泌尿系統結石數字化三維重建及測量的研究進展

武利兵 李筱賀 李志軍

[摘要] 泌尿系結石是泌尿系統的常見病與多發病。螺旋CT是臨床常用的檢查方法之一。泌尿系統解剖結構復雜，病變范圍廣，二維檢查存在一定的局限性。三維重建技術通過對普通CT掃描圖像進行多層面重建、最大密度投影、表面陰影遮蓋、容積再現技術、曲面重建和虛擬內鏡技術處理后，能重建薄層，更立體、直觀地呈現泌尿系統的解剖結構，從多角度顯示結石病變部位、形態、大小及其立體空間位置關系，且借助三維重建技術為數字化仿真虛擬手術提供了可能，對泌尿系結石的診斷和治療具有重要現實意義。本文就三維重建及仿真手術進行總結分析，總結其不足，為臨床個性精確手術提供參考。

[關鍵詞] 泌尿系統;結石;多層螺旋CT;三維重建

[中圖分類號] R691.4? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 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，隨著科學技術的不斷變革與發展，虛擬現實技術正逐步進入人們的生活，且逐漸融入生物醫學領域，隨著高仿真三維重建技術的發展與推動，各種數字化和可視化模型的建立與應用，使得眾多醫學學科在教學和臨床診斷與治療方面取得了突破性的發展。其中，在以盆腔及腹膜后為主要術區的泌尿外科也已開展相關研究，并獲得了一定的成果。三維重建技術并非通過使用建模軟件生成可人為控制的物體三維模型的正向構建，而是利用二維投影恢復物體的三維信息逆向重構。三維重建是通過數字化測量對三維物體進行適合計算機表示和處理的數字模型建立的數學過程和計算機技術，也是在計算機環境下對三維物體進行性質分析、處理和操作的基礎，成為通過計算機建立和表達客觀世界的虛擬現實的關鍵性技術之一[1-2]。

泌尿系統主要位于腹膜后及盆腔，其組織器官眾多，解剖結構復雜，病變范圍廣，對于泌尿外科臨床醫師而言，準確掌握泌尿系統解剖結構共性和個性特征至關重要。然而，由于目前有關尸體標本模型缺乏，而二維圖譜的空間表現力相對不足，以及相關仿真實體模型的細節表現的局限性，使得有關臨床醫師在成長為高水平醫療人才的道路上步履蹣跚[3]。伴隨著虛擬現實技術（virtual reality，VR）的出現與發展及其與生物醫學領域的融合，使人體數字化圖像獲取技術和三維重建技術取得了迅速發展，三維重建的數字模型仿真效果程度較高，且在對目標空間位置和毗鄰關系的呈現十分清晰而直觀[4]。李勝軍等[5]利用西門子Emotion 16排螺旋CT、AW4.2圖像工作站及三維重建專用軟件進行泌尿系的三維重建，對收集的數據進行處理，通過切割掉遮蓋尿路影像的周圍組織，重建獲得了一個尿路全程的三維立體圖像，清晰地反映出其解剖的具體走向。此外，還可以導入虛擬環境中進行虛擬切割等交互式模擬操作，因而正逐漸被應用于醫學臨床研究。

近幾年來，數字化三維重建技術在泌尿系多種疾病的研究中獲得了廣泛的關注，并成為其研究領域的熱點和難點，特別是在泌尿系結石方面，有關研究正不斷地深入，現將其相關研究進展總結如下：

1 泌尿系結石臨床常見診斷方法比較

泌尿系結石是指泌尿系統內因尿液的濃縮和沉淀形成結晶顆粒或成塊樣聚集物，是泌尿系統的常見病與多發病，且近年來發病率呈現上升趨勢。青壯年為其好發人群，且以男性更多見，男女發病比率為4∶1～5∶1[6]。結石可發生于尿道、輸尿管、膀胱和腎的任何部位，我國上尿路結石的發病率顯著高于下尿路，且以輸尿管和腎結石最常見。

