小型豬腎臟血管的三維可視化建模及意義

鄧健全，黃海龍

(肇慶醫學高等專科學校基礎醫學部，廣東 肇慶 526020)

小型豬是人類疾病研究的重要替代實驗動物，由于其腎臟的解剖結構和生理功能與人類相類似，常作為泌尿外科實驗研究和手術模擬訓練的動物模型。近年來，隨著轉基因技術的快速發展和異種移植技術的不斷成熟，小型豬腎臟作為人類腎移植的供體可能性越來越明顯[1-2]。因此，深入了解小型豬腎臟血管的分布、走行及血供情況等解剖結構對人類腎移植研究具有重要應用價值。目前，有關豬腎臟血管的解剖結構及血管鑄型觀察已有相關報道[3-4]，而有關腎臟血管的三維可視化建模研究報道甚少。鑒于此，本研究應用血管重建技術和Mimics分割技術構建小型豬雙腎血管數字化三維模型，并通過閾值分割更好顯示腎臟血管形態學結構，為人類異種移植提供了血管解剖學依據。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

選取外科實驗后新鮮廣西巴馬小型豬標本1只(死后4 h內)，雌性，23 kg，由肇慶醫學高等專科學校動物實驗中心提供[SCXF(粵)2015-0056]。本實驗室具有普通級實驗動物使用許可證號[SYXK(粵)2016-0013]，本研究經肇慶醫學高等專科學校動物實驗中心倫理委員會批準實施[(肇醫專)2018-009]。

1.2 實驗方法

1.2.1 標本處理

首先打開腹腔，在腹后壁處找到左、右腎臟并檢查其完整性；然后在腹主動脈(發出腎動脈處)和后腔靜脈(發出腎靜脈處，結扎右腎靜脈)的上方1.5～2 cm處分別插管[5]，并用50 mL一次性塑料注射器不斷抽取5%肝素生理鹽水對插管內動靜脈血管進行推注沖洗，待腎靜脈流出清澈液體即停。最后待腎臟標本在原位靜置12～18 h后，用50 mL一次性塑料注射器不斷抽取空氣注入插管內以檢查插管是否存在漏氣，若出現外漏，可在插管鏈接處滴注502膠水黏住加固。

1.2.2 小型豬腎臟動靜脈血管鑄型標本制作

采用環氧樹脂混合金屬氧化物造影劑方式進行灌注制作小型豬腎臟動靜脈血管鑄型標本[6-7]，具體為：先采用“環氧樹脂-氧化鉛”(100 mL∶113 g)灌注腹主動脈(紅色)，邊灌注邊觀察兩側腎臟標本表面顏色變化，當出現部分紅色小斑點應即停止灌注；然后同理采用“環氧樹脂-二氧化鈦”(100 mL∶24 g)填充劑灌注后腔靜脈(黃色，結扎右腎靜脈)，邊灌注邊觀察左側腎臟標本表面顏色變化，當出現部分黃色小斑點應即停止灌注。最后讓標本靜置8～12 h填充劑完全硬化后放入37%濃鹽酸腐蝕，5～7 d后將標本取出用自來水反復沖洗干凈,并進行局部修剪，即成小型豬腎臟動靜脈血管鑄型標本。

1.2.3 CT掃描與三維建模

采用西門子128層螺旋CT對小型豬腎臟動靜脈血管進行薄層掃描。掃描參數：管電壓120 kV，管電流250 mA，旋轉時間每圈0.5 s，準直寬度64×0.625 mm，重建層厚0.5 mm，重建層距0.3 mm，螺距0.915 mm，視野350 mm，矩陣512×512，掃描所獲得DICOM格式數據集(容量0.88 G)導入Mimics 19.0軟件進行三維圖像重建。通過Thresholding功能調整閾值分割顯示腎動脈、腎靜脈，然后使用Calculate 3D工具對不同分割蒙板進行計算，以構建不同閾值的小型豬腎臟動靜脈三維可視化模型。

