CTU+CTA聯(lián)合成像結(jié)合3D打印技術(shù)在腹腔鏡腎部分切除術(shù)中的應(yīng)用

陳一鳴　宋廣來　王坤　陳真　邢兆宇　丁濤

[摘要] 目的 比較CTU+CTA聯(lián)合成像與傳統(tǒng)CT平掃+增強(qiáng)進(jìn)行三維重建圖像精度差異，評(píng)估CTU+CTA圖像重建后3D打印腎臟模型在腹腔鏡腎部分切除術(shù)手術(shù)規(guī)劃及術(shù)前溝通中的應(yīng)用價(jià)值。方法 選取2018年6—7月期間入院的兩名腎癌患者，術(shù)前行CTU+CTA檢查，采集CT圖像，同時(shí)回顧性采集5例2018年1—6月期間入院手術(shù)的5例腎癌患者術(shù)前CT平掃+增強(qiáng)圖像，將采集到的圖像進(jìn)行三維重建，比較兩者對(duì)腎臟及腫瘤細(xì)節(jié)的還原程度。而后利用CTU+CTA三維建模進(jìn)行3D打印，評(píng)估3D打印模型還原程度、對(duì)手術(shù)規(guī)劃的幫助及對(duì)術(shù)前溝通的幫助程度。結(jié)果 CTA+CTU三維重建圖像對(duì)腫瘤侵犯集合系統(tǒng)情況、腎臟形態(tài)、腎臟血管分支等評(píng)分項(xiàng)目中得分高于CT平掃+增強(qiáng)三維重建圖像，兩組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=15.611，P<0.001）。3D打印腎臟模型經(jīng)專家評(píng)分后模型1總分（40.38±1.49）分，模型2總分（41.13±1.93）分，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)以上且兩者相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.615，P=0.516），3D打印腎臟模型術(shù)前溝通評(píng)分模型1總分（45.17±0.20）分，模型2總分（45.33±0.57）分，也達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)以上且兩者相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.447，P=0.686）。 結(jié)論 CTU+CTA聯(lián)合成像可提高三維重建及3D打印的精度，3D打印腎臟模型對(duì)腎癌手術(shù)規(guī)劃及術(shù)前溝通可提供較好的幫助。

[關(guān)鍵詞] 3D打印;體層攝影尿路成像+血管造影;腎癌;腹腔鏡腎部分切除術(shù)

[中圖分類號(hào)] R4 ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] 1674-0742（2020）04（c）-0183-04

Application of CTU + CTA Combined Imaging and 3D Printing in Laparoscopic Partial Nephrectomy

CHEN Yi-ming， SONG Guang-lai， WANG Kun， CHEN Zhen， XING Zhao-yu， DING Tao

Department of Urology， Changzhou First People's Hospital， Changzhou， Jiangsu Province， 213000 China

[Abstract] Objective To compare the accuracy difference between 3D reconstruction images of CTU + CTA combined imaging and conventional CT plain scan + enhancement， and evaluate the 3D printed kidney model after CTU + CTA image reconstruction in the surgical planning and preoperative communication of laparoscopic nephrectomy value. Methods Two renal cancer patients admitted between June and July 2018 were examined by CTU + CTA before surgery， CT images were collected， and 5 cases of kidneys admitted to hospital between January and June 2018 were retrospectively collected. Pre-operative CT plain scan + enhanced image of cancer patients， 3D reconstruction of the acquired images， comparison of the degree of reduction of kidney and tumor details. Then use CTU + CTA 3D modeling for 3D printing to evaluate the degree of 3D printed model restoration， help for surgical planning， and help for preoperative communication. Results The three-dimensional reconstruction images of CTA+CTU had higher scores on the scores of tumor invasion system， kidney morphology， and renal vascular branch than CT plain scan + enhanced three-dimensional reconstruction images. There was a significant statistical difference between the two groups （t=15.611， P<0.001）. The 3D printed kidney model scored （40.38±1.49）by Model 1 and （41.13±1.93）by Model 2. After reaching the eligibility criteria， there was no significant difference between the two （t=0.615， P=0.516）. 3D printing preoperative communication score of kidney model was （45.17±0.20）points in Model 1 and （45.33±0.57）points in Model 2. It also reached the eligibility criteria and there was no significant difference between the two（t=0.447，P=0.686）. Conclusion CTU + CTA combined imaging can improve the accuracy of 3D reconstruction and 3D printing. The 3D printed kidney model can provide better help for renal cancer surgery planning and preoperative communication.

