基于3D Slicer軟件的三維重建技術(shù)在腹腔鏡腎切除術(shù)處理腎血管中的應(yīng)用

趙 偉，曹龍濱，高 輝，李玉僑，馬 征，馬云波

(山東省聊城市人民醫(yī)院泌尿外科,山東聊城 252000)

腹腔鏡根治性腎切除和單純性腎切除是泌尿外科常見的手術(shù)方式，腹腔鏡下腎血管的處理是手術(shù)中難度大、風(fēng)險(xiǎn)高的步驟[1]，如何在腹腔鏡下安全的處理腎血管是腎切除手術(shù)中的熱點(diǎn)問題，更是初學(xué)者的難點(diǎn)所在，以往的文獻(xiàn)報(bào)道顯示出血是腹腔鏡手術(shù)改為開放手術(shù)的常見原因[2]。3D Slicer軟件是美國(guó)國(guó)立研究院資助的免費(fèi)醫(yī)學(xué)圖像處理軟件[3]，它可以通過對(duì)CT數(shù)據(jù)分割重建，提供直觀的三維可視化模型。本文旨在研究應(yīng)用3D Slicer軟件，將腎切除患者CT數(shù)據(jù)通過三維重建技術(shù)和腎動(dòng)脈、靜脈等組織器官重建在一個(gè)三維可視化模型中，評(píng)估其在腎血管處理方案的制定和術(shù)中顯露血管的輔助作用，以探討三維重建技術(shù)在腹腔鏡腎切除術(shù)處理腎血管中的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 病例資料回顧性分析2020年5月-2021年6月于山東省聊城市人民醫(yī)院行腹腔鏡腎切除手術(shù)28例患者的臨床資料。納入標(biāo)準(zhǔn)：①術(shù)前有本院強(qiáng)化CT數(shù)據(jù)的經(jīng)腹腹腔鏡單純性腎切除或根治性腎切除手術(shù)患者；②患者臨床及隨訪資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn)：①無本院CT數(shù)據(jù)或經(jīng)后腹腔鏡的腎切除患者；②患者臨床及隨訪資料不完整。28例患者中男性17例，女性11例；年齡(61.4±15.3)歲；其中因腎腫瘤行根治性腎切除術(shù)18例，因腎盂和輸尿管腫瘤行根治性腎輸尿管切除術(shù)7例，因腎重度積水行單純性腎切除術(shù)者2例，因膿腎行單純性腎切除者1例。

1.2 三維重建技術(shù)CT影像數(shù)據(jù)：28例腎切除患者術(shù)前均行腎臟強(qiáng)化CT，層厚為1 mm，應(yīng)用雙筒高壓注射器，造影劑為非離子型碘制劑碘海醇(300 mg/mL)，于肘靜脈注射，速率為5 mL/s，動(dòng)脈期掃描采用對(duì)比劑觸發(fā)掃描技術(shù)，閾值達(dá)200 Hu時(shí)自動(dòng)掃描，70 s靜脈期掃描，900 s排泄期掃描。收集患者CT原始數(shù)據(jù)并以醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像與通訊(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)格式存儲(chǔ)。

三維重建步驟：①動(dòng)脈期CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Slicer(版本號(hào)4.10)，應(yīng)用“Segment Editor”分割模塊，采用“閾值分割法”和“剪刀工具”對(duì)動(dòng)脈血管分割并三維重建；②靜脈期CT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Slicer，同樣的方法對(duì)靜脈、腎臟及手術(shù)區(qū)域相關(guān)組織器官(如腫瘤、脾臟、肝臟及胰腺等)分割并三維重建；③最后將重建的血管和臟器融合在一個(gè)三維可視化模型中，并使用不同顏色區(qū)分重建的各模型。