泌尿系統結石常用的診斷方法包括超聲檢查、腹部平片（KUB）、靜脈腎盂造影（IVP）、CT以及核磁共振成像（MRI）。超聲檢查具有方便、快捷、簡單的特點，其優點為沒有放射性、無創傷且不受結石成分的影響，對于陰性結石和小結石的發現優于X線腹平片，能初步了解尿路積水擴張的情況，缺點為不能顯示腎功能，對結石大小的測量不如X線檢查準確，由于輸尿管較長，受脂肪層和腸道氣體的影響，B超對輸尿管中下段病變的成像效果往往不夠理想[7]，此外，受操作者技術水平和患者個人因素的干擾，也可導致結果的偏頗，故精確度較差。KUB可以觀察尿路走行區有無陽性結石，IVP對泌尿系統結石的診斷有其自身優勢，能完整的顯示尿路圖像，可以觀察泌尿系有無梗阻以及梗阻的程度和部位，并且可以觀察腎分泌功能有無異常，對病變部位有直觀的展現，但IVP檢查時間長，且患者不適感嚴重[8]，對于腎實質和毗鄰組織的顯影模糊不清，僅可見輪廓，存在清晰度差和重疊影像的缺點，一次成像，受腸道準備情況影響較大，易造成漏診。有關研究[9]顯示，超聲和腹部平片容易受血管鈣化及腸道氣體和糞便的干擾，在腎功能不全時容易出現輸尿管不顯影，導致診斷困難，必要時需行腎盂穿刺造影或逆行造影等有創性檢查進行進一步診斷。MRI檢查是泌尿系常用的檢查方法，通過泌尿系水成像（MRU）可以直接顯示尿路梗阻情況，無需造影劑，同時對于息肉、腫瘤及血凝塊等鑒別診斷幫助較大，與IVP相似，其對腎實質的顯像同樣不佳，僅可見尿路的情況。CT檢查可以觀察腎、輸尿管、膀胱、尿道有無結石，有無尿路梗阻存在，定位、定性準確而直觀，通過使用碘造影劑多期掃描與三維重建使得圖像更為直觀，診斷更明確，診斷結果準確率最高，且無需提前進行腸道準備，方便而安全[10]。目前已成為臨床泌尿系結石診斷首選的最全面的影像學檢查方法。由于輸尿管與其臨近組織缺乏明顯差異，導致傳統的影像學檢查存在一定的局限性，常常無法完整地呈現出整個泌尿系統，多層螺旋CT以其較高的信噪比和空間分辨率，即使微小病變也能得到清晰地顯示，顯著地提高了泌尿系結石的診斷率和陽性率，從而彌補了其他影像檢查的不足。袁靜等[11]對81例泌尿系結石患者分別給予螺旋CT和B超檢查，結果兩者診斷的準確率分別為100%和90%，由此可見，CT檢查具有更高的特異度和敏感度。因此，CT對結石的高敏感性可作為其首選的檢查方法。

2 CT三維重建圖像后處理技術

普通的CT圖像為橫斷面圖像，為獲得更仿真的圖像需要相關的圖像后處理技術，主要包括多層面重建（multi-planar reconstruction，MPR）、最大密度投影（maximum intensty projection，MIP）、表面陰影遮蓋（surface shaded disaplay，SSD）、容積再現技術（volume rendering technique，VRT）、曲面重建（curved planar recontruction，CPR）和虛擬內鏡技術（virtual endoscopy，VE）[12]。MPR適用于任一平面的結構成像，可以以任意角度觀察泌尿系組織器官及結石病變，同時可顯示腔性結構的橫斷面以觀察腔隙的狹窄程度，真實地反映器官間的位置關系。VRT成像功能強大，形態及色彩逼真對復雜結構的成像有一定的優勢，但VRT圖像的偽彩設置很重要，不恰當的偽彩設置會將血管外層像素過濾掉，顯示血管狹窄的程度將比實際情況嚴重[13]。MPR和VRT是診斷神經源性膀胱和重復腎盂輸尿管的重要方法，其能實現對泌尿系統的全方位多角度觀察，有利于清晰地發現重復輸尿管的開口位置和膀胱壁內多發憩室。MIP是將CT層厚中最大CT值的體素投影到背景平面上，以顯示所有或部分的強化密度高的器官，MIP能真實地體現出組織間的密度差異，對中空器官的管壁顯示有著顯著的優勢。研究[14]發現，MIP能夠較好地呈現輸尿管的全程圖像，明確輸尿管狹窄的部位和程度，組織解剖關系清晰，但由于造影劑的密度與結石密度相近，有時可能影響結石的顯示。SSD是將操作者的眼睛作為假設光源方向，投射到CT值在設定閾值以上的體素上的集合立體圖形，適用于顯示CT值與其他結構相差較大的組織結構成像。VRT成像功能強大，形態及色彩逼真對于復雜結構的成像有一定的優勢，但VRT圖像的偽彩設置很重要，多種偽彩能顯示不同結構，不恰當的偽彩設置會將血管外層像素過濾掉，顯示血管狹窄的程度將重于實際情況[15]。CPR是在一個維度上選擇特定的曲線路徑，將該路徑上的所有體素在同一平面上進行顯示，可以一次評價曲度較大的結構，如輸尿管的全長情況。此外，CPR既可以觀察管腔結構的腔壁病變，也可以觀察管狀結構與周圍結構的位置關系，因此，CPR是輸尿管顯示最佳的三維成像方法，是MPR的發展與延伸，能使輸尿管直觀地顯示在一個平面上，便于發現結石的位置及輸尿管梗阻擴張的程度。VE可以模擬內鏡檢查的效果，通過設定一系列的參數范圍即可看見管腔內的結構。臨床中圖像處理技術的選擇因病而異。

