肾部分切除术前CT三维可视化评估标准的初步探究

李新飞，彭意吉，余霄腾，熊盛炜，程嗣达，丁光璞，杨昆霖，唐 琦△，米 悦，吴静云，张 鹏，谢家馨，郝 瀚，王 鹤，邱建星，杨 建，李学松△，周利群

(1.北京大学第一医院泌尿外科，北京大学泌尿外科研究所，国家泌尿、男性生殖系肿瘤研究中心，北京 100034；2.应急总医院泌尿外科，北京 100028；3.北京大学第一医院影像科，北京 100034；4.北京理工大学光电学院，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081)

肾癌是肾最常见的恶性肿瘤，约占成人恶性肿瘤的2%～4%[1-2]。T1期肾癌首选治疗方法是肾部分切除术，这种手术方式能为患者带来良好的肿瘤学预后，并且保留患肾功能。随着微创技术的发展和成熟，腹腔镜及机器人手术越来越受到广大医师和患者的青睐，但由于肾部分切除术的复杂性，围手术期存在出血(1%～2%)或尿瘘(3%～5%)的风险较高[3]，因此，术前详尽地了解肾肿瘤及相关结构的解剖信息至关重要，可以为手术规划提供重要依据。目前，已有多种评分系统纳入肾肿瘤的各种相关特征以预测手术的复杂性、围手术期并发症的风险，包括RENAL评分、PADUA和C指数等[4-6]。尽管有大量文献支持这些评分系统的临床价值，但各研究之间使用现有的评分系统来预测肾部分切除术的临床结局并不一致[7]，一个主要原因在于这些评分系统基于二维CT图像[8]，需要在三个空间轴(轴位、冠状位和矢状位)上查看二维图像，再通过复杂的认知还原肿瘤的实际情况。

三维可视化技术可以通过处理标准二维图像来创建三维虚拟模型，借助这些三维可视化图像，可以更精确地评估肿瘤位置、肿瘤特征以及肿瘤与血管和集合系统的关系，进而预计肾部分切除术的手术复杂性并指导术前规划。但CT三维重建在当前的临床实践中尚未常规使用[9]。为了在术前及术中更准确、直观地把握肾肿瘤、血供的解剖特点及毗邻关系，本研究提出CT三维可视化肾肿瘤术前评分系统，并报告如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料

收集自2011年12月至2019年12月北京大学第一医院泌尿外科因肾肿瘤行肾部分切除术患者的临床资料，包括年龄、性别、体重指数(body mass index，BMI)、肿瘤位置、肿瘤大小、术前血肌酐及肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)、手术时间、肾动脉阻断时间、出血量、术后住院日、并发症、术后血肌酐及GFR等，肾动脉阻断时间超过30 min为阻断时间延长。收集全国16个中心行肾部分切除术患者的临床资料进一步验证完善本评分系统细则。具体纳入标准为：(1)因肾肿瘤行肾部分切除术；(2)接受泌尿系增强CT及CT三维重建检查。排除标准为：(1)无法完成肾部分切除术而行肾根治性切除者；(2)CT资料无法满足重建标准；(3)患者拒绝手术或拒绝资料收集；(4)存在心、肺、肝功能不全失代偿，有严重出血倾向的疾病或糖尿病血糖控制不稳定等麻醉和手术禁忌证。

1.2 CT三维可视化评分系统

CT三维可视化评分系统各指标均以北京大学泌尿外科研究所制定的《泌尿系疾病三维可视化技术流程规范》(附于文末)为基础，以确保同质化和一致性。为直观、便捷地展示各组织结构的特征及解剖关系，CT三维可视化图像中采用特定的颜色代表相应的组织器官，其中肾被渲染为紫色，肿瘤为橙色，集合系统为绿色，动脉为红色，静脉为蓝色，脂肪为黄色，骨为白色，未定义结构为粉色。

