基于計算機(jī)斷層血管造影的盆部原發(fā)腫瘤三維模型重建及臨床應(yīng)用

張培海 夏志軍 劉慧婷

[摘要] 目的 探索基于計算機(jī)斷層血管造影（CTA）二維圖像的盆部原發(fā)腫瘤及其周圍結(jié)構(gòu)的三維模型重建方法，為術(shù)前明確診斷、制訂個體化的手術(shù)方案、指導(dǎo)手術(shù)路徑及評估預(yù)后提供更加全面、直觀的影像學(xué)信息。 方法 對證實為盆部原發(fā)腫瘤患者行動靜脈期64排螺旋CT掃描，形成格式為標(biāo)準(zhǔn)Dicom 3.0的CT連續(xù)斷層圖像，利用計算機(jī)三維圖像重建軟件Mimics建立盆部原發(fā)腫瘤及其周圍結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化模型。 結(jié)果 該方法的使用，可成功建立活體盆部原發(fā)腫瘤及其周圍結(jié)構(gòu)的三維模型，包括骨盆、盆部動脈、瘤體、子宮、膀胱、腸管、皮膚及皮下軟組織，從而從解剖上完全還原其相對結(jié)構(gòu)。 結(jié)論 多排螺旋CT 掃描技術(shù)、血管造影及Dicom 3.0標(biāo)準(zhǔn)格式的應(yīng)用使模型的建立更為精確、方便。該模型可以真實反映腫瘤與鄰近結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，對于盆部原發(fā)腫瘤的診療具有重要指導(dǎo)意義；另外，該數(shù)字化模型可為盆部解剖結(jié)構(gòu)的教學(xué)及手術(shù)培訓(xùn)提供詳盡的資料，為建立可視化醫(yī)療教學(xué)平臺提供幫助。

[關(guān)鍵詞] 三維模型重建；盆部原發(fā)腫瘤；CT血管成像

[中圖分類號] R733 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B [文章編號] 1673-7210（2014）01（a）-0086-04

盆部原發(fā)性腫瘤是指起源于盆部內(nèi)器官以外組織的原發(fā)腫瘤[1]，早期癥狀多不明顯，無特異臨床體征，術(shù)前誤診率較高。盆腔內(nèi)器官、組織較多，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生于盆部的腫瘤常擠壓、包繞或侵犯鄰近解剖結(jié)構(gòu)，因此，術(shù)前的影像學(xué)檢查，尤其是CT增強(qiáng)掃描，有助于對病灶進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和定性分析，并有利于判斷其累及周圍臟器的范圍和程度，進(jìn)而可幫助臨床醫(yī)師選擇最優(yōu)的治療方案，制訂合理的手術(shù)計劃[2]。三維醫(yī)學(xué)圖像可視化在近10年間得到了極其廣泛的應(yīng)用[3-5]，其在解剖結(jié)構(gòu)可視化、手術(shù)規(guī)劃與模擬、放射治療等方面均具有重要意義。而目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)對于盆部原發(fā)腫瘤影像學(xué)表現(xiàn)大多為個案報道，或僅為單純的影像表現(xiàn)分析[6-9]，尚無關(guān)于盆部原發(fā)腫瘤三維重建模型的系統(tǒng)報道。本文旨在闡述利用三維重建軟件，將多排螺旋CT獲得的連續(xù)斷層圖像重建成三維數(shù)字化模型的方法及其在介入、保守及手術(shù)治療方案選擇方面的應(yīng)用，并就其在手術(shù)可行性的分析、手術(shù)切口及路徑的選擇、介入及保守治療方案的制定等方面的優(yōu)勢進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集2010年3月～2013年3月因盆部腫瘤收入中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院并且接受手術(shù)切除治療的患者。術(shù)前1周行64排螺旋增強(qiáng)CT掃描，掃描前未行栓塞及穿刺活檢等其他侵入性檢查和治療；術(shù)后病理均證實為盆部原發(fā)性腫瘤，手術(shù)記錄完整。經(jīng)篩選，符合上述條件的患者共計13例患者，平均年齡44歲，其中侵襲性血管黏液瘤3例，平滑肌瘤1例，良性畸胎瘤3例，神經(jīng)鞘瘤2例，脂肪肉瘤1例，平滑肌肉瘤2例，血管肌纖維母細(xì)胞瘤1例。2例患者為體檢發(fā)現(xiàn)，就診時未訴明顯異常；其余11例患者均表現(xiàn)為腹痛、腰痛、排尿困難、大便變形等非特異性癥狀。