[Key words] 3D printing tomography urinary tract imaging + angiography; Renal cancer; Laparoscopic partial nephrectomy; Excision

3D打印是近年快速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，隨著3D打印技術(shù)的成熟，其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用也快速發(fā)展。由于3D打印具有準(zhǔn)確性和定制化的特點(diǎn)，其在外科中的作用范圍廣泛。在泌尿外科腎臟腫瘤診療中應(yīng)用3D打印技術(shù)國內(nèi)外都有報(bào)道，國內(nèi)進(jìn)行腎臟模型3D打印大多采用CT平掃+增強(qiáng)圖像進(jìn)行重建，也有部分使用CTU圖像進(jìn)行重建，打印使用材料多為熱塑性塑料，應(yīng)用于術(shù)前手術(shù)規(guī)劃和醫(yī)患溝通。打印模型外形令人滿意，但也存在材料質(zhì)地較硬、腎臟分支血管和集合系統(tǒng)細(xì)節(jié)顯示不佳等不足[1-3]。

該研究旨在將3D打印在腎臟腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)和拓展，選取2018年6—7月入院的2例腎腫瘤患者進(jìn)行研究，并回顧性收集了2018年1—6月收治的5例腎腫瘤患者CT圖像進(jìn)行對(duì)比。該項(xiàng)目三維重建基于CTU+CTA結(jié)合的圖像進(jìn)行重建，利用3D打印機(jī)使用硅膠對(duì)模型進(jìn)行三維成形，依托CTU+CTA圖像對(duì)血管和集合系統(tǒng)清晰的顯像，使得血管和集合系統(tǒng)能夠更為精準(zhǔn)地進(jìn)行建模。同時(shí)應(yīng)用3種不同顏色的材料對(duì)腎臟動(dòng)靜脈、集合系統(tǒng)及腫瘤進(jìn)行打印，避免了后期人工涂色產(chǎn)生誤差。3D打印的腎臟模型成品將在術(shù)前應(yīng)用于手術(shù)規(guī)劃，由于材質(zhì)有一定的柔軟度，可進(jìn)行手術(shù)切除腫瘤和縫合的體外模擬操作，進(jìn)一步增加手術(shù)的熟練度、減少腎臟缺血時(shí)間同時(shí)減少手術(shù)可能的并發(fā)癥。同時(shí)，將模型應(yīng)用于術(shù)前談話便于患者更好地理解手術(shù)方案和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，增加對(duì)醫(yī)生的信任。

1 ?資料與方法

1.1 ?一般資料

選取該院新收治的兩名腎腫瘤患者，術(shù)前行CTA+CTU檢查，采集CT圖像。同時(shí)回顧性采集近期該院收治的5例腎腫瘤患者其術(shù)前腹部CT平掃+增強(qiáng)圖像，使用Mimics 19.0軟件對(duì)掃描圖像進(jìn)行三維重建。通過對(duì)比三維重建圖像與術(shù)后切除標(biāo)本或標(biāo)本照片對(duì)比進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估指標(biāo)包括腫瘤大小、位置、侵犯集合系統(tǒng)情況、腎臟形態(tài)、腎臟血管分支情況共5項(xiàng)，每項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分1～10分，由完全不符合到完全符合，由泌尿外科專家（副主任醫(yī)師以上，腹腔鏡下腎切除手術(shù)>50例）4人進(jìn)行打分。通過最終評(píng)分對(duì)比評(píng)估CTA+CTU與普通CT平掃+增強(qiáng)對(duì)腎臟三維重建的效果。

1.2 ?3D打印腎臟模型在腎癌術(shù)前評(píng)估及溝通中的應(yīng)用

①3D打印腎臟模型的建立。利用采集的CTA+CTU圖像進(jìn)行三維重建，將三維重建后生成的STL格式數(shù)據(jù)文件直接輸出至PolyJet OBJET260三維打印機(jī)，使用類硅膠材料TangoPlus對(duì)模型進(jìn)行三維成形。打印完成的腎臟呈四種顏色，集合系統(tǒng)呈黃色，腎動(dòng)脈呈粉紅色，腎靜脈呈橙色，腎腫瘤呈深紅色，正常腎實(shí)質(zhì)呈半透明不著色。

②3D打印腎臟模型同行專家評(píng)價(jià)。將腎臟3D打印模型給同行專家進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)采用問卷的形式，由泌尿外科專家（副主任醫(yī)師以上，腹腔鏡下腎切除手術(shù)>50例）4人結(jié)合術(shù)前影像學(xué)檢查結(jié)果進(jìn)行打分。問卷設(shè)計(jì)：模型的總體評(píng)價(jià);對(duì)腎臟腫瘤位置、大小、形態(tài)等的反映程度;對(duì)腫瘤與腎臟動(dòng)靜脈、集合系統(tǒng)關(guān)系的反映程度;腎臟質(zhì)地的還原程度;對(duì)手術(shù)規(guī)劃的幫助程度。各項(xiàng)評(píng)分由不滿意/沒有幫助到非常滿意/非常有幫助劃分為1～10分。打分參考既往的研究結(jié)果以平均得分37.5分以上為合格。

