基于3D可視化技術的腎臟腫瘤精準手術

孫濤，韓善清

南京醫科大學第一附屬醫院 a.放射科；b.信息中心，江蘇 南京 210029

基于3D可視化技術的腎臟腫瘤精準手術

孫濤a，韓善清b

南京醫科大學第一附屬醫院 a.放射科；b.信息中心，江蘇 南京 210029

目的探討3D可視化技術在腎臟腫瘤精準手術治療中的意義。方法對一例50歲的男性患者行B超檢查發現左側腎臟有占位性病變，遂行多排CT平掃加增強檢查獲得CT的DICOM數據，輸入計算機進行立體模擬建模。結果3D重建模型可以清晰地顯示腫瘤周圍的解剖結構，特別是周圍血供。在它的指導下，腫瘤被完整切除，并盡可能保全正常的腎組織，且整臺手術時間大為減少。結論3D可視化技術應用于腎臟腫瘤的治療，能清晰顯示其解剖結構，辨識腫瘤毗鄰血管，在避免遺漏腫瘤的同時，更有效地輔助術前規劃，增加了腎臟的復雜手術的安全性、加快了手術速度，提高了手術的精確性。在腎臟腫瘤外科精準手術治療方面具有極大的應用前景。

3D可視化；精準手術；腎臟腫瘤；模型；術前規劃

引言

腎臟腫瘤是泌尿系統的常見疾病[1]，外科手術是局限性腎癌首選治療方法[2]，包括根治性腎切除術（Radical Nephrectomy，RN）和保留腎單位手術（Nephron Sparing Surgery，NSS），傳統手術一般為開放手術，創傷較大，術后恢復時間較長。1990年Clayman等[3]第一次成功施行腹腔鏡腎切除術，標志著腎臟手術微創時代的到來。近幾年，泌尿外科腹腔鏡技術日臻成熟，已成為手術治療領域不可缺少的重要組成部分。本研究采用北京維卓致遠公司開發的醫學圖像三維可視化系統對1例行腹腔鏡下保留腎單位腎癌切除術的患者通過三維建模進行術前評估和手術規劃，取得較好的效果，初步探討3D可視化技術在腎臟腫瘤精準手術中的價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

患者，男性，50歲，兩周前當地社區醫院常規體檢，超聲檢查發現：左腎占位，遂入我院住院治療。患者無發熱、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。既往有胃穿孔手術史十余年，否認糖尿病、高血壓病史，否認肝炎、結核病史，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，未見胃腸型蠕動波。上腹部可見陳舊手術瘢痕，全腹軟，無壓痛、反跳痛，未及包塊。肝脾肋下未觸及，移動性濁音陰性。腸鳴音正常，4次/min，未及氣過水音。專科檢查：雙腎區無隆起及壓痛。雙側輸尿管徑路體表投影區無壓痛。恥骨上區無隆起，壓痛（-）。外生殖器無畸形，雙側睪丸未及異常，尿道口無膿性分泌物。

1.2 DICOM數據獲取儀器與方法

運用西門子SOMATOM De finition雙源螺旋CT按照操作規范對患者腎臟進行多期掃描獲取平掃期、動脈期和實質期的DICOM原始數據。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；掃描具體參數為管電壓120 kV，電流200 mA，準直寬度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是一款開源的醫用圖像處理軟件，可以直接讀取CT、MRI 等設備采集到的DICOM文件，通過對影像數據內的興趣區域進行可視化分割提取，可以計算生成并導出STL（Stereolithography）格式的三維網格模型，整個流程，見圖1。

圖1 軟件處理流程

由于整個病灶包含有腎臟、腫瘤、血管、輸尿管等多種組織，并且需要使用不同的顏色進行區分，所以本次使用多分割蒙版方式來創建模型，每種組織對應一個分割蒙版，而每個分割蒙版都是由興趣體素構成的。 患者的影像學檢查包含 CTA和 尿路造影（CT Urography, CTU）數據，兩次數據采集時患者的體位有所區別，所以我們事先需要使用Point Based Registration功能來將兩組數據進行配準。

