基于計算機斷層血管造影的盆部原發腫瘤三維模型重建及臨床應用

張培海 夏志軍 劉慧婷

中國醫科大學附屬盛京醫院婦產科，遼寧沈陽110004

基于計算機斷層血管造影的盆部原發腫瘤三維模型重建及臨床應用

張培海 夏志軍 劉慧婷

中國醫科大學附屬盛京醫院婦產科，遼寧沈陽110004

目的探索基于計算機斷層血管造影（CTA）二維圖像的盆部原發腫瘤及其周圍結構的三維模型重建方法，為術前明確診斷、制訂個體化的手術方案、指導手術路徑及評估預后提供更加全面、直觀的影像學信息。方法對證實為盆部原發腫瘤患者行動靜脈期64排螺旋CT掃描，形成格式為標準Dicom 3.0的CT連續斷層圖像，利用計算機三維圖像重建軟件Mimics建立盆部原發腫瘤及其周圍結構的三維數字化模型。結果該方法的使用，可成功建立活體盆部原發腫瘤及其周圍結構的三維模型，包括骨盆、盆部動脈、瘤體、子宮、膀胱、腸管、皮膚及皮下軟組織，從而從解剖上完全還原其相對結構。結論多排螺旋CT掃描技術、血管造影及Dicom 3.0標準格式的應用使模型的建立更為精確、方便。該模型可以真實反映腫瘤與鄰近結構的解剖關系，對于盆部原發腫瘤的診療具有重要指導意義；另外，該數字化模型可為盆部解剖結構的教學及手術培訓提供詳盡的資料，為建立可視化醫療教學平臺提供幫助。

三維模型重建；盆部原發腫瘤；CT血管成像

盆部原發性腫瘤是指起源于盆部內器官以外組織的原發腫瘤[1]，早期癥狀多不明顯，無特異臨床體征，術前誤診率較高。盆腔內器官、組織較多，解剖結構復雜，發生于盆部的腫瘤常擠壓、包繞或侵犯鄰近解剖結構，因此，術前的影像學檢查，尤其是CT增強掃描，有助于對病灶進行準確的定位和定性分析，并有利于判斷其累及周圍臟器的范圍和程度，進而可幫助臨床醫師選擇最優的治療方案，制訂合理的手術計劃[2]。三維醫學圖像可視化在近10年間得到了極其廣泛的應用[3-5]，其在解剖結構可視化、手術規劃與模擬、放射治療等方面均具有重要意義。而目前，國內外文獻對于盆部原發腫瘤影像學表現大多為個案報道，或僅為單純的影像表現分析[6-9]，尚無關于盆部原發腫瘤三維重建模型的系統報道。本文旨在闡述利用三維重建軟件，將多排螺旋CT獲得的連續斷層圖像重建成三維數字化模型的方法及其在介入、保守及手術治療方案選擇方面的應用，并就其在手術可行性的分析、手術切口及路徑的選擇、介入及保守治療方案的制定等方面的優勢進行分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2010年3月～2013年3月因盆部腫瘤收入中國醫科大學附屬盛京醫院并且接受手術切除治療的患者。術前1周行64排螺旋增強CT掃描，掃描前未行栓塞及穿刺活檢等其他侵入性檢查和治療；術后病理均證實為盆部原發性腫瘤，手術記錄完整。經篩選，符合上述條件的患者共計13例患者，平均年齡44歲，其中侵襲性血管黏液瘤3例，平滑肌瘤1例，良性畸胎瘤3例，神經鞘瘤2例，脂肪肉瘤1例，平滑肌肉瘤2例，血管肌纖維母細胞瘤1例。2例患者為體檢發現，就診時未訴明顯異常；其余11例患者均表現為腹痛、腰痛、排尿困難、大便變形等非特異性癥狀。

1.2 掃描參數及數據保存

本研究所用圖像為采用東芝Aquilion one 64排螺旋CT設備對患者進行掃描后所得，掃描范圍為第3腰椎與第4腰椎之間平面至股骨中上部，掃描方式為沿橫斷面在動脈期及靜脈期連續跟蹤掃描，掃描條件為選擇軟組織窗，管電壓120 kV，電流采用自動毫安秒，掃描層厚0.5 mm，掃描層距0.5 mm；造影劑注射方式為經右側肘前靜脈以5 mL/s流率用雙筒高壓注射器注射優維顯（370 mgI/mL）80 mL，再以3.0 mL/s流率靜脈注射0.9%生理鹽水30 mL。原始數據重建的層厚0.5 mm，間隔0.5 mm，矩陣512×512。掃描數據以Dicom 3.0標準格式直接存儲。

1.3 方法

1.3.1 二維圖像的導入及定位首先將所有Dicom格式的二維原始圖像導入Mimics中，選取相對應的解剖方位，轉換為指定的MCS格式，在Mimics軟件中自動形成盆腔冠狀面、矢狀面和垂直面的三視圖，此過程中，可根據需要，選擇其中一個視圖進行處理。

