孫濤，韓善清

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.放射科；b.信息中心，江蘇 南京 210029

基于3D可視化技術(shù)的腎臟腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)

孫濤a，韓善清b

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.放射科；b.信息中心，江蘇 南京 210029

目的探討3D可視化技術(shù)在腎臟腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)治療中的意義。方法對一例50歲的男性患者行B超檢查發(fā)現(xiàn)左側(cè)腎臟有占位性病變，遂行多排CT平掃加增強(qiáng)檢查獲得CT的DICOM數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行立體模擬建模。結(jié)果3D重建模型可以清晰地顯示腫瘤周圍的解剖結(jié)構(gòu)，特別是周圍血供。在它的指導(dǎo)下，腫瘤被完整切除，并盡可能保全正常的腎組織，且整臺(tái)手術(shù)時(shí)間大為減少。結(jié)論3D可視化技術(shù)應(yīng)用于腎臟腫瘤的治療，能清晰顯示其解剖結(jié)構(gòu)，辨識(shí)腫瘤毗鄰血管，在避免遺漏腫瘤的同時(shí)，更有效地輔助術(shù)前規(guī)劃，增加了腎臟的復(fù)雜手術(shù)的安全性、加快了手術(shù)速度，提高了手術(shù)的精確性。在腎臟腫瘤外科精準(zhǔn)手術(shù)治療方面具有極大的應(yīng)用前景。

3D可視化；精準(zhǔn)手術(shù)；腎臟腫瘤；模型；術(shù)前規(guī)劃

引言

腎臟腫瘤是泌尿系統(tǒng)的常見疾病[1]，外科手術(shù)是局限性腎癌首選治療方法[2]，包括根治性腎切除術(shù)（Radical Nephrectomy，RN）和保留腎單位手術(shù)（Nephron Sparing Surgery，NSS），傳統(tǒng)手術(shù)一般為開放手術(shù)，創(chuàng)傷較大，術(shù)后恢復(fù)時(shí)間較長。1990年Clayman等[3]第一次成功施行腹腔鏡腎切除術(shù)，標(biāo)志著腎臟手術(shù)微創(chuàng)時(shí)代的到來。近幾年，泌尿外科腹腔鏡技術(shù)日臻成熟，已成為手術(shù)治療領(lǐng)域不可缺少的重要組成部分。本研究采用北京維卓致遠(yuǎn)公司開發(fā)的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)對1例行腹腔鏡下保留腎單位腎癌切除術(shù)的患者通過三維建模進(jìn)行術(shù)前評估和手術(shù)規(guī)劃，取得較好的效果，初步探討3D可視化技術(shù)在腎臟腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)中的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

患者，男性，50歲，兩周前當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)醫(yī)院常規(guī)體檢，超聲檢查發(fā)現(xiàn)：左腎占位，遂入我院住院治療?；颊邿o發(fā)熱、腰痛，無尿頻、尿急、尿痛，無血尿、排尿困難，無長期咳嗽、咳痰，無腹瀉。入院時(shí)精神好，食欲、睡眠佳，大小便正常，體重近期無明顯變化。既往有胃穿孔手術(shù)史十余年，否認(rèn)糖尿病、高血壓病史，否認(rèn)肝炎、結(jié)核病史，無冠心病史，無食物、藥物過敏史，無輸血史。每天吸煙30支，飲酒每日400 mL。查體：體溫36.7℃、 脈搏70次/min，血壓136/92 mmHg。心肺未及異常。腹平坦，腹壁無靜脈曲張，未見胃腸型蠕動(dòng)波。上腹部可見陳舊手術(shù)瘢痕，全腹軟，無壓痛、反跳痛，未及包塊。肝脾肋下未觸及，移動(dòng)性濁音陰性。腸鳴音正常，4次/min，未及氣過水音。?？茩z查：雙腎區(qū)無隆起及壓痛。雙側(cè)輸尿管徑路體表投影區(qū)無壓痛。恥骨上區(qū)無隆起，壓痛（-）。外生殖器無畸形，雙側(cè)睪丸未及異常，尿道口無膿性分泌物。

