基于計(jì)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

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院婦產(chǎn)科，遼寧沈陽110004

基于計(jì)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

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院婦產(chǎn)科，遼寧沈陽110004

目的探索基于計(jì)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(gè)體化的手術(shù)方案、指導(dǎo)手術(shù)路徑及評(píng)估預(yù)后提供更加全面、直觀的影像學(xué)信息。方法對(duì)證實(shí)為盆部原發(fā)腫瘤患者行動(dòng)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(jì)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(dòng)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(duì)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(shí)反映腫瘤與鄰近結(jié)構(gòu)的解剖關(guān)系，對(duì)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(tái)提供幫助。

三維模型重建；盆部原發(fā)腫瘤；CT血管成像

盆部原發(fā)性腫瘤是指起源于盆部?jī)?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(duì)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(jì)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(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)于盆部原發(fā)腫瘤影像學(xué)表現(xiàn)大多為個(gè)案報(bào)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(bào)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(shì)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(guó)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(shí)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(jì)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(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)。

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(duì)應(yīng)的解剖方位，轉(zhuǎn)換為指定的MCS格式，在Mimics軟件中自動(dòng)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(gè)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(huì)自動(dòng)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(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)過區(qū)域增長(zhǎng)，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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)、3D計(jì)算便可建立骨骼及動(dòng)脈的三維模型。再運(yùn)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(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)，經(jīng)區(qū)域增長(zhǎng)，便可生成不含骨性結(jié)構(gòu)的孤立動(dòng)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(zhǎng)分割出皮膚及皮下脂肪，對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(duì)于較粗大的突出可以用面切割，而對(duì)于較細(xì)的邊緣可用曲線切割進(jìn)行圖像處理，以減少點(diǎn)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)倪吘壗嵌取⒌螖?shù)和公差，以對(duì)圖像進(jìn)行第一次平滑的修正。修正后的圖形表面，實(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)，實(shí)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(duì)腫瘤的直徑、體積等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并可通過計(jì)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。

表1 13例患者病理、CT、三維解剖關(guān)系

通過手術(shù)證實(shí)，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(duì)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(shí)了術(shù)前的診斷，腫瘤切除完整。總的來說，基于CTA的盆部原發(fā)腫瘤的三維模型重建具有實(shí)用強(qiáng)、可操作性高的優(yōu)勢(shì)。其可以詳實(shí)、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(shí)施侵入性操作前對(duì)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(shí)，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(shí)，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(tái)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(guó)人男性一號(hào)”[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(duì)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(shí)人體結(jié)構(gòu)，故臨床應(yīng)用價(jià)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(duì)盆部病變?cè)\斷準(zhǔn)確率較高，但該方法檢查時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)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(duì)典型CT表現(xiàn)進(jìn)行分析后還可對(duì)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(duì)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(zhǎng)過快而對(duì)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(yàn)及平面的影響資料虛構(gòu)腫瘤的形態(tài)，缺乏生動(dòng)、直觀的影像信息支持。

另外對(duì)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(shí)間長(zhǎng)，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(yàn)。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(duì)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(shí)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(cè)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(shí)盆部原發(fā)腫瘤的解剖結(jié)構(gòu)；同時(shí)，數(shù)字化模型的無限次使用的特點(diǎn)可幫助學(xué)生模擬活體狀態(tài)下腫瘤的真實(shí)狀況，進(jìn)行虛擬操作，減少動(dòng)物模型的浪費(fèi)，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(shí)解剖的不足，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)材料的完善和補(bǔ)充，為年輕醫(yī)師的成長(zhǎng)提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

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The reconstruction of digital three-dimensional model based on computed tomography angiographic data and its application in the primary extraorganic tumors in pelvis

ZHANG PeihaiXIA ZhijunLIU Huiting
Department of Obstetrics and Gynecology,the Affiliated Shengjing Hospital of China Medical University,Liaoning Province,Shenyang110004,China

Objective To establish a method to reconstruct a digital three-dimensional(3D)model of the extra-organic primary tumors in pelvis and the surrounding structures based on computed tomography angiographic(CTA)data,which aims at providing comprehensive and visual imaging information for pre-operation diagnosis,individual operation plan, operation route choice and prognosis assessment.Methods The patients,who were diagnosed to have pelvic primary tumors,were scanned by 64-slice spiral CT during the arterial phase and venous phase.The digital three-dimensional models were reconstructed by using Mimics software 10.01 based on the images obtained by Dicom 3.0 standard CT. Results The 3D models of tumors and the surrounding structures,including pelvis,pelvic artery,tumor,uterus,bladder, bowl,skin and subcutaneous tissue were reconstructed.They were definitely identical with the real human anatomy structures.Conclusion The applications of multi-slice spiral CT angiography,Dicom 3.0 standard CT as well as Mimics software 10.01 provide an effective and accurate way to establish digital models,which are of great importance in diagnosing and curing the extra-organic primary pelvic tumors.Moreover,these models may play important parts in surgical skills training and pelvic anatomy learning.

3-Dimensional modeling;Primary pelvic tumors;Computed tomography angiography

R733

B

1673-7210（2014）01（a）-0086-04

2013-09-05本文編輯：張瑜杰）

遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)2012225017）。