1.2.1CT三维重建标准 CT原始数据要求为平扫+增强扫描，数据层厚0.625～1.500 mm。扫描全系列DICOM格式图像数据，具体要求包括：(1)推荐64排及以上CT扫描，包含平扫+增强(肾皮髓质期、肾实质期及排泄期)扫描；(2)患者取仰卧位，头足方向扫描，深吸气后屏住呼吸，扫描矩阵512×512，机架旋转速度0.50～0.75 s/圈，扫描条件120 kV、200～250 mA(建议采用管电流自动调制技术)，扫描范围为膈肌至耻骨联合，对比剂采用碘造影剂(碘海醇，350 mg I/mL)，以3 mL/s速率注射；(3)扫描层厚1.0 mm、层间距1.0 mm，普通层厚2.5 mm、层间距2.5 mm，薄层标准层厚0.6 mm、层间距0.6 mm；(4)肾皮髓质期延时时间为20～25 s，肾实质期延时时间为60～70 s，肾排泄期延时时间为3～5 min，必要时排泄期可延长更长时间。

1.2.2CT三维重建指标 (1)肿瘤最长径与体积(图1)：三维图像中肿瘤的最长径线以及肿瘤的几何体积；(2)肿瘤侵入肾实质内体积占比(图2)：以肾实质边缘为界作假想平面，该平面切割肿瘤后位于肾实质内的部分占肿瘤总体积的百分比，用于量化肿瘤内生外凸性质；(3)肿瘤与肾实质接触面积(图2)：利用三维可视化技术拟合肾肿瘤与肾实质接触平面并计算其面积，该面积直接反映肾部分切除术创面的大小；(4)肿瘤侵入实质最大深度(图3)：肾实质内肿瘤距肾实质边缘平面的最大垂直距离，用于评估肿瘤的浸润深度；(5)肿瘤肾实质接触面平整度：拟合肿瘤与肾实质接触的曲面的同时，以标准平滑曲面作为参考，提供肿瘤是否有异常隆起等相关信息，可警示切除肾肿瘤时肿瘤边界是否规则，避免切破肿瘤或对正常肾实质造成不必要的损伤，在完全切除肿瘤的同时尽可能多地保留肾实质；(6)肿瘤所在肾脏分段(图4)：分为上段、上前段、下前段、下段、后段，肿瘤所处位置决定手术入路、肿瘤切除及缝合的难易程度；(7)肾血管变异(图5)：限时阻断肾动脉或选择性阻断肾动脉是肾部分切除术的先决条件，肾动脉的变异以副肾动脉最为常见，术前识别变异的肾动脉可为术中完全阻断动脉提供保障；(8)肾周脂肪(图6)：测定肾周脂肪的体积和表面积，并根据CT值将肾周脂肪渲染为不同颜色，颜色越深提示脂肪黏性、硬度越大。

6A,the perirenal fat was rendered in different colors according to the CT value;6B,volume and superficial area of perirenal fat.图1 肿瘤最长径与体积图2 肿瘤侵入肾实质体积比与肿瘤接触面积图3 肿瘤侵入肾实质最大深度图4 肾脏分段图5 肾脏血管变异图6 肾周脂肪参数Figure 1 Tumor diameter and volumeFigure 2 Volume proportion of tumor invading into renal parenchyma and contact surface areaFigure 3 Maximum depth of tumor invading into renal parenchymaFigure 4 Renal segmentFigure 5 Variation of renal vascularFigure 6 Perirenal fat parameters

1.3 统计学方法

2 结果

本中心共58例患者在肾部分切除术前行泌尿系CT三维重建，并接受术中导航(图7)，包括男性34例，女性24例，平均年龄(54.4±10.2)岁，基本临床资料见表1。所有患者均成功完成手术，无中转开腹，围手术期参数见表2。肿瘤平均二维直径为(2.78±1.43) cm，平均三维最大径为(3.09±1.35) cm，术后病理平均大小(3.01±1.38) cm。相比于二维图像，三维重建所得肿瘤最大径更接近病理大小，但三维重建肿瘤最大径、二维CT肿瘤直径及病理肿瘤大小间差异无统计学意义(P二维-病理=0.187；P三维-病理=0.585；P三维-二维=0.130)。三维重建肿瘤最大径与术中肾动脉阻断时间延长、术中出血量显著相关(r=0.502，P=0.020；r=0.403，P=0.046)。三维重建及病理肿瘤体积大小分别为(25.7±48.4) cm3、(33.0±36.4) cm3(P=0.229)，三维重建肿瘤体积与术中出血量显著相关(r=0.660，P<0.001)。肿瘤侵入肾实质内体积占比与术中肾动脉阻断时间延长、术后并发症的发生显著相关(r=0.410，P=0.041；r=0.587，P=0.005)。肿瘤接触面积及是否存在血管变异与围手术期指标及术后并发症未见相关性。

