泌尿系统结石数字化三维重建及测量的研究进展

2019-05-13武利兵李筱贺李志军

中国医药导报 2019年7期

武利兵李筱贺李志军

[摘要] 泌尿系结石是泌尿系统的常见病与多发病。螺旋CT是临床常用的检查方法之一。泌尿系统解剖结构复杂，病变范围广，二维检查存在一定的局限性。三维重建技术通过对普通CT扫描图像进行多层面重建、最大密度投影、表面阴影遮盖、容积再现技术、曲面重建和虚拟内镜技术处理后，能重建薄层，更立体、直观地呈现泌尿系统的解剖结构，从多角度显示结石病变部位、形态、大小及其立体空间位置关系，且借助三维重建技术为数字化仿真虚拟手术提供了可能，对泌尿系结石的诊断和治疗具有重要现实意义。本文就三维重建及仿真手术进行总结分析，总结其不足，为临床个性精确手术提供参考。

[关键词] 泌尿系统;结石;多层螺旋CT;三维重建

[中图分类号] R691.4 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2019）03（a）-0045-05

[Abstract] Urolithiasis is a common and frequently-occurring disease in urinary system. Spiral CT is one of the commonly used methods in clinical examination. The anatomy of the urinary system is complex with a wide range of lesions. Two-dimensional inspection has some limitations. Three-dimensional reconstruction technology based on plain CT scan images multidimensional reconstruction， maximum density shadow projection， surface and volume reproduction technology， surface reconstruction and virtual endoscopy after processing， can rebuild thin layer， more solid and visually present the anatomical structure of urinary system， from multiple perspectives show calculus， shape， size， the lesion site and its three-dimensional space position relations， and with the aid of three-dimensional reconstruction technology provides the digital simulation of virtual surgery may， for the diagnosis and treatment of urinary calculi has important practical significance. In this paper， three-dimensional reconstruction and simulation surgery were summarized and analyzed， and its shortcomings were summarized to provide a reference for clinical personalized accurate surgery.

[Key words] Urinary system; Calculus; Multi-slice spiral CT; Three-dimensional reconstruction

近年來，随着科学技术的不断变革与发展，虚拟现实技术正逐步进入人们的生活，且逐渐融入生物医学领域，随着高仿真三维重建技术的发展与推动，各种数字化和可视化模型的建立与应用，使得众多医学学科在教学和临床诊断与治疗方面取得了突破性的发展。其中，在以盆腔及腹膜后为主要术区的泌尿外科也已开展相关研究，并获得了一定的成果。三维重建技术并非通过使用建模软件生成可人为控制的物体三维模型的正向构建，而是利用二维投影恢复物体的三维信息逆向重构。三维重建是通过数字化测量对三维物体进行适合计算机表示和处理的数字模型建立的数学过程和计算机技术，也是在计算机环境下对三维物体进行性质分析、处理和操作的基础，成为通过计算机建立和表达客观世界的虚拟现实的关键性技术之一[1-2]。

泌尿系统主要位于腹膜后及盆腔，其组织器官众多，解剖结构复杂，病变范围广，对于泌尿外科临床医师而言，准确掌握泌尿系统解剖结构共性和个性特征至关重要。然而，由于目前有关尸体标本模型缺乏，而二维图谱的空间表现力相对不足，以及相关仿真实体模型的细节表现的局限性，使得有关临床医师在成长为高水平医疗人才的道路上步履蹒跚[3]。伴随着虚拟现实技术（virtual reality，VR）的出现与发展及其与生物医学领域的融合，使人体数字化图像获取技术和三维重建技术取得了迅速发展，三维重建的数字模型仿真效果程度较高，且在对目标空间位置和毗邻关系的呈现十分清晰而直观[4]。李胜军等[5]利用西门子Emotion 16排螺旋CT、AW4.2图像工作站及三维重建专用软件进行泌尿系的三维重建，对收集的数据进行处理，通过切割掉遮盖尿路影像的周围组织，重建获得了一个尿路全程的三维立体图像，清晰地反映出其解剖的具体走向。此外，还可以导入虚拟环境中进行虚拟切割等交互式模拟操作，因而正逐渐被应用于医学临床研究。

近几年来，数字化三维重建技术在泌尿系多种疾病的研究中获得了广泛的关注，并成为其研究领域的热点和难点，特别是在泌尿系结石方面，有关研究正不断地深入，现将其相关研究进展总结如下：