1.2 DICOM數(shù)據(jù)獲取儀器與方法

運(yùn)用西門子SOMATOM De finition雙源螺旋CT按照操作規(guī)范對患者腎臟進(jìn)行多期掃描獲取平掃期、動(dòng)脈期和實(shí)質(zhì)期的DICOM原始數(shù)據(jù)。注意：掃描前患者要去除外衣和腹部金屬飾物，更換病員服，訓(xùn)練呼吸；掃描范圍從肝臟上緣掃描至骨盆上緣；掃描具體參數(shù)為管電壓120 kV，電流200 mA，準(zhǔn)直寬度0.6 mm，螺距1.2 mm。

1.3 軟件處理

本研究獲取的CT掃描圖像均采用MITK軟件處理，MITK是一款開源的醫(yī)用圖像處理軟件，可以直接讀取CT、MRI 等設(shè)備采集到的DICOM文件，通過對影像數(shù)據(jù)內(nèi)的興趣區(qū)域進(jìn)行可視化分割提取，可以計(jì)算生成并導(dǎo)出STL（Stereolithography）格式的三維網(wǎng)格模型，整個(gè)流程，見圖1。

圖1 軟件處理流程

由于整個(gè)病灶包含有腎臟、腫瘤、血管、輸尿管等多種組織，并且需要使用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，所以本次使用多分割蒙版方式來創(chuàng)建模型，每種組織對應(yīng)一個(gè)分割蒙版，而每個(gè)分割蒙版都是由興趣體素構(gòu)成的。 患者的影像學(xué)檢查包含 CTA和 尿路造影（CT Urography, CTU）數(shù)據(jù)，兩次數(shù)據(jù)采集時(shí)患者的體位有所區(qū)別，所以我們事先需要使用Point Based Registration功能來將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。

CTU影像中的腫瘤邊緣清晰、密度差距明顯，所以使用Segmentation分割工具欄中2D tools下的手動(dòng)編輯工具手工繪制了腫瘤的邊界輪廓，然后開啟Interpolation差值工具中的3-Dimensional，三維差值計(jì)算出腫瘤的外輪廓。多方向確認(rèn)腫瘤外形沒有問題后，確認(rèn)分割結(jié)果，此步驟會(huì)自動(dòng)生成腫瘤的三維網(wǎng)格并存儲(chǔ)在影像數(shù)據(jù)的子層級中，見圖2。由于CTU中輸尿管強(qiáng)化明顯，所以使用Segmentation分割工具欄下的3D tools中的Threshold閾值工具即可分離出輸尿管；由于我們需要一個(gè)參照物來對齊CTA影像中的三維模型，考慮到軟組織形變較大，所以決定使用L1和L2椎體作為參照對象來對齊模型。

圖2 對 C T圖像進(jìn)行分割提取

CT影像中的骨骼密度較高，顯示清晰，所以直接使用3D Tools下的Threshold閾值工具即可分離出大部分的骨骼。由于該患者骨質(zhì)略有疏松，骨骼邊緣可能無法自動(dòng)選定，所以需要使用2D Tools下的手動(dòng)工具手動(dòng)修復(fù)一下未被選入的骨質(zhì)，同時(shí)為了減少骨骼三維模型的面數(shù)，我們使用2D Tools下的Fill工具逐層將骨骼內(nèi)部進(jìn)行填充處理。確認(rèn)沒有問題后點(diǎn)擊確認(rèn)，即可生成骨骼模型。打入造影劑強(qiáng)化后的血管模型，其密度比軟組織高，但是密度比骨骼略低，所以本次使用了3D Tools下的UL Threshold工具來提取血管。不同于Threshold僅能設(shè)定一個(gè)最低值，該工具能同時(shí)設(shè)置一個(gè)最低值和最高值，灰階強(qiáng)度位于設(shè)定值區(qū)間內(nèi)的組織都會(huì)被選中。由于血管內(nèi)部造影劑含量有所區(qū)別，所以很多細(xì)小的血管無法被準(zhǔn)確選入或者時(shí)某些密度的松質(zhì)骨會(huì)被誤選進(jìn)來，此時(shí)需要借助2D Tools下的手動(dòng)編輯工具將血管部分進(jìn)行手工修復(fù)，去除多余的骨骼，并手動(dòng)添加缺失的細(xì)小血管，最后完成整個(gè)血管的修復(fù)和重建工作。

