基于CT多期圖像融合構(gòu)建3D打印重復(fù)腎模型的應(yīng)用

胡立偉，孫杰，鐘玉敏，姚曉芬，劉金龍，邱海嵊，朱銘

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心 a.影像診斷中心；b.泌尿外科，上海 200127；2.上海市兒童先天性心臟病研究所，上海 200127

基于CT多期圖像融合構(gòu)建3D打印重復(fù)腎模型的應(yīng)用

胡立偉1a，孫杰1b，鐘玉敏1a，姚曉芬1a，劉金龍2，邱海嵊1a，朱銘1a

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心 a.影像診斷中心；b.泌尿外科，上海 200127；2.上海市兒童先天性心臟病研究所，上海 200127

目的本研究通過多期CT增強腹部圖像構(gòu)建3D打印模型，探討3D打印重復(fù)腎畸形模型的臨床價值。方法對1例8個月的右腎輸尿管重復(fù)畸形的患者行64排多期增強CT掃描后基于迭代算法重建；通過將CT的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS 17.0軟件；分別提取動脈期的腎動脈圖像，實質(zhì)期的腎臟圖像，延時期的膀胱、輸尿管圖像；根據(jù)CT值的不同來分割圖像之后對感興趣區(qū)域做圖像后重建處理生成STL文件數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)導(dǎo)入OBJET 260 3D打印機后即完成建模過程。結(jié)果通過不同掃描期相圖像融合構(gòu)建3D模型，同一個模型中觀察動脈、腎臟、輸尿管、膀胱的解剖結(jié)構(gòu)空間關(guān)系。3D模型在重復(fù)腎切除和輸尿管病損切除時有重要的意義。結(jié)論基于多期相CT3D打印的模型是一個非常重要的方法協(xié)助診斷和治療重復(fù)腎畸形。

3D打印技術(shù)；圖像分割；重復(fù)腎；腎畸形；CT成像

引言

重復(fù)腎輸尿管畸形是胚胎時期腎輸尿管發(fā)生異常，是一種相對少見的泌尿系統(tǒng)先天性畸形，其發(fā)病率約為0.8%[1]。胚胎時期，由中腎管突出的輸尿管芽逐漸上升，其上端進入生腎組織分為兩支腎大盞，生腎組織包蓋著它們。輸尿管芽是從泄殖腔腹部發(fā)生，中腎管亦開口其中，以后輸尿管口移向膀胱三角兩側(cè)開口[2]。在輸尿管發(fā)育上升的過程中發(fā)生紊亂，發(fā)育停滯障礙等，就造成各種各樣的輸尿管先天異常，輸尿管重復(fù)畸形總是合并腎盂的重復(fù)畸形發(fā)生。

隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多排螺旋CT尿路成像（Computed Tomography Urography，CTU）對鑒別單純腎囊腫與積水型重復(fù)腎有著明顯優(yōu)越性。同時CT血管造影（Computed Tomography Angiography，CTA）可明確上腎及下腎供血動脈，為術(shù)中選擇性結(jié)扎供血動脈提供重要參考[3]。2014年國外學(xué)者[4]就報道應(yīng)用CTU圖像提取不同類型的腎盂腎盞，打印模型后模擬經(jīng)皮腎鏡下取石術(shù)。本研究意在通過圖像融合的方法提取不同期相的CT增強圖像，將CTU 和CTA圖像同時呈現(xiàn)在一個3D模型上。在三維立體模型中，外科醫(yī)生可精確的分辨重復(fù)腎供血動脈和腎臟邊界，可提供精準的手術(shù)方案并縮短手術(shù)時間、減少出血量。

1 材料與方法

1.1 CT掃描技術(shù)

1例右腎雙腎盂雙輸尿管畸形患兒，年齡8月，性別女，體重7 kg，為充盈膀胱準備檢查前口服適量水，鎮(zhèn)靜給予100 g/L水合氯醛。使用64排螺旋CT機（Discovery CT750HD）。掃描參數(shù)：管電壓100 kV，自動管電流120～180 mA，采用自動毫安技術(shù)，噪聲指數(shù)：11，掃描層厚5 mm。經(jīng)前臂靜脈應(yīng)用高壓注射器進行增強掃描，造影劑選用碘帕醇370 mgI/mL，注射流量（患兒1 mL/s，總量約14 mL），延遲30～45 s后行腎實質(zhì)期掃描，延遲15～25 min后行延時期掃描。掃描完成后對3期相圖像行50%的圖像迭代算法，其中重建層厚0.625 mm。