1.3 術(shù)前手術(shù)方案的制定術(shù)者術(shù)前通過旋轉(zhuǎn)、任意組合、透明化等方式，在不同角度觀察重建的三維可視化模型，準(zhǔn)確掌握患者的腎動(dòng)脈和腎靜脈數(shù)量、走行及空間相對(duì)解剖關(guān)系，依據(jù)三維可視化模型，制定腎動(dòng)脈、腎靜脈離斷位置、離斷順序及離斷方法的個(gè)體化腎血管處理方案。調(diào)整三維可視化模型的角度與腹腔鏡手術(shù)視野一致的角度將其打印成彩色圖片，用于術(shù)前醫(yī)患溝通。

1.4 手術(shù)方法和術(shù)中認(rèn)知融合患者全身麻醉成功后取健側(cè)臥位，傾斜45°，于臍部穿刺置氣腹成功后(壓力12 mmHg，1 mmHg=0.133 kPa)，置入10 mm Trocar及腹腔鏡，監(jiān)視下分別于患側(cè)腋前線平臍、患側(cè)肋緣下鎖骨中線、劍突下或臍下穿刺置入5/12 mm、12/5 mm、5 mm、5 mm Trocar。超聲刀沿結(jié)腸外側(cè)緣打開腹膜，右側(cè)上抬肝臟。在融合筋膜與腎周筋膜前層之間無血管層面游離，右側(cè)將升結(jié)腸、十二指腸，左側(cè)將降結(jié)腸、脾臟和胰尾等推向內(nèi)側(cè)，顯露下腔靜脈或左生殖靜脈。在腎下極向上縱行打開腎周筋膜，挑起腎下極，使腎門保持張力，隨時(shí)查看顯示器下方打印好的三維模型圖片，通過腹腔鏡視野與三維可視化模型認(rèn)知融合，以下腔靜脈或生殖靜脈作為解剖標(biāo)志，通過圖片顯示的三維解剖關(guān)系，按圖索驥顯露出腎靜脈、腎動(dòng)脈及其他相關(guān)血管。按照術(shù)前制定的腎血管離斷平面和離斷順序，逐一用Hem-O-lok和/或腔鏡直線型切割吻合器離斷腎血管。在腎上腺與腎上極之間游離，保留腎上腺。在腎周脂肪囊外側(cè)頓銳性游離，將腎完整切除。輸尿管切除范圍，依據(jù)術(shù)式的不同采取不同的切除方式，單純腎切除手術(shù)時(shí)無需游離輸尿管。切除標(biāo)本裝入取物袋。取患側(cè)下腹斜切口，鈍性分開肌束，將取物袋取出體外。記錄手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量和術(shù)后引流情況。所有患者隨訪1～14個(gè)月，術(shù)后1個(gè)月復(fù)查腹部彩超，惡性腫瘤患者術(shù)后2年內(nèi)，每6個(gè)月復(fù)查胸腹部CT。

2 結(jié) 果

術(shù)前28例患者的強(qiáng)化CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Slicer軟件后，經(jīng)過分割、融合等步驟重建出三維可視化模型，立體呈現(xiàn)腎動(dòng)脈、靜脈及組織器官的形態(tài)及位置關(guān)系。以腎血管離斷平面為界，腎動(dòng)脈≥2個(gè)分支10例(10/28，35.71%)，腎靜脈≥2個(gè)屬支12例(12/28，42.86%)，見表1。

表1 28例患者臨床資料 [例(%)]

28例患者手術(shù)過程順利，術(shù)者術(shù)中通過腔鏡視野與三維可視化模型的認(rèn)知融合，除1例膿腎患者因腎蒂粘連嚴(yán)重、腎靜脈各屬支未能全部顯露外，其余27例均順利解剖顯露出所有腎血管。28例腹腔鏡下腎血管的處理分為3種情況：①用Hem-O-lok先處理腎動(dòng)脈，后處理腎靜脈19例(圖1A、B)；②用Hem-O-lok先處理腎靜脈的部分屬支，再用Hem-O-lok處理腎動(dòng)脈，最后處理腎靜脈的其余屬支5例(圖1C、D)；③用Hem-O-lok先處理腎動(dòng)脈，后用腔鏡直線型切割吻合器處理腎靜脈4例(圖1E、F)。所有患者出院后隨訪無并發(fā)癥發(fā)生。