1 泌尿系结石临床常见诊断方法比较

泌尿系结石是指泌尿系统内因尿液的浓缩和沉淀形成结晶颗粒或成块样聚集物，是泌尿系统的常见病与多发病，且近年来发病率呈现上升趋势。青壮年为其好发人群，且以男性更多见，男女发病比率为4∶1～5∶1[6]。结石可发生于尿道、输尿管、膀胱和肾的任何部位，我国上尿路结石的发病率显著高于下尿路，且以输尿管和肾结石最常见。

泌尿系统结石常用的诊断方法包括超声检查、腹部平片（KUB）、静脉肾盂造影（IVP）、CT以及核磁共振成像（MRI）。超声检查具有方便、快捷、简单的特点，其优点为没有放射性、无创伤且不受结石成分的影响，对于阴性结石和小结石的发现优于X线腹平片，能初步了解尿路积水扩张的情况，缺点为不能显示肾功能，对结石大小的测量不如X线检查准确，由于输尿管较长，受脂肪层和肠道气体的影响，B超对输尿管中下段病变的成像效果往往不够理想[7]，此外，受操作者技术水平和患者个人因素的干扰，也可导致结果的偏颇，故精确度较差。KUB可以观察尿路走行区有无阳性结石，IVP对泌尿系统结石的诊断有其自身优势，能完整的显示尿路图像，可以观察泌尿系有无梗阻以及梗阻的程度和部位，并且可以观察肾分泌功能有无异常，对病变部位有直观的展现，但IVP检查时间长，且患者不适感严重[8]，对于肾实质和毗邻组织的显影模糊不清，仅可见轮廓，存在清晰度差和重叠影像的缺点，一次成像，受肠道准备情况影响较大，易造成漏诊。有关研究[9]显示，超声和腹部平片容易受血管钙化及肠道气体和粪便的干扰，在肾功能不全时容易出现输尿管不显影，导致诊断困难，必要时需行肾盂穿刺造影或逆行造影等有创性检查进行进一步诊断。MRI检查是泌尿系常用的检查方法，通过泌尿系水成像（MRU）可以直接显示尿路梗阻情况，无需造影剂，同时对于息肉、肿瘤及血凝块等鉴别诊断帮助较大，与IVP相似，其对肾实质的显像同样不佳，仅可见尿路的情况。CT检查可以观察肾、输尿管、膀胱、尿道有无结石，有无尿路梗阻存在，定位、定性准确而直观，通过使用碘造影剂多期掃描与三维重建使得图像更为直观，诊断更明确，诊断结果准确率最高，且无需提前进行肠道准备，方便而安全[10]。目前已成为临床泌尿系结石诊断首选的最全面的影像学检查方法。由于输尿管与其临近组织缺乏明显差异，导致传统的影像学检查存在一定的局限性，常常无法完整地呈现出整个泌尿系统，多层螺旋CT以其较高的信噪比和空间分辨率，即使微小病变也能得到清晰地显示，显著地提高了泌尿系结石的诊断率和阳性率，从而弥补了其他影像检查的不足。袁静等[11]对81例泌尿系结石患者分别给予螺旋CT和B超检查，结果两者诊断的准确率分别为100%和90%，由此可见，CT检查具有更高的特异度和敏感度。因此，CT对结石的高敏感性可作为其首选的检查方法。

