基于CT的腹膜后腔个体化三维数字模型建立初探

来源:用户上传      作者: 张彬 王东文

　　[摘要] 目的 探讨基于CT数据建立腹膜后腔个体化三维数字模型的方法及意义。 方法 获取46例泌尿外科肾上腺及上尿路疾病患者的腹部增强CT断层扫描图像原始数据（含动脉期、静脉期、延迟期），利用Mimics 10.01软件对病灶及其周围重要组织、器官进行图像分割、配准及三维重建，并与术中图像比较。 结果 成功建立腹膜后腔个体化三维数字模型，通过旋转、缩放、点距及角度测量等操作，可清晰、直观地单独或联合显示病灶与周围重要组织器官的空间位置及相互关系，与术中所见相符。 结论 基于增强CT数据，可逆向重建出以非骨性结构为主，兼具疾病分类特点及个体特征的腹膜后腔三维数字模型，将为肾区个体化手术方案的制定及生物力学研究提供形态学参考和模型基础。
　　[关键词] 增强CT；腹膜后腔；三维重建；数字模型；泌尿外科
　　[中图分类号] R445 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2012）03（c）-0015-03
　　
　　Establishment of individualized three-dimensional digital models of retroperitoneal space on Enhanced-CT
　　ZHANG Bin1 WANG Dongwen2
　　Department of Urology, the First Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China
　　[Abstract] Objective To establish a series of individualized three-dimensional digital models of retroperitoneal space from Enhanced-CT images. Methods Based on Enhanced-CT scanning image data of 64-slice spiral CT in 46 cases of adrenal and upper urinary disease, the 3D models were reconstructed with Mimics software and compared with intraoperative screenshot. Results The 3D models, which were consistent with intraoperative screenshot, clearly displayed the individualized anatomical structure of the niduses and adjacent organs, such as skeletal system, abdominal aorta and branches, inferior vena cava and branches, kidneys, adrenal glands, renal pelvises, ureters etc. Conclusion Based on Enhanced-CT scanning image data, it is feasible that the individualized three-dimensional digital models of retroperitoneal space are reconstructed, and helpful for preoperative planning and biomechanics.
　　[Key words] Enhanced-CT; Retroperitoneal space; Three-dimensional reconstruction; Digitization; Visualization
　　
　　近年来，国内泌尿外科腹腔镜技术发展迅速，形成了以腹膜后入路为主的上尿路腹腔镜技术体系。该入路方式具有对腹腔脏器干扰少，行肾脏、肾上腺手术更为直接等优点，但由于腹膜后腔操作空间小且解剖标志不明显[1]，加之解剖变异、病灶对正常解剖结构的影响以及在腔镜手术中主要依靠视觉来确认器官和组织[2]等诸多不利因素的存在，使得手术的难度和风险加大。因此，术前对腹膜后腔解剖结构的熟练掌握，特别是在面对具体病例时，对个体化的腹膜后腔空间解剖特点的准确掌握至关重要。本文基于增强CT断层扫描数据，采用基于图形处理技术的计算机软件，探寻构建腹膜后腔个体化三维数字模型的方法，以期为临床泌尿外科术前方案的制定及术中定位导航等提供形态学帮助。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料与设备
　　符合DICOM协议的增强CT扫描数据。设备：64排螺旋CT（Light Speed VCT，美国GE公司）。造影剂：优维显300（德国先灵广州药业公司）。计算机硬件：英特尔Celeron（赛扬）540处理器，1GB内存，英特尔Mobile 965集成显卡；操作系统：Windows XP 专业版32位SP3。医学图像处理软件：Mimics 10.01软件（Materialise Software，Belgium）。
　　1.2 数据采集
　　获取本院2011年3~11月间46例泌尿外科患者含病灶的增强CT断层扫描图像原始数据，层厚0.625 mm，矩阵512×512，像素大小0.976 6 mm，含动脉期、静脉期及延迟期并符合DICOM协议标准，其中肾上腺疾病12例（左6例，右6例），肾脏疾病22例（左10例，右12例），肾盂输尿管疾病12例（左6例，右6例），均行手术治疗。
　　1.3 三维重建
　　在术前分别将动脉期、静脉期、延迟期数据集导入Mimics软件，命名各期场景并以MCS格式保存；利用各期目标物灰度值与周围组织的差异，选择适宜场景逐一重建病灶及周围相关重要组织、器官的子模型，以STL格式将各子模型导入同一场景，图像配准后平滑处理并分色显示。
　　1.3.1 骨骼与动脉的提取 在动脉期场景内结合剖面线工具划定阈值范围并进行阈值分割，界定骨组织阈值在226-3071亨氏单位。综合反复运用区域增长（Region Growing）、布尔运算（Boolean Operations）、形态运算（Morphology Operations）、蒙罩编辑（Edit Masks）等功能分割图像并3D计算（Calculate 3D）。
　　1.3.2 静脉的提取 使用上述方法，在动脉期内提取肾静脉属支及部分下腔静脉主干目标模型，在静脉期提取其余主干部分的目标模型，将二者导入同一场景做图像配准并布尔运算。
　　1.3.3 肾盂、输尿管及膀胱的提取 在延迟期场景内使用上述方法分割图像并重建。
　　1.3.4 肾上腺、肾脏及病灶的提取 选取彼此间灰度值差异较大的场景提取模型，必要时各期场景相结合，同静脉提取方法分割图像、重建、图像配准并布尔运算。
　　1.3.5 其他 对于肝脏、十二指肠、胰腺、脾脏、门静脉系统等临近器官，根据分类疾病及个体化特征的需求，有选择的在各期场景内分割提取目标模型，导入同一场景做图像配准并布尔运算。