A、B：Hem-O-lok先處理腎動(dòng)脈，后處理腎靜脈(A為左腎上極腫瘤，B為左腎中部腫瘤)；C、D：Hem-O-lok先處理腎靜脈部分屬支，再處理腎動(dòng)脈，最后處理腎靜脈的其余屬支(C為右腎腫瘤，D為左腎腫瘤)；E、F：Hem-O-lok先處理腎動(dòng)脈，再用腔鏡直線型切割吻合器處理腎靜脈(E為左腎盂腫瘤，F(xiàn)為雙J管引流術(shù)后左腎重度積水)。圖1 三維認(rèn)知融合技術(shù)在不同手術(shù)處理方式中的應(yīng)用示意圖

3 討 論

腎臟血管的解剖變異是常見現(xiàn)象，不同患者的腎動(dòng)脈和腎靜脈數(shù)量、走行及空間解剖關(guān)系差異較大。GüMü等[4]通過研究行腎CT血管造影術(shù)(computed tomography angiography，CTA)檢查的820例患者，發(fā)現(xiàn)27.0%的患者有多支腎動(dòng)脈，26.7%的患者有腎動(dòng)脈早發(fā)分支。MUNNUSAMY等[5]對(duì)100例腎移植供腎者CTA進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)51%的腎供體顯示腎動(dòng)脈變異。在51%的變異中，38例有副腎動(dòng)脈，13例有腎動(dòng)脈早發(fā)分支。本研究顯示28例患者中，腎動(dòng)脈≥2個(gè)分支10例(35.71%)，腎靜脈≥2個(gè)屬支12例(42.86%)。腎血管的解剖變異給腹腔鏡腎切除手術(shù)中腎血管的處理帶來很大的不確定性，尤其對(duì)于腫瘤體積大、腎重度積水、周圍組織粘連嚴(yán)重等情況，腎血管的處理更加棘手，以往的文獻(xiàn)報(bào)道顯示出血是腹腔鏡手術(shù)改為開放手術(shù)的常見原因[2]。腹腔鏡手術(shù)的出血應(yīng)以預(yù)防為主，術(shù)中正確識(shí)別血管及其變異并正確的處理是安全手術(shù)的基礎(chǔ)[6]。

目前CT是腹腔鏡腎切除手術(shù)前常用的影像學(xué)評(píng)估方法，CTA可以三維顯示腎動(dòng)脈情況[7]，但腎CTA無法以三維模型的形式同時(shí)顯示腎動(dòng)脈、腎靜脈、腎臟、腫瘤及生殖靜脈等手術(shù)區(qū)域相關(guān)組織器官，這導(dǎo)致目前的CT檢查對(duì)腹腔鏡腎切除手術(shù)中腎血管的處理幫助有限。

隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于術(shù)前影像數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)在臨床上已得到廣泛應(yīng)用，這使得患者影像數(shù)據(jù)不僅用于疾病的診斷，還用于手術(shù)規(guī)劃，提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性[8-9]。目前，已有國(guó)內(nèi)外多家公司開發(fā)了相關(guān)的醫(yī)學(xué)影像處理軟件，并應(yīng)用于臨床，如Mimics軟件[10]、海信計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)(Hisense CAS)[11]。

3D Slicer軟件是美國(guó)國(guó)立研究院資助的免費(fèi)、開源、多平臺(tái)的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件[3]，它通過對(duì)影像數(shù)據(jù)三維重建，將患者的器官、血管及病變組織等以三維模型的形式呈現(xiàn)。3D Slicer軟件在國(guó)內(nèi)外的神經(jīng)外科領(lǐng)域，已經(jīng)開展了較豐富的臨床應(yīng)用場(chǎng)景[12]，但目前在泌尿外科領(lǐng)域應(yīng)用較少，尤其在腹腔鏡腎切除手術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值，尚未有報(bào)道。