A,three-dimension reconstruction result;B,show or hide organizations and adjust transparency;C,clamp the renal artery;D,expose the renal neoplasm;E,suture the renal parenchyma;F,rotate the image to the same position as the surgery.图7 三维重建术中导航操作流程示意图Figure 7 Operation flow diagram of three-dimension reconstruction in the intraoperative navigation

表1 患者临床资料及CT三维重建数据Table 1 Clinical characteristics and tumor parameters in three-dimensional image

表2 肾部分切除术患者围手术期资料Table 2 Perioperative data of patients undergoing partial nephrectomy

3 讨论

CT三维可视化技术可直观展现各组织间的空间解剖关系，自动测量靶组织相关参数，为精准化手术提供帮助，在骨科和口腔科的应用已较为成熟[10-11]，而软组织因血供繁多、组织密度相近且空间结构复杂，较少见CT三维可视化技术应用的报道。随着影像技术的发展和图像精度的提高，CT三维可视化通过更加优化的算法，展示出更立体直观的影像，跨过了医师凭借自身经验对二维图像进行抽象的立体重建和三维认识的过程，逐渐成为传统影像学检查的新的呈现方式。因此，提出三维可视化下的肾肿瘤肾部分切除术术前评分系统是十分必要的。

现有的评分系统中肿瘤最长径是反映肿瘤最直观的参数之一。传统CT图像中定义肿瘤最长径的方法为任何平面(中轴位、矢状位、冠状位)中肿瘤的最大直径，测量方法局限于二维图像，肿瘤的实际情况仍需医师凭借自身经验判断。Porpiglia等[12]报道三维重建模型与传统CT在测量肿瘤最长径时无明显差异，且一致性检验结果近乎一致。因此，本评分系统采用了三维图像下的肿瘤最长径，标准参考TNM分期。另一方面，肿瘤体积是反映肿瘤负荷的另一指标，在三维技术下成为可测量参数，是对肿瘤最长径的重要补充。虽然肿瘤最长径和肿瘤体积可直观反映肿瘤负荷，但肿瘤位于肾实质外的部分无法为评估因肾部分切除术造成的肾体积缺损提供有效的参考，因此，本评分系统纳入了侵入肾实质肿瘤体积占肿瘤总体积百分比，将内生性生长的程度进行量化，直观展现肿瘤与肾实质关系的密切程度。肿瘤的大小和生长方式还可影响肿瘤侵入实质的深度。肿瘤浸润深度直接影响肾部分切除的深度，已被证实是影响肾部分切除术实施及术后并发症发生率的重要因素[13-14]，测定该指标可帮助医师把握肾部分切除的深度。此外，CT三维可视化可清晰显示肿瘤所处位置，据此可决定手术入路、肿瘤切除及缝合的难易程度。

肿瘤与其周围未受累的肾实质的接触面积是影响肾切除和缝合的重要因素。Leslie等[15]报道肿瘤接触面积(contact surface area，CSA)是手术时间、术后并发症、住院日和术后肾功能的独立预测指标，且与目前的评分系统相比，CSA在预测围手术期事件时可能更准确。已报道的CSA估算方法包括肿瘤总表面积与肾内肿瘤体积百分比的乘积、2πrd(r为肿瘤半径、d为浸润深度)[16]，这些基于数学模型的计算结果显示出CSA与围手术期参数及术后肾功能的相关性，证明了CSA在肾部分切除术中的预测价值，更准确的CSA评估方式还有待研究。Takagi等[17]报道了手动描绘结合自动计算CSA的方法，但该方法需花费大量时间精力。本研究推荐利用三维可视化技术智能拟合肾肿瘤与肾实质接触平面并计算其面积，为肾部分切除术创面大小提供参考，同时，另一接触面相关参数为肿瘤肾实质接触面平整度，可警示泌尿外科医师在切除肾肿瘤时肿瘤边界是否规则，若接触面局部有凸出的肿瘤，切除时则需格外小心，避免切破肿瘤或对正常肾实质造成不必要的损伤，在完全切除肿瘤的同时尽可能多地保留肾实质。