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，三維差值計算出腫瘤的外輪廓。多方向確認腫瘤外形沒有問題后，確認分割結果，此步驟會自動生成腫瘤的三維網格并存儲在影像數據的子層級中，見圖2。由于CTU中輸尿管強化明顯，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。由于該患者骨質略有疏松，骨骼邊緣可能無法自動選定，所以需要使用2D Tools下的手動工具手動修復一下未被選入的骨質，同時為了減少骨骼三維模型的面數，我們使用2D Tools下的Fill工具逐層將骨骼內部進行填充處理。確認沒有問題后點擊確認，即可生成骨骼模型。打入造影劑強化后的血管模型，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僅能設定一個最低值，該工具能同時設置一個最低值和最高值，灰階強度位于設定值區間內的組織都會被選中。由于血管內部造影劑含量有所區別，所以很多細小的血管無法被準確選入或者時某些密度的松質骨會被誤選進來，此時需要借助2D Tools下的手動編輯工具將血管部分進行手工修復，去除多余的骨骼，并手動添加缺失的細小血管，最后完成整個血管的修復和重建工作。

由于CTA和CTU中都重建了L1和L2椎體，所以本次使用這兩個椎體來配準模型。將所有的模型導入到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，移動旋轉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工作，最終3D重建設計結果，見圖3。

圖3 3D重建設計效果圖

2 結果

2.1 影像診斷結果

根據三維重建模型，結合原始橫斷面圖像，采用放大、縮小、旋轉等具體操作可見：患者左腎中極后部可見一約3.1 cm×2.7 cm×2.9 cm大小的異常強化灶，邊緣清，局部突向腎盂。左腎動脈遠端分成前后兩支，其中后支依次分出上支、前支、后支、下支，病灶與前支、下支關系緊密。

2.2 手術過程及結果

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

3 討論

3.1 3D可視化技術的價值

近幾年來，3D 可視化技術中的3D打印技術已應用于醫學領域，主要應用于骨科、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應用于腎臟腫瘤精準手術治療方面的報道。3D可視化技術可以通過CT或MRI原始DICOM圖像進行后處理重建模型[14-16]。本例是通過腎臟多排CT檢查，將CT的數據輸入計算機進行立體模擬建模。盡管目前B超、CT、MRI等醫學影像能很好的顯示腫塊的位置和狀態，但仍然只是平面圖像，而3D打印技術不僅能夠顯示腫塊與腎臟的空間結構，更能辨識腫瘤毗鄰血管，在避免遺漏腫瘤的同時，更有效地輔助術前規劃。總之，相比于傳統的影像報告方法，3D腎臟腫瘤模型能夠更直觀地顯示解剖結構，克服原始2D圖像無法隨意融合CTA、CTU數據的缺點，可以同時清晰的呈現軟組織和骨骼等硬組織。由于三維打印的實體模型可以隨意切換視角進行觀察，方便整個治療團隊觀察和手術方案討論。此外對于沒有醫學知識背景的患者而言，也更加容易進行術前溝通和手術方案展示。就本病例而言，通過3D打印的模型，醫生能在手術前確定腫瘤的位置、大小以及與周圍血管的毗鄰關系，患者能夠清楚的知曉手術的潛在風險，這對于有效降低醫患矛盾具有很重要的異議，同時由于解剖空間位置清晰，可以有效的減少手術所需要的時間[17-19]。

3.2 3D可視化技術的不足

3D可視化技術為醫學提供了一種新的影像學展示方法和治療手段，但現階段而言，其在泌尿外科領域的應用還存在以下不足：① 構建分割蒙版過程繁瑣。由于軟組織不同于骨骼建模，其信號強弱不等，需要大量的后期人工修補工作，尤其是血管等結構，當造影劑含量較低時，細小的血管分支往往無法重建，血管強化效果較好的數據可減少重建所需時間；② 不同檢查時相影像數據融合困難。由于腎臟會隨著呼吸運動而上下浮動，基于原始醫學圖像重建會受到運動偽影、掃描時間、圖像信噪比低等因素的影響，對于后期圖像處理建模將會是一個巨大的挑戰。

