CT三维重建结合MR技术在肾肿瘤保留肾单位肾部分切除术诊断和治疗中的应用研究

马智勇，才 华，左宏超，狄 雷，谷一鸣，郑宗宇，王伟刚*

(1.吉林大学第一医院 泌尿外二科，吉林 长春130021；2.长春理工大学电子信息工程学院；3.长春智一光电有限公司)

肾脏肿瘤诊断依赖计算机断层扫描(CT)尤其是增强CT[1]。在手术前，经常要行CT血管造影(CTA)检查，以明确是否存在肾脏动脉或静脉的血管畸型，动脉与静脉的上下关系，减少手术风险。但是，在临床实践中，经常会遇到肾脏或肿瘤与周围组织粘连严重，分离困难的情况。此时，如果能迅速找到肾脏动脉的主干将会大大降低手术难度，然而仅依靠增强CT或CTA不能完全达到立体呈像的要求，医生术中仍须依靠经验及耐心一点点摸索前行，有时就会引发大出血，严重时会危及病人生命。XR扩展现实(extended-range)是虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)的统称[2]。MR介于VR和AR之间，在虚拟世界、现实世界和用户之间，利用数字技术实现实时交互的复杂环境[3]。本研究纳入吉林大学第一医院泌尿外二科于2020年1月至2022年1月64例肾肿瘤保留肾单位肾部分切除术(NSS)患者，研究CT三维重建结合MR技术在肾脏肿瘤诊断和NSS手术临床应用中的价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择2020年1月-2022年1月在吉林大学第一医院泌尿外二科治疗的肾肿瘤患者64例，均行NSS手术。患者术前随机分为二组。应用MR技术的患者为MR组，32例，其余32例为对照组。MR组男性20例，女性12例，平均年龄48.0±5.7岁，左肾肿瘤18例，右肾肿瘤14例，肿瘤大小平均2.8±0.9 cm。对照组男性18例，女性14例，平均年龄50.1±6.4岁，左肾肿瘤21例，右肾肿瘤11例，肿瘤大小平均2.7±0.7 cm。入选标准：肿瘤直径小于5 cm；首次发病；肿瘤界限清晰。排除标准：肿瘤直径大于5 cm；复发肾脏肿瘤；凝血机制异常；严重心脑血管疾病。2组患者一般资料比较差异没有统计学意义，见表1。

表1 2组患者一般资料比较

1.2 方法

1.2.1术前常规检查 收集入组者所有临床资料，包括病史、实验室检查、影像学检查。实验室检查包括血常规、尿常规、凝血常规、血型、肝功、肾功、空腹血糖。影像学检查包括肺CT、肾脏CT平扫加上三期增强。

1.2.2MR技术在肾脏肿瘤诊断中的应用 将所有患者肾脏增强CT数据重构，导出为DICOM格式，通过虚拟仿真技术对断面图像分割处理，使用阈值与区域生长的图像分割方法提取重建组织，并定义相应解剖部位的颜色，使得呈现出来的人体结构具有高度的逼真感。三维图像经过三维软件编程后导出，通过MR眼镜微软Hololens2可以直接操作观看。重建后的肾脏可三维立体呈现，肾盏、血管以及肿瘤(占位)的颜色不同以便区分[4-5]。在肾脏肿瘤分期中，MR技术有助于分辨肿瘤是否侵及脉管及肾周脂肪。如果有患者肿瘤侵及脉管及肾周脂肪则需排除本研究。

1.2.3MR技术在肾脏肿瘤治疗中的应用 术前医生可以通过MR眼镜微软Hololens2可以直接操作观看，通过手势操作，隐藏遮挡肋骨及脏器，显露肿瘤与血管结构，预先进行虚拟肿瘤切除。确定切除范围，依靠三维重建系统软件生成相关定量数据，计算预切除肾脏组织体积。根据肾脏解剖与肿瘤情况，判断肾脏切除范围 及安全界限。明确手术切面及入路，判断该切面中可能包含的重要血管，可根据三维模拟手术随时调整手术方案。

XR术中可视化，术中实际解剖结构与全息三维图像配准，辨别肾集合系统及肾动脉位置。医生可通过微软Hololens2眼镜观看重建的病灶与器官的三维虚拟影像。

1.2.3治疗方法 所有患者手术均由同一名泌尿外科医生完成。病人均行后腹腔镜保留肾单位肾部分切除术。术中采用3枚通道，1枚置入腹腔镜，2枚为操作通道。术后留置1枚引流管。