3 多層螺旋CT三維重建和測量對泌尿系結石診斷的優勢

多層螺旋CT聯合三維重建技術通過薄層、快速、高密度采樣進行高空間分辨率、多角度的呈現病變部位、形態、大小以及與臨近組織空間的關系，克服了以往超聲檢查、X線腹部平片、普通CT以及逆行造影等檢查的缺點和局限性[16]，檢查涉及到泌尿系統的每個方面，避免出現誤診和漏診病例，從而顯著提高了泌尿系結石的診斷與定位水準，充分體現出其安全和無創的診斷優點。通過多層螺旋CT三維重建技術進行泌尿系結石的診斷，不但可以清晰地獲得腎盞、腎盂、輸尿管和膀胱的情況，同時還可充分反映出腎臟的排泄及分泌功能[17]，對結石、泌尿系統的狹窄與擴張及破壞缺損等有著良好的顯示功能，具有極高的診斷價值，且強大的圖像后處理技術可為臨床泌尿系結石手術及體外碎石等提供精確定位。

李冬芳等[18]通過采用64層螺旋CT尿路造影（multislice spiral compuled tomography urography，MSCTU）技術在VRT圖像的基礎上聯合運用MPR、MIP和CPR將泌尿系統掃描結果進行去骨切割，并做任意角度的圖像重建，從而獲得全尿路容積的重建圖像，客觀反映出其解剖關系及病變。張超波等[19]通過對106例進行MSCTU平掃、增強掃描和延遲掃描的泌尿系統病變患者進行回顧性整理分析，采用CPR、MIP、MPR及VR等對原始數據進行三維重建和分析，得出MSCTU掃描耗時短，得到圖像質量好，所獲圖像能從不同層面和不同角度良好地顯示泌尿系統病變的形態、位置、性質、解剖關系、毗鄰關系以及血供情況，對泌尿系統疾病的診斷及治療有重要的應用價值。陳志剛[20]通過16排螺旋CT對30例泌尿系結石患者包括20例單純腎結石、4例單純輸尿管結石以及6例腎和輸尿管結石進行掃描，將掃描中獲得的相關薄層數據傳入主機工作站實施三維重建，根據SSD、MPR、VRT以及MIP技術進行整個尿路成像，清晰地顯示出結石的位置、形態和大小。喬曉春等[21]采用64層螺旋CT機于腎實質期和排泌期對100例泌尿系結石患者進行自腎上極至恥骨聯合的平掃和增強掃描，經過CTU、CPR、MIP和VR重建圖像后獲得清晰的泌尿系結構和結石的形態大小，其中包括17例腎結石合并輸尿管結石，11例腎臟、輸尿管及膀胱多發結石，7例輸尿管結石合并膀胱結石，35例單純性輸尿管結石，23例單純性腎臟結石，7例單純性膀胱結石。由此可見，多層螺旋CT三維圖像重建對各種類型的泌尿系結石均有較好的診斷價值，且能明確泌尿道的梗阻部位以及其擴張積水的程度，兼具CT和IVP的雙重優點，可獲得全方位的病變形態與細節。此外，有關研究[22]還提出在三維重建過程中可根據所選的不同閾值、層面以及偽彩進行相應旋轉和剪切，從而可得到任意角度、不同偽彩甚至不同層面的全尿路圖像，以便為臨床醫生提供準確的診斷和治療依據。