　　2 结果
　　46例腹膜后腔个体化三维数字模型均于术前成功构建，模型准确、直观，且兼具疾病分类特点与个体特征，通过自由地进行旋转、缩放、透视、单独或联合显示，清晰地展示了病灶与其周围重要组织器官的空间位置及相互关系，并与术中所见完全相符。见图1～3。
　　①前视图；②左前侧视图；③（后）腹腔镜视角视图；④术中截屏。可见：瘤体（A）、腺体（B）、左肾（C）、左侧肾上腺中央静脉（D）空间位置关系清晰且与术中相符
　　图1 左侧肾上腺腺瘤患者个体化数字模型
　　Fig.1 A individualized three-dimensional digital model of left adrenal adenoma
　　3 讨论
　　3.1 腹膜后腔个体化三维数字模型建立的意义
　　近年来，为满足教学、临床及科研需求，借助虚拟现实（virtual reality，VR）技术实现人体结构可视化的研究渐受关注，且对以非骨性结构为主的如腹、盆腔及腹膜后腔的可视化研究也已有涉及。由于原始数据的获得方式多见于机械切削组织切片与CT/MRI断层数据两种，因此可视化的研究也分作不同方向：前者中，由组织切片所得的数字人体数据，结合图形处理技术，已分割并重建出部分模型，如数字人体肠道可视化模型[3]、男性及女性盆腔三维数字化模型[4-5]、腹膜后脏器三维可视化模型[6]等，但由于数据采集难度大，且来源于健康男女人体，无个体化疾病特征，因此长于解剖共性的研究，而临床应用有限；后者中，基于CT及MRI断层数据，利用CT或MRI设备自带软件，采用图像渲染技术生成的三维图像，虽充分包含患者的个体特征，但仅为视觉上的渲染效果，不含有集合拓扑相关性，其长于疾病诊断却不能有效地用于生物力学研究[7]。
　　因此，针对腹膜后腔，对基于患者的CT/MRI等自体数据信息并采用图形处理技术，从而构建包含个体化疾病特征的病体三维数字模型方法的探索，将对泌尿外科及相关学科的临床诊疗工作及虚拟手术研究等有很大的帮助。
　　3.2 基于CT的腹膜后腔个体化三维数字模型
　　位于腹后壁的腹膜后腔，其内有肾脏、肾上腺、输尿管、腹部大血管等重要结构，空间结构较为复杂。重建过程中，除造影剂显像后的动脉及上尿路易于重建之外，对其他灰度值差异不大结构的分割及重建则需要综合运用多种工具，较为费时费力。因此推荐的做法是：常规重建出骨骼、腹主动脉、下腔静脉、肾血管、肾上腺、上尿路及病灶子模型，再依据个体化需求，有选择的重建其它邻近组织器官子模型，以缩短重建时间，及时供给临床诊疗使用。
　　3.2.1 以肾上腺为主的个体化三维数字模型的建立 除常规子模型外，对于左侧肾上腺占位性病变，可重建出左肾上腺中央静脉；而右侧肾上腺中央静脉较短，平均长度为6 mm[8]，与右肾上腺及下腔静脉紧邻且彼此灰度值差异不大，不易辨识，重建困难；另外，由于肾上腺位置特殊，体积偏小形态多变，故尽可能选用薄层扫描数据以避免遗漏信息。以图1为例，通过观察并与术中对比，可见模型准确、清晰地展示了病灶的形状及其与肾脏、肾上腺、肾上腺中央静脉（左）等的空间位置关系，较断层图像更直观，显示内容较多排螺旋CT（MSCT）3D成像更丰富，有利于术者更好地了解个体化的空间结构，且可随时随地在个人PC机上查看。
　　3.2.2 以肾脏为主的个体化三维数字模型的建立 由于肾动脉提前分支（发生率为8%～35.9%）与副肾动脉（发生率为11.8%~24.8%）[9-10]以及左肾静脉变异（发生率为3.2%～3.6%）[11-12]的存在，故在对血管模型的重建中，对肾动、静脉并不罕见的变异情况，应引起足够的重视；可根据个体需要有选择地重建肝、脾及门静脉等子模型；再者，由于延迟期与动、静脉期内脏结构在空间位置上有较显著的变化，由前者而得的上尿路子模型尚无法与后两者所得子模型完成准确配准，所以，如更关注上尿路与病灶的位置关系，则应以延迟期数据构建二者子模型，以确保上尿路与病灶在空间上的准确对应。通过自由观察并与术中对比，可见模型准确、清晰、立体地展示了变异血管的走行，以及病灶与肾脏、肾血管、集合系统等的相互关系。能够在同一场景中集中观察病灶与集合系统、动静脉甚至腹腔脏器的关系，尤其是肾动、静脉分色显示变异情况的特点，是目前基于多平面重建、最大密度投影及容积再现技术重建的视觉模型尚无法媲美的。
　　3.2.3 肾盂、输尿管为主的个体化三维数字模型 除常规子模型外，走行于输尿管附近的生殖血管，可予分割并重建；如系结石性疾病则应认识到结石的位置、形态仅反映摄片时状态，术时将会有所变化。通过自由观察并与术中对比，可见：模型准确、清晰、立体地展示了病灶空间位置、上尿路结构及与周围血管等的相互关系。由于输尿管系软性管状结构，积水后形态位置随体位、术中操作变动较大，故所提供的有效信息较其它模型比较相对有限。
　　综上所述，个体化的腹膜后腔三维数字模型，不仅为肾区个体化手术方案的制定提供了帮助，也为相应的虚拟手术技术奠定了基础。而本文所涉及实现方法的准入门槛低，易于使用及推广，不足之处在于模型仅为可视模型，尚不能准确反映体位变化的影响及在体器官生理活动的变化，此有待于进一步研究。
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　　（收稿日期：2012-01-31）

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