1.3.2 骨性結構數字模型的建立骨組織的閾值為226～3071 Hu[10]，利用tool里的profile line功能可精確確定閾值的范圍，Mimics軟件會自動選取所有該閾值內的全部圖像。然后使用編輯功能去除無關的邊緣雜點和冗余數據，經過區域增長，進一步完善選區。最后利用calculate 3D功能構建出腰椎、骨盆及股骨等骨骼結構的三維數字模型。

1.3.3 動脈數字模型的建立由于CTA血管造影技術已利用高密度造影劑使動脈顯影，故可將血管的閾值界定在193～3071 Hu之間。再經區域增長、3D計算便可建立骨骼及動脈的三維模型。再運用Mimics軟件中的Boolean operations功能，剪除骨骼結構的三維模型，并使用二維圖像編輯功能去除無關邊緣雜點和冗余數據，經區域增長，便可生成不含骨性結構的孤立動脈數字模型。

1.3.4 皮膚及皮下脂肪數字模型的建立首先將皮膚的閾值界定在-718～-177 Hu之間，界定脂肪的閾值在-205～-51 Hu之間，經區域增長分割出皮膚及皮下脂肪，對于兩者重合的部分，通過二維圖像的編輯處理，去除無關邊緣雜點和冗余數據，用Mimics三維修改工具優化分割出的三維數字模型。

1.3.5 膀胱、子宮、腸管及瘤體數字模型的建立膀胱、子宮、腸管及瘤體的水平位顯示良好，界線清楚，在軟組織窗的二維圖像中分別手動分割出膀胱、腸管及瘤體，子宮于矢狀位與周圍組織解剖明確，需要加工的數據量少，二維圖像上分割出子宮，經編輯處理，建立膀胱、子宮、腸管及瘤體三維數字模型。

1.3.6 三維圖像的后期處理新建的三維圖像比較粗糙，可以通過軟件自帶的模擬切割功能進行美化，對于較粗大的突出可以用面切割，而對于較細的邊緣可用曲線切割進行圖像處理，以減少點及邊緣的角度從而使邊緣平滑。在進行后期處理的過程中，首先應當設定適當的邊緣角度、迭代次數和公差，以對圖像進行第一次平滑的修正。修正后的圖形表面，實際上是由許多三角平面構成的，然后將處理好的三維圖像導入有限元分析中，通過使用軟件提供的減少三角形面片的功能，并適當的設置各個參數，以優化三角面片。最后通過Remesh功能，去除非等邊三角形，再將處理完的三維圖形導入Mimics軟件，依據不同部位的灰度值建立灰度與密度的關系，從而將模型的各部分賦以材質，至此，真正的三維實體模型便建立起來了[11]。

2 結果

通過上述方法，成功建立了盆部原發腫瘤及周圍結構三維數字模型，幾何外型逼真，視覺效果良好，直觀生動，實體感強，并可以根據觀察需要進行任意切割組合（圖1～9，見封三），并可更改偽彩、透明度及大小。另外利用3D工具可以對腫瘤的直徑、體積等數據進行測量，并可通過計算得知腫瘤與周圍任意結構的位置的定量關系，如腫瘤與皮膚、血管的距離及所成角度等。本研究所收集的13例盆部原發腫瘤患者的病理類型、增強CT表現、空間解剖關系詳見表1。

表1 13例患者病理、CT、三維解剖關系

通過手術證實，所有腫瘤的大小、走向、和血管的關系等基本與術前模型提供的信息一致。三維模型清晰地顯示了腫瘤與周圍血管及器官的解剖關系，在術前對腫瘤的相關數據完成采集，從而幫助臨床醫師選擇合適的手術入路，并推演手術過程可能遇到的問題，制訂更加完善的手術方案。

另外由于重建模型的三維立體效果，操作者可通過觀察重建模型的走向、與周圍結構的關系，大致判斷腫瘤與腹膜的關系及腫瘤根部所在。本研究中3例侵襲性血管黏液瘤及1例平滑肌瘤患者，經三維模型重建后提示腫瘤位于腹膜外位，治療方案選擇腹膜外探查術，術中證實了術前的診斷，腫瘤切除完整。總的來說，基于CTA的盆部原發腫瘤的三維模型重建具有實用強、可操作性高的優勢。其可以詳實、準確地顯示腫瘤與周圍組織結構的空間關系，幫助臨床醫師在實施侵入性操作前對活體狀態下的腫瘤組織、腫瘤周邊血供情況及腫瘤基底部情況形成直觀的認識，從而協助其優化手術方案，并充分保護盆部重要器官及大血管。同時，該模型可清晰顯示盆部各器官及組織結構的解剖關系，并可從任意角度進行旋轉及縮放觀察，另外，Mimics所提供的export功能還可將重建模型輸出為AVI格式的視頻資料，從而為建立數字化教學平臺提供可視化教學資源。

