CTU+CTA聯合成像結合3D打印技術在腹腔鏡腎部分切除術中的應用

陳一鳴　宋廣來　王坤　陳真　邢兆宇　丁濤

[摘要] 目的 比較CTU+CTA聯合成像與傳統CT平掃+增強進行三維重建圖像精度差異，評估CTU+CTA圖像重建后3D打印腎臟模型在腹腔鏡腎部分切除術手術規劃及術前溝通中的應用價值。方法 選取2018年6—7月期間入院的兩名腎癌患者，術前行CTU+CTA檢查，采集CT圖像，同時回顧性采集5例2018年1—6月期間入院手術的5例腎癌患者術前CT平掃+增強圖像，將采集到的圖像進行三維重建，比較兩者對腎臟及腫瘤細節的還原程度。而后利用CTU+CTA三維建模進行3D打印，評估3D打印模型還原程度、對手術規劃的幫助及對術前溝通的幫助程度。結果 CTA+CTU三維重建圖像對腫瘤侵犯集合系統情況、腎臟形態、腎臟血管分支等評分項目中得分高于CT平掃+增強三維重建圖像，兩組比較差異有統計學意義（t=15.611，P<0.001）。3D打印腎臟模型經專家評分后模型1總分（40.38±1.49）分，模型2總分（41.13±1.93）分，達到合格標準以上且兩者相比差異無統計學意義（t=0.615，P=0.516），3D打印腎臟模型術前溝通評分模型1總分（45.17±0.20）分，模型2總分（45.33±0.57）分，也達到合格標準以上且兩者相比差異無統計學意義（t=0.447，P=0.686）。 結論 CTU+CTA聯合成像可提高三維重建及3D打印的精度，3D打印腎臟模型對腎癌手術規劃及術前溝通可提供較好的幫助。

[關鍵詞] 3D打印;體層攝影尿路成像+血管造影;腎癌;腹腔鏡腎部分切除術

[中圖分類號] R4 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1674-0742（2020）04（c）-0183-04

Application of CTU + CTA Combined Imaging and 3D Printing in Laparoscopic Partial Nephrectomy

CHEN Yi-ming， SONG Guang-lai， WANG Kun， CHEN Zhen， XING Zhao-yu， DING Tao

Department of Urology， Changzhou First People's Hospital， Changzhou， Jiangsu Province， 213000 China

[Abstract] Objective To compare the accuracy difference between 3D reconstruction images of CTU + CTA combined imaging and conventional CT plain scan + enhancement， and evaluate the 3D printed kidney model after CTU + CTA image reconstruction in the surgical planning and preoperative communication of laparoscopic nephrectomy value. Methods Two renal cancer patients admitted between June and July 2018 were examined by CTU + CTA before surgery， CT images were collected， and 5 cases of kidneys admitted to hospital between January and June 2018 were retrospectively collected. Pre-operative CT plain scan + enhanced image of cancer patients， 3D reconstruction of the acquired images， comparison of the degree of reduction of kidney and tumor details. Then use CTU + CTA 3D modeling for 3D printing to evaluate the degree of 3D printed model restoration， help for surgical planning， and help for preoperative communication. Results The three-dimensional reconstruction images of CTA+CTU had higher scores on the scores of tumor invasion system， kidney morphology， and renal vascular branch than CT plain scan + enhanced three-dimensional reconstruction images. There was a significant statistical difference between the two groups （t=15.611， P<0.001）. The 3D printed kidney model scored （40.38±1.49）by Model 1 and （41.13±1.93）by Model 2. After reaching the eligibility criteria， there was no significant difference between the two （t=0.615， P=0.516）. 3D printing preoperative communication score of kidney model was （45.17±0.20）points in Model 1 and （45.33±0.57）points in Model 2. It also reached the eligibility criteria and there was no significant difference between the two（t=0.447，P=0.686）. Conclusion CTU + CTA combined imaging can improve the accuracy of 3D reconstruction and 3D printing. The 3D printed kidney model can provide better help for renal cancer surgery planning and preoperative communication.

[Key words] 3D printing tomography urinary tract imaging + angiography; Renal cancer; Laparoscopic partial nephrectomy; Excision

3D打印是近年快速發展的一項新技術，隨著3D打印技術的成熟，其在醫學中的應用也快速發展。由于3D打印具有準確性和定制化的特點，其在外科中的作用范圍廣泛。在泌尿外科腎臟腫瘤診療中應用3D打印技術國內外都有報道，國內進行腎臟模型3D打印大多采用CT平掃+增強圖像進行重建，也有部分使用CTU圖像進行重建，打印使用材料多為熱塑性塑料，應用于術前手術規劃和醫患溝通。打印模型外形令人滿意，但也存在材料質地較硬、腎臟分支血管和集合系統細節顯示不佳等不足[1-3]。