4 結論

3D可視化技術目前還處于起步階段，隨著醫生、工程師、專業設計人員共同參與到數字醫學該領域的研究，該技術在泌尿外科的臨床應用會有廣闊的發展空間，完成手術評估、手術方案規劃、術后效果評價等。通過提高手術質量降低患者痛苦，最終達到精準醫療、個性化治療的目的。

[1] Ljungberg B,Bensalah K,Canfield S,et al.EAU guidelines on renal cell carcinoma:2014 update[J].Eu r Urol,2015(5):913-924.

[2] 那彥群,葉章群,孫穎浩,等.2014版中國泌尿外科疾病診斷治療指南[M].北京:人民衛生出版社,2014:6-10.

[3] Clayman RV,Kavoussi LR,Soper NJ,et al.Laparoscopic nephrectomy:initial case report[J].J Urol,1991,146(2):278-282.

[4] 李振化,王桂華.3D打印技術在醫學中的應用研究進展[J].實用醫學雜志,2015(7):1203-1205.

[5] 胡敏,譚新穎,鄢榮曾,等.3D打印技術在口腔頜面外科領域中的應用進展[J].中國實用口腔科雜志,2014,7(6):335-339.

[6] 冒鋒涌,姚慶強,鄭朋飛,等.3D打印骨折模型在股骨轉子間骨折治療中的應用[J].中華創傷骨科雜志,2016,18(8):725-728.

[7] 林海濱,張國棟,陳宣煌,等.3D打印導航模塊輔助腰椎弓根螺釘數字化置入的實驗精度[J].解剖學雜志,2016,39(4):459-464.

[8] 邱雪,吳荷玉.3D打印結合數字化技術在數字骨科醫學發展中的應用配合[J].護理研究,2015(30):3839-3840.

[9] 馬立敏,張余,周燁,等.3D打印技術在股骨遠端骨腫瘤的應用[J].中國數字醫學,2013(8):70-72.

[10] 鄭朋飛,唐凱,王黎明,等.3D打印個體化手術導航模板在兒童股骨頸骨折中的應用[J].中華實用兒科臨床雜志,2016,31(11):863-866.

[11] 方馳華,方兆山,范應方,等.三維可視化、3D打印及3D腹腔鏡在肝腫瘤外科診治中的應用[J].南方醫科大學學報,2015(5):639-645.

[12] 鐘世鎮,方馳華.三維打印技術的臨床應用[J].中華外科雜志,2016,54(9):658-660.

[13] 翻應方,方馳華,項楠,等.數字化微創技術在肝膽管結石診治中的應用價值[J].2016,(3):688-693.

[14] 楊新宇.3D打印技術在醫學中的應用進展[J].復旦學報(醫學版),2016,43(4):490-494．

[15] Lipson H, Kurman M. Fabricated: The new world of 3D printing[M].New York:JohnWiley & Sons,2013.

[16] 朱詩白,蔣超,葉燦華,等.3D打印技術在骨科領域的應用.中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志[J].2016,9(1):88-93.

[17] 周偉民,閔國全,李小麗.3D打印醫學[J].組織工程與重建外科雜志,2014(1):1-3.

[18] 顧鐵保,張澤鋒,王彭.3D技術打印個體化手術導航計劃系統治療原發性三叉神經痛[J].中國醫療設備,2015,30(11):22-25.

[19] 管吉,楊樹欣,管葉,等.3D打印技術在醫療領域的研究進展[J].中國醫療設備,2014,29(4):71-72.

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

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（JX10231801）。

韓善清，高級工程師，主要研究方向為圖像處理。

通訊作者郵箱：jsphhsq@hotmail.com