1.2 掃描參數(shù)及數(shù)據(jù)保存

本研究所用圖像為采用東芝Aquilion one 64排螺旋CT設(shè)備對患者進(jìn)行掃描后所得，掃描范圍為第3腰椎與第4腰椎之間平面至股骨中上部，掃描方式為沿橫斷面在動脈期及靜脈期連續(xù)跟蹤掃描，掃描條件為選擇軟組織窗，管電壓120 kV，電流采用自動毫安秒，掃描層厚0.5 mm，掃描層距0.5 mm；造影劑注射方式為經(jīng)右側(cè)肘前靜脈以5 mL/s流率用雙筒高壓注射器注射優(yōu)維顯（370 mgI/mL）80 mL，再以3.0 mL/s流率靜脈注射0.9%生理鹽水30 mL。原始數(shù)據(jù)重建的層厚0.5 mm，間隔0.5 mm，矩陣512×512。掃描數(shù)據(jù)以Dicom 3.0標(biāo)準(zhǔn)格式直接存儲。

1.3 方法

1.3.1 二維圖像的導(dǎo)入及定位 首先將所有Dicom 格式的二維原始圖像導(dǎo)入Mimics中，選取相對應(yīng)的解剖方位，轉(zhuǎn)換為指定的MCS格式，在Mimics軟件中自動形成盆腔冠狀面、矢狀面和垂直面的三視圖，此過程中，可根據(jù)需要，選擇其中一個視圖進(jìn)行處理。

1.3.2 骨性結(jié)構(gòu)數(shù)字模型的建立 骨組織的閾值為226～3071 Hu[10]，利用tool里的profile line功能可精確確定閾值的范圍，Mimics軟件會自動選取所有該閾值內(nèi)的全部圖像。然后使用編輯功能去除無關(guān)的邊緣雜點和冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)過區(qū)域增長，進(jìn)一步完善選區(qū)。最后利用calculate 3D功能構(gòu)建出腰椎、骨盆及股骨等骨骼結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字模型。

1.3.3 動脈數(shù)字模型的建立 由于CTA血管造影技術(shù)已利用高密度造影劑使動脈顯影，故可將血管的閾值界定在193～3071 Hu之間。再經(jīng)區(qū)域增長、3D計算便可建立骨骼及動脈的三維模型。再運用Mimics軟件中的Boolean operations功能，剪除骨骼結(jié)構(gòu)的三維模型，并使用二維圖像編輯功能去除無關(guān)邊緣雜點和冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)區(qū)域增長，便可生成不含骨性結(jié)構(gòu)的孤立動脈數(shù)字模型。

1.3.4 皮膚及皮下脂肪數(shù)字模型的建立 首先將皮膚的閾值界定在-718～-177 Hu之間，界定脂肪的閾值在-205～-51 Hu之間，經(jīng)區(qū)域增長分割出皮膚及皮下脂肪，對于兩者重合的部分，通過二維圖像的編輯處理，去除無關(guān)邊緣雜點和冗余數(shù)據(jù)，用Mimics三維修改工具優(yōu)化分割出的三維數(shù)字模型。

1.3.5 膀胱、子宮、腸管及瘤體數(shù)字模型的建立 膀胱、子宮、腸管及瘤體的水平位顯示良好，界線清楚，在軟組織窗的二維圖像中分別手動分割出膀胱、腸管及瘤體，子宮于矢狀位與周圍組織解剖明確，需要加工的數(shù)據(jù)量少，二維圖像上分割出子宮，經(jīng)編輯處理，建立膀胱、子宮、腸管及瘤體三維數(shù)字模型。

