The History of Technologic Advancements in Urology pp 123-132| Cite as
The History and Development of Percutaneous Nephrolithotomy
Authors
Authors and affiliations
Sutchin R. Patel
Stephen Y. Nakada
1.
Chapter
First Online: 23 June 2017
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Abstract
1950 年代中期之前 ,肾结石患者的标准治疗是开石手术。1882 年 Joseph Hyrtl 和 1902 年 Max Brödel 的研究，认知了在肾脏长轴中线后 5 mm 处相对无血管平面的存在。直到 1941 年，Rupel 和 Brown 利用肾镜来进行第一次肾镜检查，硬性膀胱镜通过肾造瘘道，以便在开放手术期间取出结石。1955 年，威拉德·古德温 (Willard Goodwin) 因进行了第一例肾造瘘管放置而受到赞誉。到 1976 年，Fernström 和 Johansson 率先描述了一种在放射学控制下通过经皮肾造瘘术提取肾结石的技术。1978 年，Arthur Smith 描述了第一个顺行支架置入术，并创造了术语“endourology”来描述在封闭的泌尿生殖道内进行相关操作。他与介入放射科医生和医学发明家库尔特·安普拉茨 (Kurt Amplatz) 的合作，带来众多创新，从而进一步推进经皮肾镜取石术 (PCNL)。放射学的进步，从透视的改进，到术前计算机断层扫描的使用，将进一步有助于确定肾通路。各种碎石设备的发展和钬激光的引入提高了碎石和清除结石的功效。许多因素促成了现代 PCNL 的发展，而且这种技术将在未来继续发展。
1950 年代中期之前，肾结石患者的标准治疗是开放取石手术。1882 年 Joseph Hyrtl 和 1902 年 Max Brödel 的的研究，认知了在肾脏中线后方 5 mm 处相对无血管平面的存在。然而，霍华德·凯利 (Howard Kelly) 发现只有三分之二的肾脏具有可靠的标志，因此提倡肾盂切开术，因为他将其描述为更安全的手术。直到 1941 年，Rupel 和 Brown 才通过肾造瘘道放置硬性膀胱镜进行了第一次肾镜检查，以便在开放手术中取出结石。早期用于在开放手术中探查肾盂的器械，具有坚硬的直角，可以到达肾盏。这与后来为经皮肾镜取石术开发的具有直工作通道的肾镜有较多不同 。
经皮肾造瘘术
1865 年， 大奥蒙德街病童医院（Great Ormond Street Hospital for Sick Children）的儿科泌尿科医生托马斯·希利尔 (Thomas Hillier) 描述了 一例病例，题为“4 岁男孩肾积水多次经皮引流；恢复”，他多次经皮引流了这孩童的肾积水肾脏，最终发现有输尿管盆腔连接部梗阻。加州大学洛杉矶分校泌尿外科的第一任系主任威拉德·古德温 (Willard Goodwin) 是第一个放置经皮肾造瘘管的医师。1955 年，在尝试进行肾动脉造影时，Goodwin 博士将一根针插入了肾积水肾脏的集合系统。他注射了不透射线的造影剂，从而进行了第一次顺行肾造影。然后他留下一根导管来引流肾脏，从而放置了第一个现代肾造瘘管。在他的论文中，他将最佳穿刺部位描述为“中线外侧五指宽，如果有第 13 根肋骨，就在13 根肋骨存在的水平上”。Goodwin博士的经皮方法使人们认识到可以使用经皮管道进入肾脏。
到 1976 年，Fernström 和 Johansson 率先描述了一种在放射学控制下，通过经皮肾造瘘术提取肾结石的技术。在后来的论文中，他们将说明聚乙烯扩张器用于管道扩张。用于在放射学控制下提取肾结石的仪器包括 Dormia 取石篮，以及在透视下用于结石提取的 Randall 取石钳镊。
泌尿外科和 PCNL 的传播
Arthur Smith 博士，在 1978 年描述了第一个顺行支架置入术，当时他通过经皮肾造口术，在一位输尿管再植入的患者身上植入了 Gibbons 支架，并导致漏尿。他将创造术语“endourology”来描述在封闭的泌尿生殖道内进行相关操作。一些放射科医生立即将其改为 “end of urology” （“泌尿外科的终结”）。Smith 博士的早期实验开创了泌尿外科的新领域，并永远改变了治疗肾结石和输尿管结石的方式（图 12.1）。他与 Zuniga、Clayman 和 Amplatz 博士的早期论文之一描述了从 25 名患者中提取的一系列 63 枚结石，成功率很高 。主要失败发生在由于狭窄的漏斗部或结石嵌入肿胀的粘膜而无法触及结石。