3 討論

3.1 基于CTA的盆部原發腫瘤三維重建的可行性

目前，用于人體器官的三維重建的影像材料一般通過以下方法獲取：①機械切削組織切片的掃描影像；②CT斷層數據；③MRI斷層數據。例如，“虛擬中國人男性一號”[12]，就是利用切片組織的掃描影像進行三維重建的，但這種方法所獲取的彩色圖片不能直接用于重建，標本切割及圖像采集過程對硬件要求極高，信息處理量繁重，成本昂貴，且尸體標本難以還原真實人體結構，故臨床應用價值不高。Balan[13]的研究表明，MRI具有良好的軟組織分辨率和多平面成像能力，對盆部病變診斷準確率較高，但該方法檢查時間長，且對體內有金屬植入的患者禁忌，故也有一定的局限性。然而，增強CT的組織分辨率接近于MRI[13]，亦可提供腫瘤的位置及與周邊臟器、血管等毗鄰關系等信息，且經過對典型CT表現進行分析后還可對腫瘤性質進行初步判斷[14]。近年來，隨著增強CT在臨床中應用日益增多，及醫學圖像獲取[15-16]及可視化技術的快速發展，基于CT影像的醫學建模方法已成為骨骼三維模型重建中的主流[17]。故與其他兩種圖像采集模式相比，基于CTA的盆部原發腫瘤的三維重建在臨床中有著更廣泛的應用。

3.2 三維模型重建對盆部原發腫瘤診療的意義

盆部原發腫瘤起病隱匿，早起癥狀不典型，患者常因無自覺不適而延誤就診，故此類腫瘤通常體積較大[18]，而且其病理類型復雜，以惡性居多，多可因生長過快而對周圍器官產生壓迫及推擠，使盆部器官及組織失去正常的結構及解剖位置關系。此外，盆部原發腫瘤形態各異，組織起源不明，與周圍組織關系不清，術前多難以明確診斷。手術醫師僅能夠依靠臨床經驗及平面的影響資料虛構腫瘤的形態，缺乏生動、直觀的影像信息支持。

另外對于該類疾病的診療缺乏有效的輔助檢查，臨床上多以探查手術為主，包括開腹探查、陰式探查、骶尾入路探查及開腹與陰式聯合等。眾所周知，探查術切口大，目的性差，病灶尋找困難，手術切除范圍不清，手術時間長，出血多，副損傷大，而且手術成敗很大程度上依賴于術者經驗。此類患者術后往往由于未能自根部完整切除腫瘤，而短期復發，預后欠佳。

盆部原發腫瘤的三維數字模型可在術前提供：腫瘤的位置、形態、與周圍組織血管的空間關系。操作者通過精確地腫瘤重建，對可能存在的盆部組織解剖變異進行清晰的呈現，協助臨床醫師確定手術最佳的路徑及切口的位置，推演術中可能遇到的問題，明確腫瘤根部所在，從而確定切除范圍。最終幫助術者決定最佳的治療方案，避免盲目的探查手術，減少不必要的損傷、出血，縮短手術時間。

3.3 盆部原發腫瘤重建的教學及科研意義

基于CTA的盆部原發腫瘤及其周圍結構的三維重建，使活體狀態下透視腫瘤成為可能。該模型具有明顯的三維立體感，可根據操作的需要，調整模型的透明度，并可進行自由切割，測量腫瘤與任意位置的距離，全程觀察血管走向、分支情況，以幫助人們認識盆部原發腫瘤的解剖結構；同時，數字化模型的無限次使用的特點可幫助學生模擬活體狀態下腫瘤的真實狀況，進行虛擬操作，減少動物模型的浪費，從而克服了傳統解剖教學的空洞枯燥及病態條件下難以還原人體真實解剖的不足，是對傳統教學材料的完善和補充，為年輕醫師的成長提供了一個良好的學習平臺。

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The reconstruction of digital three-dimensional model based on computed tomography angiographic data and its application in the primary extraorganic tumors in pelvis

ZHANG PeihaiXIA ZhijunLIU Huiting
Department of Obstetrics and Gynecology,the Affiliated Shengjing Hospital of China Medical University,Liaoning Province,Shenyang110004,China

Objective To establish a method to reconstruct a digital three-dimensional(3D)model of the extra-organic primary tumors in pelvis and the surrounding structures based on computed tomography angiographic(CTA)data,which aims at providing comprehensive and visual imaging information for pre-operation diagnosis,individual operation plan, operation route choice and prognosis assessment.Methods The patients,who were diagnosed to have pelvic primary tumors,were scanned by 64-slice spiral CT during the arterial phase and venous phase.The digital three-dimensional models were reconstructed by using Mimics software 10.01 based on the images obtained by Dicom 3.0 standard CT. Results The 3D models of tumors and the surrounding structures,including pelvis,pelvic artery,tumor,uterus,bladder, bowl,skin and subcutaneous tissue were reconstructed.They were definitely identical with the real human anatomy structures.Conclusion The applications of multi-slice spiral CT angiography,Dicom 3.0 standard CT as well as Mimics software 10.01 provide an effective and accurate way to establish digital models,which are of great importance in diagnosing and curing the extra-organic primary pelvic tumors.Moreover,these models may play important parts in surgical skills training and pelvic anatomy learning.

3-Dimensional modeling;Primary pelvic tumors;Computed tomography angiography

R733

B

1673-7210（2014）01（a）-0086-04

2013-09-05本文編輯：張瑜杰）

遼寧省科學技術計劃項目（編號2012225017）。