1.3.6 三維圖像的后期處理 新建的三維圖像比較粗糙，可以通過軟件自帶的模擬切割功能進(jìn)行美化，對于較粗大的突出可以用面切割，而對于較細(xì)的邊緣可用曲線切割進(jìn)行圖像處理，以減少點及邊緣的角度從而使邊緣平滑。在進(jìn)行后期處理的過程中，首先應(yīng)當(dāng)設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吘壗嵌?、迭代次?shù)和公差，以對圖像進(jìn)行第一次平滑的修正。修正后的圖形表面，實際上是由許多三角平面構(gòu)成的，然后將處理好的三維圖像導(dǎo)入有限元分析中，通過使用軟件提供的減少三角形面片的功能，并適當(dāng)?shù)脑O(shè)置各個參數(shù)，以優(yōu)化三角面片。最后通過Remesh功能，去除非等邊三角形，再將處理完的三維圖形導(dǎo)入Mimics軟件，依據(jù)不同部位的灰度值建立灰度與密度的關(guān)系，從而將模型的各部分賦以材質(zhì)，至此，真正的三維實體模型便建立起來了[11]。

2 結(jié)果

通過上述方法，成功建立了盆部原發(fā)腫瘤及周圍結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型，幾何外型逼真，視覺效果良好，直觀生動，實體感強(qiáng)，并可以根據(jù)觀察需要進(jìn)行任意切割組合（圖1～9，見封三），并可更改偽彩、透明度及大小。另外利用3D工具可以對腫瘤的直徑、體積等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并可通過計算得知腫瘤與周圍任意結(jié)構(gòu)的位置的定量關(guān)系，如腫瘤與皮膚、血管的距離及所成角度等。本研究所收集的13例盆部原發(fā)腫瘤患者的病理類型、增強(qiáng)CT表現(xiàn)、空間解剖關(guān)系詳見表1。

通過手術(shù)證實，所有腫瘤的大小、走向、和血管的關(guān)系等基本與術(shù)前模型提供的信息一致。三維模型清晰地顯示了腫瘤與周圍血管及器官的解剖關(guān)系，在術(shù)前對腫瘤的相關(guān)數(shù)據(jù)完成采集，從而幫助臨床醫(yī)師選擇合適的手術(shù)入路，并推演手術(shù)過程可能遇到的問題，制訂更加完善的手術(shù)方案。

另外由于重建模型的三維立體效果，操作者可通過觀察重建模型的走向、與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，大致判斷腫瘤與腹膜的關(guān)系及腫瘤根部所在。本研究中3例侵襲性血管黏液瘤及1例平滑肌瘤患者，經(jīng)三維模型重建后提示腫瘤位于腹膜外位，治療方案選擇腹膜外探查術(shù)，術(shù)中證實了術(shù)前的診斷，腫瘤切除完整?？偟膩碚f，基于CTA的盆部原發(fā)腫瘤的三維模型重建具有實用強(qiáng)、可操作性高的優(yōu)勢。其可以詳實、準(zhǔn)確地顯示腫瘤與周圍組織結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，幫助臨床醫(yī)師在實施侵入性操作前對活體狀態(tài)下的腫瘤組織、腫瘤周邊血供情況及腫瘤基底部情況形成直觀的認(rèn)識，從而協(xié)助其優(yōu)化手術(shù)方案，并充分保護(hù)盆部重要器官及大血管。同時，該模型可清晰顯示盆部各器官及組織結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，并可從任意角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及縮放觀察，另外，Mimics所提供的export功能還可將重建模型輸出為AVI格式的視頻資料，從而為建立數(shù)字化教學(xué)平臺提供可視化教學(xué)資源。