2 CT三维重建图像后处理技术

普通的CT图像为横断面图像，为获得更仿真的图像需要相关的图像后处理技术，主要包括多层面重建（multi-planar reconstruction，MPR）、最大密度投影（maximum intensty projection，MIP）、表面阴影遮盖（surface shaded disaplay，SSD）、容积再现技术（volume rendering technique，VRT）、曲面重建（curved planar recontruction，CPR）和虚拟内镜技术（virtual endoscopy，VE）[12]。MPR适用于任一平面的结构成像，可以以任意角度观察泌尿系组织器官及结石病变，同时可显示腔性结构的横断面以观察腔隙的狭窄程度，真实地反映器官间的位置关系。VRT成像功能强大，形态及色彩逼真对复杂结构的成像有一定的优势，但VRT图像的伪彩设置很重要，不恰当的伪彩设置会将血管外层像素过滤掉，显示血管狭窄的程度将比实际情况严重[13]。MPR和VRT是诊断神经源性膀胱和重复肾盂输尿管的重要方法，其能实现对泌尿系统的全方位多角度观察，有利于清晰地发现重复输尿管的开口位置和膀胱壁内多发憩室。MIP是将CT层厚中最大CT值的体素投影到背景平面上，以显示所有或部分的强化密度高的器官，MIP能真实地体现出组织间的密度差异，对中空器官的管壁显示有着显著的优势。研究[14]发现，MIP能够较好地呈现输尿管的全程图像，明确输尿管狭窄的部位和程度，组织解剖关系清晰，但由于造影剂的密度与结石密度相近，有时可能影响结石的显示。SSD是将操作者的眼睛作为假设光源方向，投射到CT值在设定阈值以上的体素上的集合立体图形，适用于显示CT值与其他结构相差较大的组织结构成像。VRT成像功能强大，形态及色彩逼真对于复杂结构的成像有一定的优势，但VRT图像的伪彩设置很重要，多种伪彩能显示不同结构，不恰当的伪彩设置会将血管外层像素过滤掉，显示血管狭窄的程度将重于实际情况[15]。CPR是在一个维度上选择特定的曲线路径，将该路径上的所有体素在同一平面上进行显示，可以一次评价曲度较大的结构，如输尿管的全长情况。此外，CPR既可以观察管腔结构的腔壁病变，也可以观察管状结构与周围结构的位置关系，因此，CPR是输尿管显示最佳的三维成像方法，是MPR的发展与延伸，能使输尿管直观地显示在一个平面上，便于发现结石的位置及输尿管梗阻扩张的程度。VE可以模拟内镜检查的效果，通过设定一系列的参数范围即可看见管腔内的结构。临床中图像处理技术的选择因病而异。

3 多层螺旋CT三维重建和测量对泌尿系结石诊断的优势

多层螺旋CT联合三维重建技术通过薄层、快速、高密度采样进行高空间分辨率、多角度的呈现病变部位、形态、大小以及与临近组织空间的关系，克服了以往超声检查、X线腹部平片、普通CT以及逆行造影等检查的缺点和局限性[16]，检查涉及到泌尿系统的每个方面，避免出现误诊和漏诊病例，从而显著提高了泌尿系结石的诊断与定位水准，充分体现出其安全和无创的诊断优点。通过多层螺旋CT三维重建技术进行泌尿系结石的诊断，不但可以清晰地获得肾盏、肾盂、输尿管和膀胱的情况，同时还可充分反映出肾脏的排泄及分泌功能[17]，对结石、泌尿系统的狭窄与扩张及破坏缺损等有着良好的显示功能，具有极高的诊断价值，且强大的图像后处理技术可为临床泌尿系结石手术及体外碎石等提供精确定位。

李冬芳等[18]通过采用64层螺旋CT尿路造影（multislice spiral compuled tomography urography，MSCTU）技术在VRT图像的基础上联合运用MPR、MIP和CPR将泌尿系统扫描结果进行去骨切割，并做任意角度的图像重建，从而获得全尿路容积的重建图像，客观反映出其解剖关系及病变。张超波等[19]通过对106例进行MSCTU平扫、增强扫描和延迟扫描的泌尿系统病变患者进行回顾性整理分析，采用CPR、MIP、MPR及VR等对原始数据进行三维重建和分析，得出MSCTU扫描耗时短，得到图像质量好，所获图像能从不同层面和不同角度良好地显示泌尿系统病变的形态、位置、性质、解剖关系、毗邻关系以及血供情况，对泌尿系统疾病的诊断及治疗有重要的应用价值。陈志刚[20]通过16排螺旋CT对30例泌尿系结石患者包括20例单纯肾结石、4例单纯输尿管结石以及6例肾和输尿管结石进行扫描，将扫描中获得的相关薄层数据传入主机工作站实施三维重建，根据SSD、MPR、VRT以及MIP技术进行整个尿路成像，清晰地显示出结石的位置、形态和大小。乔晓春等[21]采用64层螺旋CT机于肾实质期和排泌期对100例泌尿系结石患者进行自肾上极至耻骨联合的平扫和增强扫描，经过CTU、CPR、MIP和VR重建图像后获得清晰的泌尿系结构和结石的形态大小，其中包括17例肾结石合并输尿管结石，11例肾脏、输尿管及膀胱多发结石，7例输尿管结石合并膀胱结石，35例单纯性输尿管结石，23例单纯性肾脏结石，7例单纯性膀胱结石。由此可见，多层螺旋CT三维图像重建对各种类型的泌尿系结石均有较好的诊断价值，且能明确泌尿道的梗阻部位以及其扩张积水的程度，兼具CT和IVP的双重优点，可获得全方位的病变形态与细节。此外，有关研究[22]还提出在三维重建过程中可根据所选的不同阈值、层面以及伪彩进行相应旋转和剪切，从而可得到任意角度、不同伪彩甚至不同层面的全尿路图像，以便为临床医生提供准确的诊断和治疗依据。

