基于深度学习与计算流体动力学的儿童肾积水无创尿流动力学特征研究

　　本研究创新性地结合深度学习与计算流体动力学（CFD）技术，通过磁共振尿路成像（MRU）数据重建儿童肾盂三维模型并模拟尿流动力学，实现了对小儿肾积水患者尿流压力与速度的无创量化分析，为临床评估肾盂输尿管连接部梗阻（UPJO）手术疗效提供了全新方法论。

　　

Highlight

Results

实验通过我们提出的方法对MRU数据进行分析。通过对比患者术前与术后的尿流压力云图，发现术后肾盂压力显著低于术前。此外，我们引入尿流速度比（UFVR）指数评估肾盂内尿液梗阻程度。术前与术后UFVR的对比表明，手术后尿流梗阻得到明显缓解。

Conclusions

计算流体动力学（CFD）能够模拟肾盂内的尿流场，无需依赖疼痛性侵入操作（如Whitaker试验）即可预测肾盂压力。数值模拟为评估离断式肾盂成形术的术后疗效提供了一种全新的确定性方法。

Introduction

肾盂输尿管连接部梗阻（UPJO）是一种先天性疾病，特征为尿液从肾盂流向近端输尿管受阻，常见于儿童期[1]。该梗阻导致尿液收集系统扩张，若不治疗可能引发进行性肾功能损害。该病发病率约为1/1500，男性居多，男女比例约为2:1。自1949年Anderson和Hynes提出离断式肾盂成形术以来，该术式一直被视作UPJO外科治疗的“金标准”[2]。准确评估梗阻严重程度及肾脏功能状态对制定手术方案和预测预后至关重要。

Whitaker试验是临床评估UPJO的传统侵入性方法[3]。该操作需预先放置肾穿刺造瘘管，以10 ml/min流速注入无菌生理盐水并测量肾盂压力。压力低于15 cm H₂O表示无梗阻，高于22 cm H₂O则提示梗阻。但该试验创伤大、增加患儿痛苦，不推荐常规使用。

目前非侵入性影像学方法广泛用于UPJO评估，主要有三种典型技术：

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  超声：可作为分级系统表征尿路扩张程度[4]，但仅能通过测量肾盂前后径和肾皮质厚度判断排尿通畅性，无法明确吻合口梗阻，且结果易因操作者和条件差异而变化[5]。
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  肾核素显像：通过半排时间、梗阻曲线和肾小球滤过率（GFR）等参数评估肾脏排泄功能[6]。半排时间＜10分钟通常可排除梗阻，但该参数单独不足以确认梗阻[7]。梗阻曲线需结合其他临床数据解读，且GFR测量在新生儿肾功能未成熟或受损患者中可靠性有限。
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  磁共振尿路成像（MRU）：利用尿液中水分作为天然对比剂成像。尿液中的水具有长T₂弛豫时间，而周围组织T₂较短，使MRU能有效区分软组织结构与尿液[8]。但其局限在于无法捕获排泄期图像、评估尿液排泄动力学或明确吻合口梗阻[9]。

计算流体动力学（CFD）模拟为评估尿流动力学提供了前景广阔的方法，已在心血管和呼吸系统疾病分析中展现出潜力[10][11]。在泌尿系统中，CFD主要用于研究尿流动力学并指导治疗策略[12][13]。近年来，泌尿科医师也开始利用CFD研究尿路支架的流动特性[14]。

CFD模拟的关键步骤在于构建精确且光滑的高质量模型。Sampaio等基于73具成人尸体的146个肾单位，采用聚酯树脂腐蚀法首创了肾盂与肾盏的三维模型[15]。Zhu等利用三维虚拟重建技术开发了肾盂空间解剖模型[16]。Dong等通过CT图像采用3D打印技术重建了肾盂与肾盏的三维结构[17]。这些模型显著推进了对成人肾盂肾盏形态特征的理解，但国内外针对儿童泌尿系统建模的研究仍存在明显空白。儿童肾脏形态与成人差异显著，成人模型不适用于儿科病例。因此，该领域亟需更精准、定制化的建模方法。

本文核心目标如图1所示。我们首先基于MRU数据重建患者特异性的上尿路三维模型（包括肾盂、肾盏和上段输尿管），进而通过CFD模拟动态分析肾盂与肾盏内的尿流动力学，并计算关键尿动力学参数如尿流速率、流速比和肾盂压力。该方法为无创获取肾盂尿动力学数据和评估离断式肾盂成形术术后效果提供了创新途径。