3 討論

3.1 基于CTA的盆部原發(fā)腫瘤三維重建的可行性

目前，用于人體器官的三維重建的影像材料一般通過以下方法獲?。孩贆C(jī)械切削組織切片的掃描影像；②CT斷層數(shù)據(jù)；③MRI斷層數(shù)據(jù)。例如，“虛擬中國人男性一號”[12]，就是利用切片組織的掃描影像進(jìn)行三維重建的，但這種方法所獲取的彩色圖片不能直接用于重建，標(biāo)本切割及圖像采集過程對硬件要求極高，信息處理量繁重，成本昂貴，且尸體標(biāo)本難以還原真實人體結(jié)構(gòu)，故臨床應(yīng)用價值不高。Balan[13]的研究表明，MRI具有良好的軟組織分辨率和多平面成像能力，對盆部病變診斷準(zhǔn)確率較高，但該方法檢查時間長，且對體內(nèi)有金屬植入的患者禁忌，故也有一定的局限性。然而，增強(qiáng)CT的組織分辨率接近于MRI[13]，亦可提供腫瘤的位置及與周邊臟器、血管等毗鄰關(guān)系等信息，且經(jīng)過對典型CT表現(xiàn)進(jìn)行分析后還可對腫瘤性質(zhì)進(jìn)行初步判斷[14]。近年來，隨著增強(qiáng)CT在臨床中應(yīng)用日益增多，及醫(yī)學(xué)圖像獲取[15-16]及可視化技術(shù)的快速發(fā)展，基于CT影像的醫(yī)學(xué)建模方法已成為骨骼三維模型重建中的主流[17]。故與其他兩種圖像采集模式相比，基于CTA的盆部原發(fā)腫瘤的三維重建在臨床中有著更廣泛的應(yīng)用。

3.2 三維模型重建對盆部原發(fā)腫瘤診療的意義

盆部原發(fā)腫瘤起病隱匿，早起癥狀不典型，患者常因無自覺不適而延誤就診，故此類腫瘤通常體積較大[18]，而且其病理類型復(fù)雜，以惡性居多，多可因生長過快而對周圍器官產(chǎn)生壓迫及推擠，使盆部器官及組織失去正常的結(jié)構(gòu)及解剖位置關(guān)系。此外，盆部原發(fā)腫瘤形態(tài)各異，組織起源不明，與周圍組織關(guān)系不清，術(shù)前多難以明確診斷。手術(shù)醫(yī)師僅能夠依靠臨床經(jīng)驗及平面的影響資料虛構(gòu)腫瘤的形態(tài)，缺乏生動、直觀的影像信息支持。

另外對于該類疾病的診療缺乏有效的輔助檢查，臨床上多以探查手術(shù)為主，包括開腹探查、陰式探查、骶尾入路探查及開腹與陰式聯(lián)合等。眾所周知，探查術(shù)切口大，目的性差，病灶尋找困難，手術(shù)切除范圍不清，手術(shù)時間長，出血多，副損傷大，而且手術(shù)成敗很大程度上依賴于術(shù)者經(jīng)驗。此類患者術(shù)后往往由于未能自根部完整切除腫瘤，而短期復(fù)發(fā)，預(yù)后欠佳。

盆部原發(fā)腫瘤的三維數(shù)字模型可在術(shù)前提供：腫瘤的位置、形態(tài)、與周圍組織血管的空間關(guān)系。操作者通過精確地腫瘤重建，對可能存在的盆部組織解剖變異進(jìn)行清晰的呈現(xiàn)，協(xié)助臨床醫(yī)師確定手術(shù)最佳的路徑及切口的位置，推演術(shù)中可能遇到的問題，明確腫瘤根部所在，從而確定切除范圍。最終幫助術(shù)者決定最佳的治療方案，避免盲目的探查手術(shù)，減少不必要的損傷、出血，縮短手術(shù)時間。

3.3 盆部原發(fā)腫瘤重建的教學(xué)及科研意義

基于CTA的盆部原發(fā)腫瘤及其周圍結(jié)構(gòu)的三維重建，使活體狀態(tài)下透視腫瘤成為可能。該模型具有明顯的三維立體感，可根據(jù)操作的需要，調(diào)整模型的透明度，并可進(jìn)行自由切割，測量腫瘤與任意位置的距離，全程觀察血管走向、分支情況，以幫助人們認(rèn)識盆部原發(fā)腫瘤的解剖結(jié)構(gòu)；同時，數(shù)字化模型的無限次使用的特點可幫助學(xué)生模擬活體狀態(tài)下腫瘤的真實狀況，進(jìn)行虛擬操作，減少動物模型的浪費，從而克服了傳統(tǒng)解剖教學(xué)的空洞枯燥及病態(tài)條件下難以還原人體真實解剖的不足，是對傳統(tǒng)教學(xué)材料的完善和補(bǔ)充，為年輕醫(yī)師的成長提供了一個良好的學(xué)習(xí)平臺。

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（收稿日期：2013-09-05 本文編輯：張瑜杰）