Fig. 12.1 Dr. Arthur Smith, the Father of Endourology腔镜泌尿外科之父 Arthur Smith 博士
Smith 博士与介入放射科医生和医学发明家 Kurt Amplatz 的合作将带来众多创新，从而进一步推进 PCNL。许多导丝和扩张器今天仍然以 Amplatz 博士的名字命名（图 12.2）。在盲取石时代开发了许多辅助工具和各种取石篮应用于 PCNL 期间清除结石。1926 年，W.A. 委员会开发了一种用于提取结石的多丝取石篮。 这是对早期取石篮进行了大量修改，最终导致了 Dormia 的软性取石篮（1958 年），其金属丝篮具有显着的抗拉强度，又有足够灵活，几乎不会造成创伤 。
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Fig. 12.2 Dr. Kurt Amplatz, r adiologist and medical device inventor
生物学家和医疗器械发明者Kurt Amplatz博士
当试图扩张肾造瘘道时，最初使用的是血管造影导管末端的纤维状的附件。Smith 博士写道：“然而，事实证明这很难通过导丝进行操作，因此我们设计了扩张器，以安装在血管造影导管上。然后发现扩张输尿管肾盂连接处，并导致尿外渗，因此在扩张器的尖端放置了一条金属带以区分集合系统的各个部分。今天用于 PCNL 的大部分设备都是在这个时代开发的。Amplatz 博士开发的筋膜和球囊扩张器今天仍在使用，Alken 博士开发的同轴顺序伸缩金属扩张器也在这个时代使用。
Wickham 博士将初始程序描述为扩张需持续数天。放置小口径肾造瘘管后，在移除肾造瘘管，并插入用于进入肾盏系统的标准刚性 21Fr 膀胱镜之前，该通路在几天内连续扩张至 22Fr 至 26Fr。随着该技术的成功，只需进到一个阶段扩张程序。
尽管 PCNL 有了发展，但该技术的传播主要是由于 Endourological Society 的创建，以及使用使用猪模型的课程向执业泌尿科医生教授该技术。1984年在西德美因茨召开的第二届世界经皮肾镜外科大会上，提出了3000多例PCNL，成功率超过90%。正是在此期间，PCNL 被认为是开放手术的首选替代方案 。Endourological Society 是在纽约第三届 WCE 之前成立的，该协会及其成员在 Arthur Smith 博士的领导下，主要负责导致 PCNL 发展的许多创新。Ralph Clayman 博士在帮助传播该技术方面发挥了重要作用，他创建了一个以猪肾为核心的模型，将其作为泌尿外科教学课程的核心部分，以允许执业泌尿科医生在美国各地学习该程序。
因此，在 1980 年代 PCNL 经历了快速发展，因为看到了结石治疗的范式转变为更微创的方法。通过德国的 Alken 及其同事、奥地利的 Marberger 以及英国的 Wickham 和 Kellet 博士的开创性成就，PCNL 技术在欧洲广受欢迎。在美国，该技术在梅奥诊所的 Segura 博士小组以及明尼苏达大学的 Smith 博士和 Clayman 博士进一步开发后获得了认可。最初 PCNL 仅用于不适合开放手术的患者，但随着设备和辅助工具的快速发展，PCNL 很快成为大结石的治疗选择 。
光学
刚性泌尿内窥镜的历史有据可查。Philipp Bozzini 于 1806 年开发了他的 lichtleiter，或“光导体”，用于观察人体的通道。Antonin Desormeaux（被称为“内窥镜之父”）于 1867 年开发出一种用于检查膀胱的内窥镜，使用他的设备进行了第一次内窥镜手术。Maximilian Nitze 和 Joseph Leiter 于 1879 年因开发了第一个现代膀胱镜而受到赞誉。在 1950 年代后期，Harold Hopkins 发明了棒状透镜系统，该系统用长玻璃棒减少了透镜之间的空气空间，从而提高了图像的清晰度和分辨率。光学技术的进步导致了更好的膀胱镜，这些膀胱镜又被用作早期的肾镜。在 1980 年代，刚性膀胱镜将被带有大直工作通道的偏置肾镜所取代，允许使用从三抓钳到电动液压碎石机的众多辅助器械 。