該研究旨在將3D打印在腎臟腫瘤手術中的應用進行了改進和拓展，選取2018年6—7月入院的2例腎腫瘤患者進行研究，并回顧性收集了2018年1—6月收治的5例腎腫瘤患者CT圖像進行對比。該項目三維重建基于CTU+CTA結合的圖像進行重建，利用3D打印機使用硅膠對模型進行三維成形，依托CTU+CTA圖像對血管和集合系統清晰的顯像，使得血管和集合系統能夠更為精準地進行建模。同時應用3種不同顏色的材料對腎臟動靜脈、集合系統及腫瘤進行打印，避免了后期人工涂色產生誤差。3D打印的腎臟模型成品將在術前應用于手術規劃，由于材質有一定的柔軟度，可進行手術切除腫瘤和縫合的體外模擬操作，進一步增加手術的熟練度、減少腎臟缺血時間同時減少手術可能的并發癥。同時，將模型應用于術前談話便于患者更好地理解手術方案和手術風險，增加對醫生的信任。

1 ?資料與方法

1.1 ?一般資料

選取該院新收治的兩名腎腫瘤患者，術前行CTA+CTU檢查，采集CT圖像。同時回顧性采集近期該院收治的5例腎腫瘤患者其術前腹部CT平掃+增強圖像，使用Mimics 19.0軟件對掃描圖像進行三維重建。通過對比三維重建圖像與術后切除標本或標本照片對比進行評估，評估指標包括腫瘤大小、位置、侵犯集合系統情況、腎臟形態、腎臟血管分支情況共5項，每項指標評分1～10分，由完全不符合到完全符合，由泌尿外科專家（副主任醫師以上，腹腔鏡下腎切除手術>50例）4人進行打分。通過最終評分對比評估CTA+CTU與普通CT平掃+增強對腎臟三維重建的效果。

1.2 ?3D打印腎臟模型在腎癌術前評估及溝通中的應用

①3D打印腎臟模型的建立。利用采集的CTA+CTU圖像進行三維重建，將三維重建后生成的STL格式數據文件直接輸出至PolyJet OBJET260三維打印機，使用類硅膠材料TangoPlus對模型進行三維成形。打印完成的腎臟呈四種顏色，集合系統呈黃色，腎動脈呈粉紅色，腎靜脈呈橙色，腎腫瘤呈深紅色，正常腎實質呈半透明不著色。

②3D打印腎臟模型同行專家評價。將腎臟3D打印模型給同行專家進行評價，評價采用問卷的形式，由泌尿外科專家（副主任醫師以上，腹腔鏡下腎切除手術>50例）4人結合術前影像學檢查結果進行打分。問卷設計：模型的總體評價;對腎臟腫瘤位置、大小、形態等的反映程度;對腫瘤與腎臟動靜脈、集合系統關系的反映程度;腎臟質地的還原程度;對手術規劃的幫助程度。各項評分由不滿意/沒有幫助到非常滿意/非常有幫助劃分為1～10分。打分參考既往的研究結果以平均得分37.5分以上為合格。

③3D打印腎臟模型術前溝通應用。手術醫師在術前與患者及家屬進行術前溝通談話時應用3D打印腎臟模型，談話結束后采用問卷形式評估患者及家屬對術前溝通應用3D打印模型的評價。問卷設計：術前談話整體滿意度;對腎臟基本形態及構造的理解程度;病變位置及大小的了解程度;病變與周圍血管及集合系統關系了解程度;手術方案及并發癥理解程度。各項評分由不了解/不滿意到完全了解/非常滿意劃分為1～10分。打分參考既往的研究結果以平均得分45.0分以上為合格。

1.3 ?統計方法

采用SPSS 24.0統計學軟件進行數據統計分析，計量資料采用（x±s）表示。各項觀察指標采用t檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2 ?結果

2.1 ?CTA+CTU與CT平掃+增強三維重建

CTA+CTU三維重建圖像與傳統CT平掃+增強三維重建圖像對比見圖1，CTA+CTU三維重建圖像對腫瘤侵犯集合系統情況、腎臟形態、腎臟血管分支等評分項目中得分高于CT平掃+增強三維重建圖像，差異有統計學意義（P<0.05），見表1。

2.2 ?3D打印腎臟模型細節情況

3D打印腎臟模型細節詳見圖2及圖3，模型中血管及集合系統分色清晰，界線清楚，腫瘤大小深度及與集合系統關系清晰可見，動靜脈之間為保持與實際相符的距離用粉紅色材料打印圓柱形支架條隔開。

2.3 ?3D打印腎臟模型專家評價

3D打印腎臟模型經4名專家評分后結果模型1總分40.38±1.49分，模型2總分41.13±1.93分，兩者之間相比各項目及總和評分差異無統計學意義（P>0.05），見表2。

2.4 ?3D打印腎臟模型在術前溝通應用評價

3D打印腎臟模型經患者及各兩名家屬評分后結果模型1總分（45.17±0.20）分，模型2總分（45.33±0.57）分，兩者之間相比各項目及總和評分差異無統計學意義（P>0.05），見表3。