③3D打印腎臟模型術(shù)前溝通應(yīng)用。手術(shù)醫(yī)師在術(shù)前與患者及家屬進(jìn)行術(shù)前溝通談話時(shí)應(yīng)用3D打印腎臟模型，談話結(jié)束后采用問卷形式評(píng)估患者及家屬對(duì)術(shù)前溝通應(yīng)用3D打印模型的評(píng)價(jià)。問卷設(shè)計(jì)：術(shù)前談話整體滿意度;對(duì)腎臟基本形態(tài)及構(gòu)造的理解程度;病變位置及大小的了解程度;病變與周圍血管及集合系統(tǒng)關(guān)系了解程度;手術(shù)方案及并發(fā)癥理解程度。各項(xiàng)評(píng)分由不了解/不滿意到完全了解/非常滿意劃分為1～10分。打分參考既往的研究結(jié)果以平均得分45.0分以上為合格。

1.3 ?統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料采用（x±s）表示。各項(xiàng)觀察指標(biāo)采用t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 ?結(jié)果

2.1 ?CTA+CTU與CT平掃+增強(qiáng)三維重建

CTA+CTU三維重建圖像與傳統(tǒng)CT平掃+增強(qiáng)三維重建圖像對(duì)比見圖1，CTA+CTU三維重建圖像對(duì)腫瘤侵犯集合系統(tǒng)情況、腎臟形態(tài)、腎臟血管分支等評(píng)分項(xiàng)目中得分高于CT平掃+增強(qiáng)三維重建圖像，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表1。

2.2 ?3D打印腎臟模型細(xì)節(jié)情況

3D打印腎臟模型細(xì)節(jié)詳見圖2及圖3，模型中血管及集合系統(tǒng)分色清晰，界線清楚，腫瘤大小深度及與集合系統(tǒng)關(guān)系清晰可見，動(dòng)靜脈之間為保持與實(shí)際相符的距離用粉紅色材料打印圓柱形支架條隔開。

2.3 ?3D打印腎臟模型專家評(píng)價(jià)

3D打印腎臟模型經(jīng)4名專家評(píng)分后結(jié)果模型1總分40.38±1.49分，模型2總分41.13±1.93分，兩者之間相比各項(xiàng)目及總和評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表2。

2.4 ?3D打印腎臟模型在術(shù)前溝通應(yīng)用評(píng)價(jià)

3D打印腎臟模型經(jīng)患者及各兩名家屬評(píng)分后結(jié)果模型1總分（45.17±0.20）分，模型2總分（45.33±0.57）分，兩者之間相比各項(xiàng)目及總和評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表3。

