泌尿系統(tǒng)結(jié)石數(shù)字化三維重建

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

[關(guān)鍵詞]泌尿系統(tǒng)；結(jié)石；多層螺旋CT；三維重建

1泌尿系結(jié)石臨床常見診斷方法比較

泌尿系結(jié)石是指泌尿系統(tǒng)內(nèi)因尿液的濃縮和沉淀形成結(jié)晶顆?；虺蓧K樣聚集物，是泌尿系統(tǒng)的常見病與多發(fā)病，且近年來發(fā)病率呈現(xiàn)上升趨勢。青壯年為其好發(fā)人群，且以男性更多見，男女發(fā)病比率為4∶1～5∶1[6]。結(jié)石可發(fā)生于尿道、輸尿管、膀胱和腎的任何部位，我國上尿路結(jié)石的發(fā)病率顯著高于下尿路，且以輸尿管和腎結(jié)石最常見。泌尿系統(tǒng)結(jié)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(yōu)點為沒有放射性、無創(chuàng)傷且不受結(jié)石成分的影響，對于陰性結(jié)石和小結(jié)石的發(fā)現(xiàn)優(yōu)于X線腹平片，能初步了解尿路積水?dāng)U張的情況，缺點為不能顯示腎功能，對結(jié)石大小的測量不如X線檢查準(zhǔn)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(shù)水平和患者個人因素的干擾，也可導(dǎo)致結(jié)果的偏頗，故精確度較差。KUB可以觀察尿路走行區(qū)有無陽性結(jié)石，IVP對泌尿系統(tǒng)結(jié)石的診斷有其自身優(yōu)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(xiàn)，但I(xiàn)VP檢查時間長，且患者不適感嚴(yán)重[8]，對于腎實質(zhì)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(zhǔn)備情況影響較大，易造成漏診。有關(guān)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(xiàn)輸尿管不顯影，導(dǎo)致診斷困難，必要時需行腎盂穿刺造影或逆行造影等有創(chuàng)性檢查進(jìn)行進(jìn)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(zhì)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(jié)石，有無尿路梗阻存在，定位、定性準(zhǔn)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(jié)果準(zhǔn)確率最高，且無需提前進(jìn)行腸道準(zhǔn)備，方便而安全[10]。目前已成為臨床泌尿系結(jié)石診斷首選的最全面的影像學(xué)檢查方法。由于輸尿管與其臨近組織缺乏明顯差異，導(dǎo)致傳統(tǒng)的影像學(xué)檢查存在一定的局限性，常常無法完整地呈現(xiàn)出整個泌尿系統(tǒng)，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(jié)石的診斷率和陽性率，從而彌補(bǔ)了其他影像檢查的不足。袁靜等[11]對81例泌尿系結(jié)石患者分別給予螺旋CT和B超檢查，結(jié)果兩者診斷的準(zhǔn)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(jié)石的高敏感性可作為其首選的檢查方法。

2CT三維重建圖像后處理技術(shù)

MPR和VRT是診斷神經(jīng)源性膀胱和重復(fù)腎盂輸尿管的重要方法，其能實現(xiàn)對泌尿系統(tǒng)的全方位多角度觀察，有利于清晰地發(fā)現(xiàn)重復(fù)輸尿管的開口位置和膀胱壁內(nèi)多發(fā)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(qiáng)化密度高的器官，MIP能真實地體現(xiàn)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(yōu)勢。研究[14]發(fā)現(xiàn)，MIP能夠較好地呈現(xiàn)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(guān)系清晰，但由于造影劑的密度與結(jié)石密度相近，有時可能影響結(jié)石的顯示。SSD是將操作者的眼睛作為假設(shè)光源方向，投射到CT值在設(shè)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(jié)構(gòu)相差較大的組織結(jié)構(gòu)成像。VRT成像功能強(qiáng)大，形態(tài)及色彩逼真對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成像有一定的優(yōu)勢，但VRT圖像的偽彩設(shè)置很重要，多種偽彩能顯示不同結(jié)構(gòu)，不恰當(dāng)?shù)膫尾试O(shè)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(jìn)行顯示，可以一次評價曲度較大的結(jié)構(gòu)，如輸尿管的全長情況。此外，CPR既可以觀察管腔結(jié)構(gòu)的腔壁病變，也可以觀察管狀結(jié)構(gòu)與周圍結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，因此，CPR是輸尿管顯示最佳的三維成像方法，是MPR的發(fā)展與延伸，能使輸尿管直觀地顯示在一個平面上，便于發(fā)現(xiàn)結(jié)石的位置及輸尿管梗阻擴(kuò)張的程度。VE可以模擬內(nèi)鏡檢查的效果，通過設(shè)定一系列的參數(shù)范圍即可看見管腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)。臨床中圖像處理技術(shù)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(jié)石診斷的優(yōu)勢