1.2 圖像分割和圖像融合

將動脈期、實質(zhì)期、延時期3期數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Mimics 18.0軟件。選擇使用不同的模板通過閾值法分別選取CT圖像中強化的腎動脈、腎實質(zhì)和輸尿管膀胱調(diào)節(jié)閾值范圍，構(gòu)建成3D模型后對圖像進行平滑處理。將3組圖像同時導(dǎo)入3D-Matic 10.0軟件后，對圖像進行融合處理。最終圖形資料保存為光固化立體造型術(shù)（Stereolithography，STL）格式。

1.3 3D打印重復(fù)腎模型

將STL格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Stratasys公司Objet 260 3D打印機操作系統(tǒng)，檢測3D模型；選用Med610生物相容性透明材料，打印層面厚度為30～50 μm，3 h后打印模型即可完成。取出模型浸入10%濃度的氫氧化鈉溶液中10 min進行水洗操作清洗支撐材料，經(jīng)后加工處理即完成模型的打印的整個過程。

2 結(jié)果

將動脈期、靜脈期、延時期的3期CT圖像分割融合圖像，見圖1。3D打印模型可直觀的辨別右腎輸尿管重復(fù)畸形中供血動脈的位置和周圍組織關(guān)系，見圖2?？梢缘贸?，基于3期圖像分割融合后，3D打印模型可以幫助在術(shù)中辨認區(qū)別重復(fù)腎和正常腎及輸尿管，及周邊血管的位置關(guān)系。在手術(shù)的過程中精準的分割并切除重復(fù)腎并對輸尿管病損段進行切除。

圖1 3期CT圖像分割融合

圖2 3期CT圖像分割融合后的3D圖像

3 討論

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已具有廣泛的臨床應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)教學(xué)[5]、手術(shù)模型規(guī)劃[6]、器官生物打印[7]等領(lǐng)域。在泌尿外科領(lǐng)域3D打印技術(shù)也有相當廣泛的應(yīng)用。3D打印模型可以任意截面、任意角度操作觀摩，在泌尿外科手術(shù)仿真模型和訓(xùn)練設(shè)備學(xué)習(xí)訓(xùn)練中作用顯著[8]。半透明腎臟模型可清晰顯示病變與周圍血供關(guān)系，可降低了手術(shù)損傷概率[9]。已有研究[10]指出在3D打印模型在腎臟腫瘤切除中設(shè)計手術(shù)計劃有良好的效果。2015年Souzaki等[11]報道應(yīng)用3D打印技術(shù)成功完成了3例兒童腎上腺神經(jīng)母細胞瘤的病例。研究發(fā)現(xiàn)3D打印模型對了解解剖結(jié)構(gòu)制訂手術(shù)計劃及確定最佳的切口尤為重要。2016年國外學(xué)者[12-13]報道了多例將3D打印技術(shù)應(yīng)用于腎臟惡心腫瘤切除的報道。研究表明，術(shù)中發(fā)現(xiàn)的情況和術(shù)前3D打印模型表現(xiàn)的完全一致，且術(shù)后效果良好。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D生物打印已變成組織工程系泌尿外科領(lǐng)域的研究方向。未來個性化定制尿道和膀胱器官將會逐步實現(xiàn)，3D生物打印通過獲取患者膀胱細胞定制“人工膀胱”。具有微創(chuàng)、匹配度高、功能恢復(fù)好等優(yōu)勢[14]。