4 泌尿系統結石數字化三維重建和測量的意義與價值

多層螺旋CT數字化三維重建與測量不僅能夠安全、無創、立體、直觀地呈現泌尿系統全程，而且可以多角度顯示泌尿系的解剖結構以及結石部位的立體空間位置關系，滿足了對泌尿系統進行薄層、快速、大范圍掃描和較高質量后處理圖像的需求，此技術的診斷正確率和成功率較高，對泌尿系結石的診斷和治療具有重要現實意義，成為目前診斷泌尿系統結石無創且行之有效影像學方法。

基于CT掃描的三維重建圖像不僅可以反映患者的泌尿系統生理或病理情況下的解剖學形態，明確疾病診斷，還可通過三維重建圖像對重建解剖結構進行數據測量，為泌尿系結石的治療及手術方案設計提供思路與依據。目前，常用的測量方法為利用功能面板自帶三維計算功能的mimics 10.0系統，將標準格式為STL的三維文件導入其中，通過模型屬性計算模型體積的大小和表面積，從而獲得病例標本結石模型的體積與表面積，可為教學及醫學研究提供形象的三維模型，清晰的層次和鮮明的色彩不僅更為生動地展現了患者的生理解剖學結構，同時可為教學及臨床技能操作提供模擬操作訓練的環境，熟練手術操作，提升操作技巧[23]。

數字化仿真虛擬手術是結合計算機科學和醫學的最新成果。通過利用術前數據，采用三維重建、圖像分割、圖像融合技術建立三維一體可視化模型，真實反映患者活體化的生理和病理解剖結構，并在三維模型上使用仿真手術器械進行手術設計和仿真操作。數字化仿真虛擬手術具有可反復操作性，力圖模擬真實的手術過程，做到真實手術再現，使得手術設計更合理，操作更精確。馮凌松等[4]通過采集8例腎結石患者的CT值，采用三維重建軟件進行三維模型建立，并在模型上模擬實踐了PCNL經皮穿刺、擴張和碎石過程，成功完成了腎結石PCNL虛擬手術仿真，充分證實了在腎結石三維模型上進行PCNL虛擬手術仿真的有效性和可行性，也為腎結石三維數字化測量及虛擬手術的進一步研究提供了理論依據[24]。

隨著科學技術的不斷進步與革新，數字化醫學展現出蓬勃的生命力，為醫學研究提供了新的研究途徑，勢必成為今后醫學研究的熱點。但由于此項技術用于醫學領域的時間相對較短，技術人員由于自身的理論水平、實際操作的熟練程度和精確度等方面的局限性，使得重建圖像與活體間普遍存在一定的誤差性，為仿真手術設計與操作造成一定的干擾[25]。因此，在圖像后處理方面不斷探索和提高圖像重建的精確度，了解和學習國內外最新研究成果，總結經驗，減少重建圖像與活體解剖結構間的誤差，這將成為未來泌尿系統數字化醫學研究的重點和新的方向。

5 小結

基于CT掃描的三維重建圖像通過采用MPR、MIP、SSD、VRT、CPR以及VE等后期處理技術對CT掃描的圖像原始數據進行三維重建解剖結構，能立體、直觀地呈現泌尿系統全程，多角度的呈現病變部位、形態、大小以及與臨近組織空間的關系，檢查涉及到泌尿系統的每個方面，能明確疾病診斷，避免出現誤診和漏診病例，有效提高臨床診斷的準確性，且CT三維重建具有安全無創的診斷優勢，克服了以往超聲檢查、X線腹部平片、普通CT以及逆行造影等檢查的缺點和局限性，已成為目前診斷泌尿系統結石無創首選的影像學方法。通過三維重建圖像對重建解剖結構進行數據測量，利用術前數據的三維重建、圖像分割、圖像融合技術建立能反映患者活體化的生理和病理解剖結構的三維一體可視化模型，便于臨床醫生在三維模型上使用仿真手術器械進行數字化仿真虛擬手術，做到真實手術再現，便于重復手術設計和仿真操作，使得手術設計更合理，操作更精確，為泌尿系結石的治療及手術方案設計提供思路與依據。數字化仿真虛擬手術技術在醫學領域的時間相對較短，技術人員由于自身的理論水平、實際操作的熟練程度和精確度等方面的局限性，這使得重建圖像與活體間普遍存在一定的誤差性，對仿真手術設計與操作存在一定的干擾。相信隨著圖像后處理方面不斷探索和圖像重建精確度的提高，數字化三維重建及測量技術定會在泌尿系統結石的診治方面獲得更廣闊的應用。

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（收稿日期：2018-06-25? 本文編輯：封? ?華）