由于CTA和CTU中都重建了L1和L2椎體，所以本次使用這兩個(gè)椎體來配準(zhǔn)模型。將所有的模型導(dǎo)入到3ds MAX軟件中，將腫瘤和輸尿管鏈接為CTU中L1和L2椎體的子對象，移動(dòng)旋轉(zhuǎn)L1、L2椎體，使之對齊至CTA中的L1、L2椎體，最終完成三維模型的配準(zhǔn)工作，最終3D重建設(shè)計(jì)結(jié)果，見圖3。

圖3 3D重建設(shè)計(jì)效果圖

2 結(jié)果

2.1 影像診斷結(jié)果

根據(jù)三維重建模型，結(jié)合原始橫斷面圖像，采用放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等具體操作可見：患者左腎中極后部可見一約3.1 cm×2.7 cm×2.9 cm大小的異常強(qiáng)化灶，邊緣清，局部突向腎盂。左腎動(dòng)脈遠(yuǎn)端分成前后兩支，其中后支依次分出上支、前支、后支、下支，病灶與前支、下支關(guān)系緊密。

2.2 手術(shù)過程及結(jié)果

麻醉后，右側(cè)臥位，常規(guī)消毒鋪巾；于左髂脊上2 cm做橫切口，鈍性分離至腹膜后間隙，置曲卡；辨認(rèn)腰大肌，切開腹膜外脂肪打開背側(cè)Gerota's筋膜，將腎臟向腹側(cè)牽拉，顯露輸尿管，暴露腎動(dòng)脈，游離腎臟，術(shù)中超聲探查腫瘤部位并標(biāo)記，以術(shù)前3D可視化技術(shù)為指導(dǎo)，通過高選擇性阻斷病灶供血的腎動(dòng)脈分支為患者行腹腔鏡下保留腎單位術(shù)，精準(zhǔn)、完整切除腫瘤，避免正常腎單位的熱缺血再灌注損傷，手術(shù)時(shí)間大為縮短，術(shù)中出血量僅為50 mL。同時(shí)手術(shù)也證實(shí):患者的腎臟腫瘤及周邊腎實(shí)質(zhì)血供與術(shù)前3D可視化技術(shù)反應(yīng)完全相符，完全來自于腎動(dòng)脈的一支分支動(dòng)脈。

3 討論

3.1 3D可視化技術(shù)的價(jià)值

近幾年來，3D 可視化技術(shù)中的3D打印技術(shù)已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于骨科、頜面整形科[4-10]，肝膽外科也有探索[11-13]，但目前在國際鮮有將此技術(shù)應(yīng)用于腎臟腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)治療方面的報(bào)道。3D可視化技術(shù)可以通過CT或MRI原始DICOM圖像進(jìn)行后處理重建模型[14-16]。本例是通過腎臟多排CT檢查，將CT的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行立體模擬建模。盡管目前B超、CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像能很好的顯示腫塊的位置和狀態(tài)，但仍然只是平面圖像，而3D打印技術(shù)不僅能夠顯示腫塊與腎臟的空間結(jié)構(gòu)，更能辨識(shí)腫瘤毗鄰血管，在避免遺漏腫瘤的同時(shí)，更有效地輔助術(shù)前規(guī)劃?？傊?，相比于傳統(tǒng)的影像報(bào)告方法，3D腎臟腫瘤模型能夠更直觀地顯示解剖結(jié)構(gòu)，克服原始2D圖像無法隨意融合CTA、CTU數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，可以同時(shí)清晰的呈現(xiàn)軟組織和骨骼等硬組織。由于三維打印的實(shí)體模型可以隨意切換視角進(jìn)行觀察，方便整個(gè)治療團(tuán)隊(duì)觀察和手術(shù)方案討論。此外對于沒有醫(yī)學(xué)知識(shí)背景的患者而言，也更加容易進(jìn)行術(shù)前溝通和手術(shù)方案展示。就本病例而言，通過3D打印的模型，醫(yī)生能在手術(shù)前確定腫瘤的位置、大小以及與周圍血管的毗鄰關(guān)系，患者能夠清楚的知曉手術(shù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，這對于有效降低醫(yī)患矛盾具有很重要的異議，同時(shí)由于解剖空間位置清晰，可以有效的減少手術(shù)所需要的時(shí)間[17-19]。