3 ?討論

腎細(xì)胞癌作為泌尿系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一，早期手術(shù)治療為治療首選，而近年來保留腎單位的腎腫瘤切除術(shù)在腎癌手術(shù)中的占比正逐漸升高。保留腎單位的腫瘤切除術(shù)不僅對(duì)手術(shù)者提出了更高的技術(shù)要求，也對(duì)術(shù)前腫瘤的預(yù)估和手術(shù)的規(guī)劃提出了更高的要求。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，其特點(diǎn)就是個(gè)性化定制和高精度還原，而隨著可用于打印的材料越來越多，3D打印的還原程度得到了進(jìn)一步的提升，因此其在醫(yī)學(xué)中尤其是外科手術(shù)中的應(yīng)用也越來越廣泛[4-7]。在泌尿外科腎臟腫瘤診療中應(yīng)用3D打印技術(shù)國內(nèi)外都有報(bào)道，Zhang Y等將腎臟3D打印應(yīng)用于手術(shù)前與患者溝通，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印腎臟模型在溝通中起到了重要的作用，患者及其家屬從直觀的模型中認(rèn)識(shí)了腎臟和腎門血管的結(jié)構(gòu)，理解了手術(shù)的目的和風(fēng)險(xiǎn)[8]。Glybochko PV等將3D打印腎臟用于泌尿外科腎腫瘤手術(shù)規(guī)劃與模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的通過CT掃描來觀察腎臟，3D打印腎臟更為直觀，明顯提高了受訓(xùn)者腎部分切除手術(shù)技巧，使得手術(shù)者能為患者選擇最佳的手術(shù)策略[9]。葛宏偉等對(duì)10例腎腫瘤患者其腎腫瘤進(jìn)行3D打印，并通過后期著色的方法區(qū)分腎組織、腫瘤組織、腎門血管及集合系統(tǒng)，通過泌尿外科專家對(duì)3D打印模型準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)將腎臟3D打印模型用于術(shù)前溝通，結(jié)果表明腎臟3D打印模型能夠很好地顯示腫瘤與腎臟的關(guān)系，并可以有效幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，還可以用作與患者交流的工具，使醫(yī)患溝通變得順暢[1]。曹志強(qiáng)同樣應(yīng)用腎臟3D打印模型于手術(shù)規(guī)劃和術(shù)前溝通和宣教，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印腎臟模型有利于改善患者對(duì)手術(shù)的認(rèn)知以及術(shù)者術(shù)前確切規(guī)劃、術(shù)中精準(zhǔn)切除、術(shù)后確保療效[2]。黃建榮等[3]將3D打印腎臟模型應(yīng)用于模擬手術(shù)指導(dǎo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印模型指導(dǎo)的手術(shù)組其手術(shù)時(shí)間、血流阻斷時(shí)間、出血量、術(shù)后恢復(fù)情況均要優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)組。王振龍等通過3D打印或CT三維重建指導(dǎo)下應(yīng)用腫瘤四點(diǎn)定位法切除完全內(nèi)生型腎臟腫瘤取得了較好的效果，說明3D打印模型指導(dǎo)下的四點(diǎn)定位法，具有腫瘤定位準(zhǔn)確、切除完整、圍手術(shù)期并發(fā)癥發(fā)生率低的優(yōu)點(diǎn)[4-10]。此外還有越來越多的研究將3D打印技術(shù)應(yīng)用于后腹腔鏡下腎部分切除術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印模型輔助后可顯著縮短手術(shù)時(shí)間及腎蒂阻斷時(shí)間，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[11-13]。

該研究通過將CTU聯(lián)合CTA圖像進(jìn)行三維重建，提升了腎臟三維重建的精準(zhǔn)度，尤其對(duì)于腎臟動(dòng)靜脈及集合系統(tǒng)的還原程度要優(yōu)于使用傳統(tǒng)CT平掃+增強(qiáng)圖像進(jìn)行重建的模型，而建模精準(zhǔn)度的提升又使得3D打印后成品模型的精準(zhǔn)度同步提升，實(shí)體化的腎臟模型比三維重建的虛擬模型能夠更好地理解個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，對(duì)醫(yī)患之間溝通和理解提供了更好地工具，同時(shí)在3D打印材質(zhì)上的改進(jìn)為應(yīng)用3D打印模型進(jìn)行模擬手術(shù)提供了必要的條件。對(duì)比既往對(duì)腎臟3D打印模型評(píng)估問卷結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，以往對(duì)模型整體評(píng)價(jià)、腫瘤還原程度及腎臟血管集合系統(tǒng)還原的評(píng)分分別為（7.8±0.7）分、（7.3±0.5）分和（6.0±0.6）分，該次研究兩個(gè)模型的評(píng)分則分別為（8.13±0.63）分、（8.38±0.48）分、（7.88±0.25）分和（8.50±0.57）分、（8.25±0.29）分、（8.13±0.25）分，均較既往研究有了較大的提升，表明CTA+CTU三維重建精度顯著提升。而對(duì)于模型對(duì)手術(shù)規(guī)劃的作用，對(duì)比既往研究發(fā)現(xiàn)，兩項(xiàng)不同的研究中，3D打印模型對(duì)手術(shù)方案規(guī)劃的評(píng)分分別為（8.0±1.1）分及（5.7±2.5）分，該次研究兩個(gè)模型的評(píng)分則分別為（8.38±0.47）分及（8.50±0.57）分，也是要優(yōu)于既往的研究的，表明模型精度的提升使得其對(duì)手術(shù)規(guī)劃的作用越來越顯著。但是該次研究限于經(jīng)費(fèi)和時(shí)間原因，僅僅構(gòu)建了兩個(gè)3D打印模型，并且未能進(jìn)一步利用3D打印模型進(jìn)行模擬手術(shù)，在進(jìn)一步的研究中，將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大樣本量，同時(shí)將模型固定于腹腔鏡模擬器中進(jìn)行模擬手術(shù)。

綜上所述，3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展使得其必將對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)帶來巨大的幫助和變革，3D打印模型精度的提升和材質(zhì)的變革使其有望成為改進(jìn)泌尿外科腎癌手術(shù)認(rèn)知和規(guī)劃的較好的輔助工具。

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（收稿日期：2020-01-04）