多層螺旋CT聯(lián)合三維重建技術(shù)通過薄層、快速、高密度采樣進(jìn)行高空間分辨率、多角度的呈現(xiàn)病變部位、形態(tài)、大小以及與臨近組織空間的關(guān)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(tǒng)的每個方面，避免出現(xiàn)誤診和漏診病例，從而顯著提高了泌尿系結(jié)石的診斷與定位水準(zhǔn)，充分體現(xiàn)出其安全和無創(chuàng)的診斷優(yōu)點。通過多層螺旋CT三維重建技術(shù)進(jìn)行泌尿系結(jié)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(jié)石、泌尿系統(tǒng)的狹窄與擴(kuò)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(qiáng)大的圖像后處理技術(shù)可為臨床泌尿系結(jié)石手術(shù)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（mul-tislicespiralcompuledtomographyurography，MSCTU）技術(shù)在VRT圖像的基礎(chǔ)上聯(lián)合運(yùn)用MPR、MIP和CPR將泌尿系統(tǒng)掃描結(jié)果進(jìn)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(guān)系及病變。張超波等[19]通過對106例進(jìn)行MSCTU平掃、增強(qiáng)掃描和延遲掃描的泌尿系統(tǒng)病變患者進(jìn)行回顧性整理分析，采用CPR、MIP、MPR及VR等對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建和分析，得出MSCTU掃描耗時短，得到圖像質(zhì)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(tǒng)病變的形態(tài)、位置、性質(zhì)、解剖關(guān)系、毗鄰關(guān)系以及血供情況，對泌尿系統(tǒng)疾病的診斷及治療有重要的應(yīng)用價值。陳志剛[20]通過16排螺旋CT對30例泌尿系結(jié)石患者包括20例單純腎結(jié)石、4例單純輸尿管結(jié)石以及6例腎和輸尿管結(jié)石進(jìn)行掃描，將掃描中獲得的相關(guān)薄層數(shù)據(jù)傳入主機(jī)工作站實施三維重建，根據(jù)SSD、MPR、VRT以及MIP技術(shù)進(jìn)行整個尿路成像，清晰地顯示出結(jié)石的位置、形態(tài)和大小。喬曉春等[21]采用64層螺旋CT機(jī)于腎實質(zhì)期和排泌期對100例泌尿系結(jié)石患者進(jìn)行自腎上極至恥骨聯(lián)合的平掃和增強(qiáng)掃描，經(jīng)過CTU、CPR、MIP和VR重建圖像后獲得清晰的泌尿系結(jié)構(gòu)和結(jié)石的形態(tài)大小，其中包括17例腎結(jié)石合并輸尿管結(jié)石，11例腎臟、輸尿管及膀胱多發(fā)結(jié)石，7例輸尿管結(jié)石合并膀胱結(jié)石，35例單純性輸尿管結(jié)石，23例單純性腎臟結(jié)石，7例單純性膀胱結(jié)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(jié)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(kuò)張積水的程度，兼具CT和IVP的雙重優(yōu)點，可獲得全方位的病變形態(tài)與細(xì)節(jié)。此外，有關(guān)研究[22]還提出在三維重建過程中可根據(jù)所選的不同閾值、層面以及偽彩進(jìn)行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)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(yī)生提供準(zhǔn)確的診斷和治療依據(jù)。