照明的进步将在改进膀胱镜方面发挥重要作用，因为它从间接照明演变为加热铂丝，然后是白炽灯泡 。第一个光纤内窥镜由 Basil Hirschowitz 于 1957 年开发，用于胃肠病学。1960 年，Victor Fray Marshall 将使用纤维镜进行第一次顺行肾镜检查和输尿管镜检查，以观察肾盂和远端输尿管 。现代光纤技术于 1960 年代推出，与软性内窥镜/肾镜检查的发展相吻合，并有助于微创结石清除。1969 年 George Smith 和 Willard Boyle 开发了用于电子视频录制的带电耦合装置 (CCD)，从而使成像的改进达到顶峰。
碎石术
自古以来，人类就一直在想碎石。随着技术的进步，在粉碎结石的能力方面变得越来越高效和安全。 因此，各种碎石设备的现代发展和钬激光的引入提高了碎石和清除结石的效率。1970 年代初期，开发了超声波碎石。Karl Kurth 于 1977 年提供了一种通过肾造口术去除大结石的方法，当时他描述了在 PCNL 期间使用超声波碎石（以前开发用于膀胱结石）来碎裂鹿角结石 。1913 年，莱因霍尔德·瓦普勒 (Reinhold Wappler) 观察到“当电动液压冲击波火花同时接触硬质和软质膀胱结石时，会导致它们分解”。然而，直到 1950 年，LA Yutkin 才获得了电动液压冲击波应用的专利。他将他的发现称为“电液效应”，以描述液体中淹没的强大高压电弧放电。超声气动碎石术是在 1990 年代初随着 Swiss Lithoclast (Boston Scientific)的发展而引入的。将开发利用超声波和气动碎石术的组合装置来帮助促进结石碎裂。CyberWand 碎石机是一种双超声波钻孔机/取芯器，是由 Jet Propulsion Laboratories 和 Cybersonics, Inc. 的合资企业开发的，创建于 2000 年，旨在使用低功率和低轴向载荷从行星、小行星和彗星中采集样本，以钻取在玄武岩等坚硬岩石中钻 0.5 英寸的孔。它依赖于一种使用压电晶片的新型机制来产生高频振动，然后将其转换为低频的锤击动作。该钻机已成功用于从南极洲到火星（通过好奇号漫游车）的不同地点获取岩心样本。它已被修改和修订为当前用于 PCNL 的双超声探头设计。
激光 (LASER) 最初由阿尔伯特·爱因斯坦于 1917 年描述。直到 1954 年，J.P. Gordon 和 C.H.贝尔实验室的汤斯产生了第一个微波辐射受激发射 (MASER)。医用激光最早出现在 1960 年代初期。Nd:YAG 是一种固态激光器，于 1961 年开发。Mulvaney 和 Beck 于 1968 年首次尝试使用红宝石激光器破坏牙结石。钬：YAG 激光的推出代表了激光碎石设备的重大进步，因为它已被证明可以有效地碎裂所有类型的尿路结石。结合灵活的肾镜检查和钬激光碎石术，泌尿科医生可以独立于最初的肾通路进入和碎裂其他肾盏中的结石。
放射学
放射学的进步将在 PCNL 的发展中发挥重要作用。2002 年，塞古拉博士写道：
“……透视法的广泛应用是今天经皮肾造瘘管放置受欢迎的关键。我相信，如果在那个时候存在像“内窥镜检查台”这样的东西，那么今天不是我们，而是放射科就会把这些管子放进去”。
1895 年，Wilhelm Röentgen 观察到，在暗室中通过有盖真空管的高电压会导致用氰化铂覆盖的屏幕发出荧光，他称之为“X 射线”。Röentgen 的工作将成为放射学领域的基础，他在 1902 年获得首届诺贝尔物理学奖。1896 年开发了荧光镜，这种机器由一端带有目镜的锥体和另一端的屏幕组成，可以将 X 射线转换为光，1896 年，人们无需处理胶片或 X 射线就可以观察物体。J.W. 开发图像增强管1948 年来自 Westinghouse 的 Coltman 允许将图像增强近 500 倍，从而使屏幕上的图像在正常照明下可见。透视的改进将导致当今 C 臂的发展，这将进一步有助于 PCNL 的肾通路。
了解肾脏解剖结构对于安全进入收集系统至关重要。在 1990 年代，弗朗西斯科·桑帕约 (Francisco Sampaio) 对人体尸体中的肾脏集合系统和血管解剖结构的模型将进一步帮助泌尿科医师，帮助建立这样的范式，即应通过直接穿刺进入肾盏的穹窿而不是漏斗部获得进入集合系统的途径。以尽量减少出血的风险。与 3 维模型中的脉管系统相比，它可以更好地表征肾脏集合系统。除了导致更安全和更准确的肾脏通路的放射学创新之外，工程师 Godfrey Hounsfield 爵士（他在 1979 年获得诺贝尔生理学和医学奖）和神经放射学家 James Ambrose 博士开发的计算机断层扫描改进 手术计划以及术后无石状态评估。