1.2.4术中及术后观察指标 观察手术时间、术中出血量、住院时间、离床活动时间、手术前后肾功变化、术后并发症、住院费用等指标。

2 结果

CT三维重建结合MR技术组手术时间91.5(78.0，157.0)min，对照组为124.5(89.0，242.0)min，差异有统计学意义(P<0.001)。CT三维重建结合MR技术组出血量56.0(30.0，150.0)ml明显低于对照组85.0(32.0，320.0)ml(P<0.001)。CT三维重建结合MR技术组住院时间7.0(6.0，8.0)天，对照组10.0(7.0，20.0)天，CT三维重建结合MR技术组出院明显早于对照组(P<0.001)。CT三维重建结合MR技术组离床活动时间3.0(3.0，5.0)天明显早于对照组5.0(4.0，11.0)天(P<0.001)。手术前后肾功变化两组间没有显著差异。CT三维重建结合MR技术组未出现术后并发症，对照组1例术后第二天肾脏出血，行肾脏超选择动脉栓塞后好转。CT三维重建结合MR技术组住院费用(20454.0±1443.8元)低于对照组(20488.4±1752.5元)，但差异不显著(P=0.932)。

3 讨论

随着生活水平的提高和科学技术的进步，人们对医疗水平的要求也不断提高。医学工作者需要不断完善医疗设备，不断提高手术技能以便满足患者的要求。肾脏肿瘤保留肾单位肾部分切除术是泌尿外科领域的高难度手术[6]。他要求精准地找到肾动脉主干或所有分支血管，要求完整切除肿瘤，止血彻底，防止尿瘘及出血，尽量缩短血管阻断时间。只有完美地解决上述问题，患者才能有最好的预后。以往医生都是依据术前观看的CT等影像资料，在头脑中凭借经验沟勒出术区肾脏、血管、肿瘤、肾盂等器官的大体情况，术中再仔细寻找这些参照部位[7]。有经验的医生寻找肿瘤及血管可能快一些，年轻医生会慢一些，当遇到粘连严重，血管畸型等复杂病例时，风险就会明显增加。如何有效地解决这些问题，医学及各领域专家想出了许多办法，其中就包括MR技术的临床应用[8]。

表2 MR组与对照组术中及术后各指标比较

MR是XR扩展现实的一种。未来，人类的交互方式将由2D交互向更具效率的3D转变。3D视觉交互系统则取决于VR、AR和MR的发展，这些技术统称为扩展现实(XR)[2]。虚拟现实技术利用头戴设备模拟真实世界的3D互动环境；增强现实则是通过电子设备将各种信息和影像叠加到现实世界中；混合现实介于VR和AR之间，在虚拟世界、现实世界和用户之间，利用数字技术实现实时交互的复杂环境[9-10]。

本研究在该项目中应用MR技术主要解决以下几个问题。(1)在术前，医生可以通过MR眼镜微软Hololens2直接操作观看，通过手势操作，隐藏遮挡，显露肿瘤与血管结构，对肿瘤的诊断及分期有重要意义；可以预先进行虚拟肿瘤切除，确定切除范围，依靠三维重建系统软件生成相关定量数据，计算预切除肾脏组织体积；根据肾脏解剖与肿瘤情况，判断肾脏切除范围及安全界限；明确手术切面及入路，判断该切面中可能包含的重要血管，可根据三维模拟手术随时调整手术方案。(2)XR术中可视化，术中实际解剖结构与全息三维图像配准，辨别肾集合系统及肾动脉位置；医生可通过微软Hololens2眼镜观看重建的病灶与器官的三维虚拟影像，有效避免伤及肾脏集合系统及重要血管，防止术中术后大出血及尿瘘。

我国已有多家单位的泌尿外科在三维重建领域进行了有益的探索[4,11]。张江伟等运用三维重建技术进一步优化开放式活体肾移植供肾切取术[12]。三维重建组供者于术前通过获取双肾医学数字成像和通信数据进行三维重建，并根据重建模型制订手术方案或进行模拟手术。术后发现三维重建组供肾切取术手术时间短于传统术式组，其术中出血量也少于传统术式组。北京大学第一医院李学松教授等结合CT三维重建及术中认知融合手术导航技术，帮助术者在复杂的瘢痕粘连中准确、高效地辨认输尿管狭窄段且避免损伤周围正常组织，取得了很好的效果[13]。本研究中我们也发现，MR组手术术中出血量也是明显少于对照组。这说明术前及术中通过MR技术重建解剖标识对于手术操作是非常重要和有益的。

CT三维重建结合MR技术在临床教学工作中也能够起到非常重要的作用[14-15]。医生的手术水平对于手术的成功至关重要，需要长期大量的培训才行。但是实习医生往往受到伦理和法律约束，缺乏手术实验资源，很大程度受到时间和空间的限制导致复杂手术学习曲线长。三维影像重构可应用在虚拟仿真实验教学中，它可提供众多真实器官组织生物结构和生物力学特征的手术仿真场景。这样可以让医生在无时间和空间限制的条件下反复进行手术训练，可减少对患者造成医源性伤害的潜在危险。不仅解决了医学实践教学资源短缺的问题，还弥补了以往教学的单一性、枯燥性，提高学生的学习积极性和主动性，具有较强的交互性、沉浸性等特征，促使学生在具体的操作中，达到“身临其境”的体验和感受。

总之，CT三维重建结合MR技术不仅在泌尿外科临床实践中起到重要作用，它在其它医疗领域也具有广泛的应用前景。