2 結果

2.1 小型豬腎臟血管鑄型觀察

鑄型結果顯示：小型豬雙側腎臟血管輪廓明顯，形態充盈飽滿。右側腎動脈和腎靜脈的各級分支伴行且互相吻合形成血管網，左側腎動脈粗細分明、稀疏有度，能清楚地顯示前支、后支、葉間動脈、弓狀動脈的立體構筑及小葉間動脈分支間吻合關系，立體感強(圖1)。

2.2 小型豬腎臟血管三維可視化模型

將CT掃描采集的DICOM數據導入Mimics 19軟件成功重建小型豬腎臟血管三維可視化模型(圖2)，并通過調整閾值范圍分割顯示腎臟動、靜脈及其分支,具體為：當閾值范圍調整為552～3071 HU時，重建三維模型形態逼真、立體感強，能清晰地觀察雙側腎動脈及其分支(前支、后支、葉間動脈及弓狀動脈等)，右側腎靜脈及分支(后干靜脈、葉間靜脈及弓狀靜脈等)，與鑄型標本血管走行及分布相一致。當閾值范圍調整為1223～3071 HU時，重建三維模型只顯示雙側腎動脈及其主要分支(前支、后支、葉間動脈等)，弓狀動脈及其以下小動脈分支消失。同時右側腎靜脈及其分支也消失。當閾值范圍調整為2879～3071 HU時，重建三維模型僅顯示雙側腎動脈主干，其動脈分支消失。

注:A：背面觀；B：前面觀。1：后支；2：葉間動脈；3：弓狀動脈；4：小葉間動脈；5：小葉間動脈的分支；6：前支；7：右腎動脈；8：腹主動脈；9：后腔靜脈；10：左腎靜脈；11：左腎動脈；12：后干靜脈；13：前干靜脈。圖1 小型豬腎臟血管鑄型標本Note. A: Posterior view; B: Anterior view. 1: Posterior branch; 2: Lobular artery; 3: Arcuate artery; 4: Intralobular artery; 5: Branches of the intralobular artery; 6: Anterior branch; 7: Right renal artery; 8: Abdominal aorta; 9: Posterior cava vein; 10: Left renal vein; 11: Left renal artery; 12: Caudal trunk vein; 13: Cranial trunk vein.Figure 1 Renal vasculature casted specimens of the miniature pig

注：A： Mimics重建小型豬腎臟血管三維可視化模型；B： 閾值為552～3071HU 的腎臟動靜脈三維可視化模型；C： 閾值為1223～3071 HU 的雙側腎動脈及其分支三維可視化模型;D： 閾值為2879～3071 HU雙側腎動脈的三維可視化模型。1：后支；2：葉間動脈；3：弓狀動脈；4：前支；5：右腎動脈；6：腹主動脈；7：后腔靜脈；8：左腎靜脈；9：左腎動脈；10：后干靜脈；11：葉間靜脈；12：弓狀靜脈。圖2 小型豬腎臟血管三維可視化模型Note. A: Three-dimensional visual model of miniature pig renal vascular reconstructed by Mimics; B: Three-dimensional visual model of the renal artery and vein with a threshold range from 552 to 3071 HU; C: Three-dimensional visual model of bilateral renal arteries and its branches with a threshold range from 1223 to 3071 HU; D: Three-dimensional visual model of bilateral renal arteries with a threshold range from 2879 to 3071 HU. 1: Posterior branch; 2: Lobular artery; 3: Arcuate artery; 4: Anterior branch; 5: Right renal artery; 6: Abdominal aorta; 7: Posterior cava vein; 8: Left renal vein; 9: Left renal artery; 10: Caudal trunk vein; 11: Lobular vein; 12: Arcuate vein.Figure 2 Three-dimensional visual model of miniature pig renal vasculature

