为半硬质输尿管镜。1980 年Perez-Castro成功制造了第一条F11的输尿管硬镜,并用此镜进行了输尿管检查和取石。1983～1985年间,北京、广州最早将输尿管镜引进中国,

1979年Lyon报道了Richard Wolf公司专门制作的输尿管镜的使用情况.该镜模仿儿童膀胱镜,但有23厘米的长度.用这种F13的输尿管镜, 能窥视到男女输尿管下段,镜鞘有F14.5和F16,后者能做电切使用.13F镜仅做观察使用,较大的镜鞘能插入各种输尿管导管和放入套石篮套石. 1980年Perez-Castro介绍了Karl Storz镜,这是一种更长的窥镜.由于镜长达39厘米,可直接观察到肾盂.随之而来的是其它厂家制造的各种窥镜,长度从25到54厘米,镜鞘从F9至F16,工作腔道达5F.大多数窥镜的镜芯可根据需要从0~70度置换。

输尿管镜的主要用途在于结石的治疗,引入超声碎石是一大进步。早期的超声探头是中空的,肾盂和输尿管碎石的同时也将碎石吸出。但很可惜,原来的探头直径为8F,不能进入输尿管镜的工作腔道.这样,先用输尿管镜看到结石定位,然后将镜子取出,换入超声探头碎石.这种操作易损伤输尿管.以后又制造出较细的探头(1.5~2毫米直径).因探头硬直,零度镜操作时部分看不见，由此又制造出角度镜,镜下直视碎石得心应手.以后输尿管镜设计成零度镜和角度镜,二者可互相变换,入镜时用零度镜,使用超声碎石时用角度镜Circon ACMI公司又做了进一步的改进,制造出半软硬镜,此镜使用了纤微光束,形成可弯曲的“鹅颈状目镜”,可视角度很大.该镜影响至今.不仅适合超声碎石,同样也适合其它器械的使用。

1989年，Huffman发明了一种新镜,8.5F直径,工作腔道为3.5F,主要是采用了柱镜系统。1980年采用染料激光的碎石器开始普遍使用,同时也促使以激光为能源其它碎石器械的发展。它最大的优点是激光探头非常纤细,对工作腔道口径要求不高,可使用更为纤细的窥镜，但直到纤细型输尿管镜发明后才得以广泛应用.追求小型化的结果是工作腔道更小。镜内置入光导纤微.光纤能使镜鞘弯曲而物象又不变形。同年Dretler和Cho年首先报告了由Candela发明的新型窥镜的使用情况。该镜口径为7.2F,内带两个2.1F的工作腔道.这种镜无须输尿管开口的扩张.目前已有小口径(6.9F),大工作腔道(3.4F或2.3F)的输尿管镜问世.如今纤细型和软硬型输尿管镜已成为主要的使用类型。早期输尿管镜的镜鞘边缘像膀胱镜.其鸟嘴样设计在入镜时常遇到麻烦.它常常会导致输尿管黏膜上皮撕裂.目前的设计是制成斜角,使其更容易入镜,镜鞘截面常设计为三角形或卵圆形以迎合较大的工作腔道.输尿管电切镜的操作设计与膀胱电切镜类似,头部也制成绝缘,该电切镜也有冷热切割刀,电切袢,电灼极工具。输尿管硬镜有一条或两条工作腔道,两条腔道使得一条道作为操作器械,另一条道做灌注之用。一条较大口径的单通道可允许使用较大的器械,钳出结石碎片,活检.二者的选择根据治疗的目的而定。20世纪90年代以后，输尿管镜得到不断的完善,纤维导光束的引入大大缩小了输尿管镜的口径。内镜口径的纤细化及种类(硬式、半硬式、软式镜) 的多样化。输尿管镜技术大大地改变了治疗尿路结石的局面,并确立了其在腔内泌尿外科的地位。目前,URL处理输尿管中、下段结石具有不可替代的优越性, 与硬质和软质输尿管镜同期发展的还有体内碎石机，包括超声、液电、气压弹道和激光探头，这些设备使得小型化的现代输尿管镜碎石更有效。现有很多取石装置应用于临床，这些装置能够通过输尿管镜的工作通道，并能够随意操控和转向活动。