影像學(xué)CTU與CTA能準確診斷重復(fù)腎、重復(fù)輸尿管畸形，同時可為臨床選擇手術(shù)方案提供信息[15]。目前常規(guī)手術(shù)方案是觀察CTU和CTA影像圖像通過臨床經(jīng)驗和想象來制定，外科醫(yī)生需辨別重復(fù)腎供血動脈、和辨別重復(fù)腎和正常腎臟邊界分割腎臟邊界。隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，3D打印模型用于手術(shù)規(guī)劃已逐漸的被外科醫(yī)生所接受[16]。研究意在將動脈期、實質(zhì)期、延時期多期相的CT圖像，通過圖像分割和圖像融合構(gòu)建精準的3D打印模型。通過模型可以直觀的、全面的提供診斷和治療信息。3D模型的打印成功的將影像技術(shù)、圖像分割和處理、3D打印技術(shù)相結(jié)合，為精準的設(shè)計治療方案提供輔助。

本研究同時存在一定的局限性，包括：① 由于涉及3D打印的臨床應(yīng)用價值討論，本研究的樣本量不足且沒有完整的術(shù)后圖像對照；② 圖像分割和融合技術(shù)是相關(guān)研究的難點，目前還沒有完善標準化的圖像處理和后重建流程。隨著圖像處理的標準化，其圖像提取的準確度和效率會進一步提高；③ 光聚合3D打印可以使打印層厚設(shè)置在30～50 μm。由于材料的限制無法打印出彩色的橡膠材料模型，不能給外科醫(yī)生作為模擬手術(shù)操作。隨著研究的進一步進行，以上問題將逐步解決。

4 結(jié)論

綜上所述，3D打印作為一項新技術(shù)，將成為泌尿外科疾病個體化治療的有利工具，并實現(xiàn)高效率、低成本建模。但目前3D打印技術(shù)的研究仍處于初級階段，雖有其個體化優(yōu)勢， 但受打印時間、打印材料的限制難以快速推進?？傊?，數(shù)字建模和3D打印技術(shù)有利于提高泌尿外科手術(shù)患者對手術(shù)的認知程度，有利于術(shù)者前確切規(guī)劃、術(shù)中精準切除、術(shù)后確保療效。

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Application of Three-Dimensional Printing for Renal Duplication Model Based on Multiphase CT Image Fusion

HU Li-wei1a, SUN Jie1b, ZHONG Yu-min1a, YAO Xiao-fen1a, LIU Jin-long2, QIU Hai-sheng1a, ZHU Ming1a
1.a.Diagnostic Imaging Center; b.Urology Surgery, Shanghai Children’s Medical Center School of Medicine, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200127, China; 2.Shanghai Institute of Pediatric Congenital Heart Disease, Shanghai 200127, China

ObjectiveTo explore the clinical value of Three-Dimensional (3D) printing for renal duplication, this present study constructed a 3D printing model based on the multiphase enhanced CT of the abdominal image.MethodsOne patient with 8 months of right kidney and ureter double malformations was performed 64-slice contrast-enhanced CT reconstruction with iterative algorithm; through importing the DICOM CT data into mimics 17.0 software, the images in arterial phase of the renal artery, vein of kidney images, the delay phase of vesicoureteral image were extracted respectively. Images were segmented depending on the different values of CT and the region of interest was reconstructed to generate stereolithography file data. Then the modeling process was completed after importing the data into OBJET 260 3D printer.ResultsThe 3D model was constructed by fusing different phase images in the same model, the anatomical structure of artery, kidney, ureter and bladder were observed. It was of significant importance in the resection of renal duplication and ureter lesion.ConclusionThe model based on multi phase CT 3D printing is a very important method to assist the diagnosis and treatment of repeated renal malformations.

three-dimensional printing technology; image segmentation; renal duplication; renal deformation; image segmentation; CT image

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.008

1674-1633(2017)03-0029-03

2016-06-21

上海交通大學(xué)科技創(chuàng)新專項項目（YG2015QN25）；上海市級醫(yī)院新興前沿技術(shù)項目（SHDC12015128）；上海市衛(wèi)計委課題（20164Y0150）。

鐘玉敏，博士，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為小兒先天性心臟病、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)等疾病的影像學(xué)診斷。

通訊作者郵箱：zyumin2002@163.com