3 討論

3.1 小型豬腎臟血管三維可視化建模方法

血管三維可視化建模是通過CT或MRI造影重建的虛擬立體模型，對深入了解實驗動物血管內部結構具有巨大的優勢。CT圖像采集原理是基于X射線穿透物質能力來區分不同密度的物質，即血管內造影劑密度越大，X射線越難穿透，三維成像越清晰。目前，有關文獻報道以人類(或動物)腎動脈三維重建為主，如王占宇等[8]采取CTA(造影劑為碘普羅胺)采集人體腎動脈數據，并以VR、MIP等形式重建其三維圖像；同理，彭衛華等[9]也采用造影劑(泛影葡胺鈉)灌注離體豬腎動脈并通過CT掃描重建VR、MIP等三維圖像。而對腎靜脈或腎動靜脈重建研究方法甚少，這跟CT閾值原理和造影劑密度存在密切的關系。鑒于此，本研究采用兩種不同密度差造影劑灌注制作鑄型標本后經CT掃描和Mimics閾值分割重建不同小型豬腎臟血管三維可視化模型。其優勢如下：

(1)選擇不同密度差造影劑：腎動脈灌注造影劑氧化鉛(9.63 g/cm3)，是金屬造影劑密度最大，顯影度最高，是血管造影術的“金標準”，但是偽影大；腎靜脈灌注造影劑二氧化鈦(4.26 g/cm3)與骨骼密度(4.22 g/cm3)相近，顯影度中度，偽影較小。

(2)先鑄型后重建：先將氧化鉛和二氧化鈦兩種不同密度金屬造影劑粉末分別加入填充劑并攪拌均勻，待鑄型標本硬化后，造影劑就可以很好均勻分散于各級血管鑄型內，CT掃描重建三維圖像清晰度高、血管連續性好，且與鑄型標本的血管走行及分布相一致。

(3)閾值分割：通過Mimics軟件閾值調整可以完整顯示腎臟動、靜脈，也可以單獨顯示腎動脈，血管分割效果較理想。因此，密度差造影劑灌注是一種分割小型豬腎臟動靜脈血管分割顯示的好方法，效果明顯。

3.2 小型豬腎臟三維可視化模型的應用意義

近年來，隨著腔鏡下腎部分切除術(LPN)的廣泛開展，外科醫生的臨床實踐經驗是LPN手術成敗的關鍵因素。由于受醫學倫理限制，經驗不足的年輕外科醫生或實習生不能直接在患者身上直接進行手術或練習。相關研究報道顯示[10-11]，在小型豬開展的腎部分切除術的試驗方法和結果 與患者手術結果相似度90%以上，表明小型豬腎三維模型成為泌尿外科醫生手術模擬培訓理想的動物模型。本研究基于小型豬腎臟血管鑄型重建其三維可視化模型，具有以下重要應用意義：

(1)血管模型分割：重建腎動靜脈三維模型可以通過調整閾值范圍間距分割腎動脈和腎靜脈。當閾值范圍間距不斷縮小，最先消失是造影密度小的腎靜脈及其分支血管，然后是腎動脈及其分支，最后僅剩腎動脈主干。其特別之處在于血管分顯示基于解剖原位分割顯示，這樣更接近真實的手術環境。

(2)實體和虛擬結合：血管鑄型是一種較好顯示動物器官內部血管分布及走行的好方法[12]，能清楚地顯示淺層右側腎臟動、靜脈吻合關系及左側腎動脈走行及分布情況，而不足之處由于鑄型細小血管過于豐富對于被覆蓋部分或深層血管難于觀察。而其三維模型可以在計算機Mimics三維空間內以任意角度、任意方向旋轉觀察和測量，較大地彌補鑄型標本觀察的不足，這種優勢是鑄型所無法比擬的。

(3)3D打印實物模型：3D打印技術是快速成形技術之一，在醫療領域發揮其獨有優勢[13]。外科醫生在術前或虛擬手術訓練中，可以根據手術需要重建多個分割閾值不同的小型豬腎臟血管三維可視化模型，并連接3D打印設備就可以打印出等比例相一致的3D實物模型，且批量生產，便于術前觀察、分析和討論，有利于提高手術成功率和積累臨床經驗。

綜上所述，基于血管鑄型標本重建小型豬腎臟血管三維可視化模型，作為在原位分割單獨或整體顯示腎動靜脈血管的有效方法，為泌尿外科研究和手術虛擬訓練奠定仿真平臺基礎和提供重要的指導意義。