肾血管变异包括动、静脉血管走行或数量的变异，血管变异会影响手术的安全性，同时也会使手术并发症风险增加。腹腔镜下肾部分切除术的关键步骤即为处理脉管系统，因此，术前了解肾血管变异十分重要。副肾动脉是最常见的血管变异，大约会出现在1/3的患者，副肾动脉的存在可能会导致肾门阻断不完全，引起严重的术中出血、并发症发生或肿瘤切缘阳性。常见的静脉变异包括肾静脉过多、静脉过晚融合、主动脉后左肾静脉等，静脉变异对肾部分切除术的影响较小，但术前识别这些变异，可降低术中血管损伤的可能性。CT三维可视化在识别血管方面有特别的优势，通过旋转、缩放、透明化、组合显示等工具可以清晰显示肾及肿瘤的血供情况，个体化制定手术计划，有利于在适当的病例中辅助完成选择性肾动脉阻断肾部分切除术。

肾周脂肪的数量和性质可影响肾门解剖、术野暴露、肿瘤切除和肾脏缝合等重要手术操作，疏松的肾周脂肪可以轻松地完成游离与显露，而大量、致密的脂肪在一定程度上会影响肾部分切除术的进行。术前评估患者肾周脂肪的情况对手术有一定的帮助。尽管BMI被广泛用于反映个体的肥胖度，但目前研究表明BMI与肾部分切除术的围手术期参数之间没有相关性[18-19]，因为BMI不能区分脂肪和肌肉的质量以及内脏脂肪和皮下脂肪。肾周脂肪厚度的定义为从肾包膜到肾周筋膜在肾静脉的延长线上的距离。Macleod等[20]比较了肾周脂肪、BMI、腹部肥胖对于机器人辅助肾部分切除术难度的预测价值，发现肾周脂肪的测量与术中失血量、手术时间的增加有关。除了肾周脂肪数量，脂肪的性质对肾部分切除术也有很大影响。梅奥粘连概率(Mayo adhesive probability，MAP)有助于预测黏性肾周脂肪的可能性，以评估肾部分切除术的困难程度。本评分系统纳入肾周脂肪的表面积、体积和CT值用于评价肾周脂肪的数量及性质，评估具有“黏性”的脂肪的数量，以预测肾部分切除术手术过程中游离肾脏和暴露肾血管的难度。

重建后的三维影像可在Touch Viewer系统上进行缩放、旋转、组合显示、颜色调整、透明化、长度和体积自动测量及模拟裁切等操作，满足术前虚拟手术规划及术中辅助导航的要求，流程一般为：(1)打开三维可视化结果；(2)设置显示或隐藏组织；(3)调整组织器官透明度；(4)旋转、缩放，调整图像与手术患者体位一致；(5)全屏显示，或导入手术机器人系统，进一步帮助手术医师把握手术过程及术中变化(图7)。

本研究初步探究CT三维重建在肾部分切除术中的应用价值，分析三维图像下的相关参数对手术时间、肾动脉阻断时间、出血量、并发症等的预测价值，但仍有一定的不足。首先，受限于回顾性研究及样本量，我们仅分析了三维指标与围手术期参数的相关性，没有进一步分析因果关系。其次，对于存在相关性的指标，需进一步探究评价细则以更好地预测手术难度及并发症的风险，对于没有相关性的指标，原因可能是样本量不足所导致的偏倚；此外，仍有部分指标尚未实现定量评价，如血管变异，细化分型有助于进一步提高本评分系统的临床应用价值。最后，本文报告的结果为单中心经验，由于本中心为综合转诊医院，可能存在患者的选择偏倚，未来需通过多中心前瞻性研究进一步证实以推广。

综上，CT三维可视化可清晰显示肿瘤解剖参数及血供、脂肪等信息，综合这些信息构成肾肿瘤三维可视化评价系统可帮助预测肾部分切除术的手术难度、围术期并发症、术后肾功能等。重建的三维图像导入指定程序或机器人操作系统即可完成虚拟手术及术中辅助导航，帮助手术医师更好地把握手术过程。评分系统所包含的指标及各项指标的分值权重尚需根据多中心大样本的研究来证实及完善。