3.2 3D可視化技術(shù)的不足

3D可視化技術(shù)為醫(yī)學(xué)提供了一種新的影像學(xué)展示方法和治療手段，但現(xiàn)階段而言，其在泌尿外科領(lǐng)域的應(yīng)用還存在以下不足：① 構(gòu)建分割蒙版過程繁瑣。由于軟組織不同于骨骼建模，其信號強(qiáng)弱不等，需要大量的后期人工修補(bǔ)工作，尤其是血管等結(jié)構(gòu)，當(dāng)造影劑含量較低時(shí)，細(xì)小的血管分支往往無法重建，血管強(qiáng)化效果較好的數(shù)據(jù)可減少重建所需時(shí)間；② 不同檢查時(shí)相影像數(shù)據(jù)融合困難。由于腎臟會(huì)隨著呼吸運(yùn)動(dòng)而上下浮動(dòng)，基于原始醫(yī)學(xué)圖像重建會(huì)受到運(yùn)動(dòng)偽影、掃描時(shí)間、圖像信噪比低等因素的影響，對于后期圖像處理建模將會(huì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

3D可視化技術(shù)目前還處于起步階段，隨著醫(yī)生、工程師、專業(yè)設(shè)計(jì)人員共同參與到數(shù)字醫(yī)學(xué)該領(lǐng)域的研究，該技術(shù)在泌尿外科的臨床應(yīng)用會(huì)有廣闊的發(fā)展空間，完成手術(shù)評估、手術(shù)方案規(guī)劃、術(shù)后效果評價(jià)等。通過提高手術(shù)質(zhì)量降低患者痛苦，最終達(dá)到精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化治療的目的。

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本文編輯 王靜

Renal Tumor Precise Surgery Based on 3D Visualization Technology

SUN Taoa, HAN Shanqingb
a.Department of Radiology, b.Information Center, the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

ObjectiveWe performed this study aim to explore the signi ficance of 3D visualization technique in the treatment of renal tumor.methodsA 50-year-old male patient who was diagnosed with left renal lesion by ultrasound examination in local hospital was examined by multi-row CT to obtain DICOM data. Three-dimensional model was reconstructed after the raw data was input into the computer.Results3D reconstruction model clearly displayed the anatomical structure around the tumor, especially the peripheral blood supply. Under the guidance of 3D visualization technique, the tumor was completely resected while the normal kidney tissue was preserved as much as possible, and the operation time was greatly reduced.ConclusionThe 3D visualization technology applied to renal tumor surgery can clearly display the anatomic structure and adjacent vessels of tumor. It can assist the preoperative diagnosis of complex kidney surgery so as to enhance the security, reduce the operation time, and improve operation accuracy. Therefore, this technique can be applied for surgical operation of renal carcinoma with great prospect.

3D visualization; precise surgery; renal tumor; model; preoperative planning

R575

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.017

1674-1633(2017)09-0071-03

2016-10-31

2016-11-14

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（JX10231801）。

韓善清，高級工程師，主要研究方向?yàn)閳D像處理。

通訊作者郵箱：jsphhsq@hotmail.com