4泌尿系統(tǒng)結(jié)石數(shù)字化三維重建和測量的意義與價值

多層螺旋CT數(shù)字化三維重建與測量不僅能夠安全、無創(chuàng)、立體、直觀地呈現(xiàn)泌尿系統(tǒng)全程，而且可以多角度顯示泌尿系的解剖結(jié)構(gòu)以及結(jié)石部位的立體空間位置關(guān)系，滿足了對泌尿系統(tǒng)進(jìn)行薄層、快速、大范圍掃描和較高質(zhì)量后處理圖像的需求，此技術(shù)的診斷正確率和成功率較高，對泌尿系結(jié)石的診斷和治療具有重要現(xiàn)實意義，成為目前診斷泌尿系統(tǒng)結(jié)石無創(chuàng)且行之有效影像學(xué)方法?；贑T掃描的三維重建圖像不僅可以反映患者的泌尿系統(tǒng)生理或病理情況下的解剖學(xué)形態(tài)，明確疾病診斷，還可通過三維重建圖像對重建解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，為泌尿系結(jié)石的治療及手術(shù)方案設(shè)計提供思路與依據(jù)。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mimics10.0系統(tǒng)，將標(biāo)準(zhǔn)格式為STL的三維文件導(dǎo)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(biāo)本結(jié)石模型的體積與表面積，可為教學(xué)及醫(yī)學(xué)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(xiàn)了患者的生理解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，同時可為教學(xué)及臨床技能操作提供模擬操作訓(xùn)練的環(huán)境，熟練手術(shù)操作，提升操作技巧[23]。數(shù)字化仿真虛擬手術(shù)是結(jié)合計算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)的最新成果。通過利用術(shù)前數(shù)據(jù)，采用三維重建、圖像分割、圖像融合技術(shù)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(jié)構(gòu)，并在三維模型上使用仿真手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)設(shè)計和仿真操作。數(shù)字化仿真虛擬手術(shù)具有可反復(fù)操作性，力圖模擬真實的手術(shù)過程，做到真實手術(shù)再現(xiàn)，使得手術(shù)設(shè)計更合理，操作更精確。馮凌松等[4]通過采集8例腎結(jié)石患者的CT值，采用三維重建軟件進(jìn)行三維模型建立，并在模型上模擬實踐了PCNL經(jīng)皮穿刺、擴(kuò)張和碎石過程，成功完成了腎結(jié)石PCNL虛擬手術(shù)仿真，充分證實了在腎結(jié)石三維模型上進(jìn)行PCNL虛擬手術(shù)仿真的有效性和可行性，也為腎結(jié)石三維數(shù)字化測量及虛擬手術(shù)的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)[24]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與革新，數(shù)字化醫(yī)學(xué)展現(xiàn)出蓬勃的生命力，為醫(yī)學(xué)研究提供了新的研究途徑，勢必成為今后醫(yī)學(xué)研究的熱點。但由于此項技術(shù)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的時間相對較短，技術(shù)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(shù)設(shè)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(xué)習(xí)國內(nèi)外最新研究成果，總結(jié)經(jīng)驗，減少重建圖像與活體解剖結(jié)構(gòu)間的誤差，這將成為未來泌尿系統(tǒng)數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究的重點和新的方向。

5小結(jié)

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(shù)對CT掃描的圖像原始數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建解剖結(jié)構(gòu)，能立體、直觀地呈現(xiàn)泌尿系統(tǒng)全程，多角度的呈現(xiàn)病變部位、形態(tài)、大小以及與臨近組織空間的關(guān)系，檢查涉及到泌尿系統(tǒng)的每個方面，能明確疾病診斷，避免出現(xiàn)誤診和漏診病例，有效提高臨床診斷的準(zhǔn)確性，且CT三維重建具有安全無創(chuàng)的診斷優(yōu)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(tǒng)結(jié)石無創(chuàng)首選的影像學(xué)方法。通過三維重建圖像對重建解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，利用術(shù)前數(shù)據(jù)的三維重建、圖像分割、圖像融合技術(shù)建立能反映患者活體化的生理和病理解剖結(jié)構(gòu)的三維一體可視化模型，便于臨床醫(yī)生在三維模型上使用仿真手術(shù)器械進(jìn)行數(shù)字化仿真虛擬手術(shù)，做到真實手術(shù)再現(xiàn)，便于重復(fù)手術(shù)設(shè)計和仿真操作，使得手術(shù)設(shè)計更合理，操作更精確，為泌尿系結(jié)石的治療及手術(shù)方案設(shè)計提供思路與依據(jù)。數(shù)字化仿真虛擬手術(shù)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的時間相對較短，技術(shù)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(shù)設(shè)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(shù)字化三維重建及測量技術(shù)定會在泌尿系統(tǒng)結(jié)石的診治方面獲得更廣闊的應(yīng)用。

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作者：武利兵 李筱賀 李志軍 單位：內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖教研室 北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)醫(yī)院泌尿外科