3 ?討論

腎細胞癌作為泌尿系統常見的惡性腫瘤之一，早期手術治療為治療首選，而近年來保留腎單位的腎腫瘤切除術在腎癌手術中的占比正逐漸升高。保留腎單位的腫瘤切除術不僅對手術者提出了更高的技術要求，也對術前腫瘤的預估和手術的規劃提出了更高的要求。3D打印技術作為一項新興的技術，其特點就是個性化定制和高精度還原，而隨著可用于打印的材料越來越多，3D打印的還原程度得到了進一步的提升，因此其在醫學中尤其是外科手術中的應用也越來越廣泛[4-7]。在泌尿外科腎臟腫瘤診療中應用3D打印技術國內外都有報道，Zhang Y等將腎臟3D打印應用于手術前與患者溝通，結果發現3D打印腎臟模型在溝通中起到了重要的作用，患者及其家屬從直觀的模型中認識了腎臟和腎門血管的結構，理解了手術的目的和風險[8]。Glybochko PV等將3D打印腎臟用于泌尿外科腎腫瘤手術規劃與模擬，結果發現相較于傳統的通過CT掃描來觀察腎臟，3D打印腎臟更為直觀，明顯提高了受訓者腎部分切除手術技巧，使得手術者能為患者選擇最佳的手術策略[9]。葛宏偉等對10例腎腫瘤患者其腎腫瘤進行3D打印，并通過后期著色的方法區分腎組織、腫瘤組織、腎門血管及集合系統，通過泌尿外科專家對3D打印模型準確性進行評估，同時將腎臟3D打印模型用于術前溝通，結果表明腎臟3D打印模型能夠很好地顯示腫瘤與腎臟的關系，并可以有效幫助醫生進行手術規劃，還可以用作與患者交流的工具，使醫患溝通變得順暢[1]。曹志強同樣應用腎臟3D打印模型于手術規劃和術前溝通和宣教，結果發現3D打印腎臟模型有利于改善患者對手術的認知以及術者術前確切規劃、術中精準切除、術后確保療效[2]。黃建榮等[3]將3D打印腎臟模型應用于模擬手術指導，結果發現3D打印模型指導的手術組其手術時間、血流阻斷時間、出血量、術后恢復情況均要優于傳統手術組。王振龍等通過3D打印或CT三維重建指導下應用腫瘤四點定位法切除完全內生型腎臟腫瘤取得了較好的效果，說明3D打印模型指導下的四點定位法，具有腫瘤定位準確、切除完整、圍手術期并發癥發生率低的優點[4-10]。此外還有越來越多的研究將3D打印技術應用于后腹腔鏡下腎部分切除術，結果發現3D打印模型輔助后可顯著縮短手術時間及腎蒂阻斷時間，降低手術風險[11-13]。

該研究通過將CTU聯合CTA圖像進行三維重建，提升了腎臟三維重建的精準度，尤其對于腎臟動靜脈及集合系統的還原程度要優于使用傳統CT平掃+增強圖像進行重建的模型，而建模精準度的提升又使得3D打印后成品模型的精準度同步提升，實體化的腎臟模型比三維重建的虛擬模型能夠更好地理解個解剖結構的位置關系，對醫患之間溝通和理解提供了更好地工具，同時在3D打印材質上的改進為應用3D打印模型進行模擬手術提供了必要的條件。對比既往對腎臟3D打印模型評估問卷結果可以發現，以往對模型整體評價、腫瘤還原程度及腎臟血管集合系統還原的評分分別為（7.8±0.7）分、（7.3±0.5）分和（6.0±0.6）分，該次研究兩個模型的評分則分別為（8.13±0.63）分、（8.38±0.48）分、（7.88±0.25）分和（8.50±0.57）分、（8.25±0.29）分、（8.13±0.25）分，均較既往研究有了較大的提升，表明CTA+CTU三維重建精度顯著提升。而對于模型對手術規劃的作用，對比既往研究發現，兩項不同的研究中，3D打印模型對手術方案規劃的評分分別為（8.0±1.1）分及（5.7±2.5）分，該次研究兩個模型的評分則分別為（8.38±0.47）分及（8.50±0.57）分，也是要優于既往的研究的，表明模型精度的提升使得其對手術規劃的作用越來越顯著。但是該次研究限于經費和時間原因，僅僅構建了兩個3D打印模型，并且未能進一步利用3D打印模型進行模擬手術，在進一步的研究中，將會繼續擴大樣本量，同時將模型固定于腹腔鏡模擬器中進行模擬手術。

綜上所述，3D打印技術的不斷發展使得其必將對現代醫學帶來巨大的幫助和變革，3D打印模型精度的提升和材質的變革使其有望成為改進泌尿外科腎癌手術認知和規劃的較好的輔助工具。

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（收稿日期：2020-01-04）