4 泌尿系统结石数字化三维重建和测量的意义与价值

多层螺旋CT数字化三維重建与测量不仅能够安全、无创、立体、直观地呈现泌尿系统全程，而且可以多角度显示泌尿系的解剖结构以及结石部位的立体空间位置关系，满足了对泌尿系统进行薄层、快速、大范围扫描和较高质量后处理图像的需求，此技术的诊断正确率和成功率较高，对泌尿系结石的诊断和治疗具有重要现实意义，成为目前诊断泌尿系统结石无创且行之有效影像学方法。

基于CT扫描的三维重建图像不仅可以反映患者的泌尿系统生理或病理情况下的解剖学形态，明确疾病诊断，还可通过三维重建图像对重建解剖结构进行数据测量，为泌尿系结石的治疗及手术方案设计提供思路与依据。目前，常用的测量方法为利用功能面板自带三维计算功能的mimics 10.0系统，将标准格式为STL的三维文件导入其中，通过模型属性计算模型体积的大小和表面积，从而获得病例标本结石模型的体积与表面积，可为教学及医学研究提供形象的三维模型，清晰的层次和鲜明的色彩不仅更为生动地展现了患者的生理解剖学结构，同时可为教学及临床技能操作提供模拟操作训练的环境，熟练手术操作，提升操作技巧[23]。

数字化仿真虚拟手术是结合计算机科学和医学的最新成果。通过利用术前数据，采用三维重建、图像分割、图像融合技术建立三维一体可视化模型，真实反映患者活体化的生理和病理解剖结构，并在三维模型上使用仿真手术器械进行手术设计和仿真操作。数字化仿真虚拟手术具有可反复操作性，力图模拟真实的手术过程，做到真实手术再现，使得手术设计更合理，操作更精确。冯凌松等[4]通过采集8例肾结石患者的CT值，采用三维重建软件进行三维模型建立，并在模型上模拟实践了PCNL经皮穿刺、扩张和碎石过程，成功完成了肾结石PCNL虚拟手术仿真，充分证实了在肾结石三维模型上进行PCNL虚拟手术仿真的有效性和可行性，也为肾结石三维数字化测量及虚拟手术的进一步研究提供了理论依据[24]。

随着科学技术的不断进步与革新，数字化医学展现出蓬勃的生命力，为医学研究提供了新的研究途径，势必成为今后医学研究的热点。但由于此项技术用于医学领域的时间相对较短，技术人员由于自身的理论水平、实际操作的熟练程度和精确度等方面的局限性，使得重建图像与活体间普遍存在一定的误差性，为仿真手术设计与操作造成一定的干扰[25]。因此，在图像后处理方面不断探索和提高图像重建的精确度，了解和学习国内外最新研究成果，总结经验，减少重建图像与活体解剖结构间的误差，这将成为未来泌尿系统数字化医学研究的重点和新的方向。

5 小结

基于CT扫描的三维重建图像通过采用MPR、MIP、SSD、VRT、CPR以及VE等后期处理技术对CT扫描的图像原始数据进行三维重建解剖结构，能立体、直观地呈现泌尿系统全程，多角度的呈现病变部位、形态、大小以及与临近组织空间的关系，检查涉及到泌尿系统的每个方面，能明确疾病诊断，避免出现误诊和漏诊病例，有效提高临床诊断的准确性，且CT三维重建具有安全无创的诊断优势，克服了以往超声检查、X线腹部平片、普通CT以及逆行造影等检查的缺点和局限性，已成为目前诊断泌尿系统结石无创首选的影像学方法。通过三维重建图像对重建解剖结构进行数据测量，利用术前数据的三维重建、图像分割、图像融合技术建立能反映患者活体化的生理和病理解剖结构的三维一体可视化模型，便于临床医生在三维模型上使用仿真手术器械进行数字化仿真虚拟手术，做到真实手术再现，便于重复手术设计和仿真操作，使得手术设计更合理，操作更精确，为泌尿系结石的治疗及手术方案设计提供思路与依据。数字化仿真虚拟手术技术在医学领域的时间相对较短，技术人员由于自身的理论水平、实际操作的熟练程度和精确度等方面的局限性，这使得重建图像与活体间普遍存在一定的误差性，对仿真手术设计与操作存在一定的干扰。相信随着图像后处理方面不断探索和图像重建精确度的提高，数字化三维重建及测量技术定会在泌尿系统结石的诊治方面获得更广阔的应用。

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