PCNL 的进一步进展
许多技术和技术的进步，将继续挑战如何更好地治疗肾结石。John Wickham 博士于 1984 年报告了第一个无管化 PCNL，但直到 1987 年和 Bellman 的研究才被接受。经皮肾通路机器人 (PAKY) 由约翰霍普金斯大学的 Louis Kavoussi 博士开发，用于机器人针刺穿入集合系统 。Gabriel Valdivia 于 1987 年首次描述了仰卧位 PCNL。PCNL 临床经验和应用的增加将导致更大规模的研究，例如肾下极 研究、鹿角结石 AUA 指南的制定以及 CROES（泌尿外科学会临床研究办公室）关于 PCNL 的大型国际研究项目，从而导致对无石率和手术并发症的共识。术前结石评分系统（S.T.O.N.E.、Guy 和 CROES 肾结石评分系统）的使用被用于帮助预测 PCNL 结果，包括无石率、住院时间和并发症发生率。随着不断创新，将继续努力使 PCNL 微创、更高的成功率和更低的并发症风险。
结论
许多不同技术的融合促进了 PCNL 的发展：从而导致 Willard Goodwin 博士的第一个肾造瘘管的偶然性的应用和远见，腔内泌尿科领域的创建，光学的进步，术中导航透视的发展和用于术前计划的计算机断层扫描，以及碎石设备的改进（表 12.1）。这些创新在现代 PCNL 中达到顶峰，使我们能够履行希波克拉底的义务，即“I will not cut for stone.”“我不会开放手术治疗结石”。
表 12.1现代 PCNL 发展中的创新时间表（修改自 [30]）
Year
Innovation [Reference]
1941
Rupel & Brown 1st Nephroscopy [3]
1950s
Development of Modern Fluoroscopy [32]
1950
LA Yutkin patent for electrohydraulic shock wave application [28]
1955
Willard Goodwin performs 1st Percutaneous Nephrostomy Tube Placement [6]
1960
1st Antegrade Nephroscopy and Ureteroscopy by Victor Fray Marshall [23]
1961
Development of Nd:YAG solid state laser [9]
1968
Mulvaney & Beck use Ruby laser for calculus fragmentation [28]
1969
Smith & Boyle develop the Charged Couple Device (CCD) [16]
1970s
Ultrasonic lithotrite developed [9]
1971
1st Computed Tomography Machine Developed by Hounsfield and Ambrose [32]
1976
Fernstrom & Johansson perform 1st stone extraction through nephrostomy [8]
1977
Karl Kurth uses ultrasonic lithotrite for PCNL of staghorn calculus [24]
1978
Arthur Smith places 1st antegrade ureteral stent [10]
1982
Ralph Clayman creates porcine model for nephroscopy and PCNL to help disseminate the technique [11]
1982
1st World Congress of Endourology, London, England
1984
Founding of the Endourological Society
1984
1st Tubeless PCNL performed by Wickham [36]
1987
1st Supine PCNL performed by Valdivia [39]
1992
Pneumatic lithotripsy developed [26]