三維可視化模型使術(shù)者在術(shù)前就充分了解手術(shù)區(qū)域組織器官的三維形態(tài)和具體位置，尤其是可以調(diào)整至腹腔鏡視野下的角度觀察，通過術(shù)中的認(rèn)知融合，使術(shù)者可以在較短的時(shí)間內(nèi)解剖式顯露血管，減少術(shù)中探索性步驟。李新飛等[13]應(yīng)用CT三維可視化系統(tǒng)(IPS系統(tǒng)，Yorktal)評(píng)估行腎部分切除術(shù)患者的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)、血供等信息，結(jié)果顯示三維圖像可提供直觀的解剖結(jié)構(gòu)，清晰顯示腫瘤解剖參數(shù)及血供、脂肪等信息。本研究28例患者的CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用3D Slicer軟件三維重建包含腎血管在內(nèi)的手術(shù)區(qū)域三維可視化模型，術(shù)者術(shù)中通過腔鏡視野與三維可視化模型的認(rèn)知融合解剖顯露腎血管，依據(jù)術(shù)前制定的腎血管處理方案逐一離斷腎血管，28例手術(shù)均順利完成，無1例改為開放手術(shù)，取得了較好的臨床效果。

本研究中，我們術(shù)前依據(jù)患者三維可視化模型，制定了個(gè)體化的經(jīng)腹腹腔鏡腎血管處理方案，通過精準(zhǔn)解剖腎門，可以減少切割閉合器的使用，減少患者手術(shù)費(fèi)用。我們的體會(huì)如下：①首先確定腎血管離斷位置。鑒于離腎門越近，腎血管分支越多，故左側(cè)首選在腹主動(dòng)脈左側(cè)緣、右側(cè)首選在下腔靜脈右側(cè)緣作為腎血管的離斷位置。本研究28例中有23例依此位置離斷腎血管，另外有5例因?yàn)槟I蒂周圍粘連、腎積水及病變位置等原因，術(shù)中改變了離斷位置，選擇離腎門較近的位置離斷腎血管。②在離斷位置上確定腎血管的離斷順序。遵循先動(dòng)脈后靜脈的原則進(jìn)行離斷，本研究中有5例在離斷位置處腎靜脈屬支包裹腎動(dòng)脈主干和/或分支，故選擇先處理部分腎靜脈屬支，暴露出腎動(dòng)脈后，再處理腎動(dòng)脈。③確定腎血管的結(jié)扎方法。腹腔鏡下腎血管結(jié)扎器械主要有Hem-O-lok和腔鏡直線型切割吻合器，Hem-O-lok費(fèi)用較低，但需要充分游離血管；腔鏡直線型切割吻合器不需將血管游離特別充分，對(duì)于血管周圍粘連、血管粗大以及腎動(dòng)脈硬化嚴(yán)重的病例安全性更好，但腎動(dòng)脈和腎靜脈要分開處理[1，14]。28例手術(shù)中，我們對(duì)腎動(dòng)脈及其分支的處理應(yīng)用Hem-O-lok(L)順利夾閉。對(duì)腎靜脈及其屬支，有24例采用Hem-O-lok處理，其中有7例靜脈較寬者(超過15 mm)，使用血管提拉技術(shù)(10號(hào)雙重絲線)提起后用Hem-O-lok(XL)順利夾畢；有4例因?yàn)榇嬖?個(gè)以上腎靜脈屬支或術(shù)中發(fā)現(xiàn)靜脈粘連較重，應(yīng)用腔鏡直線型切割吻合器EC45A(釘倉(cāng)ECR45W/白)順利夾閉離斷。需要指出的是，本研究病例數(shù)相對(duì)較少，沒有設(shè)置對(duì)照組，沒有分析不同血管變異患者之間的出血量和引流量情況，后續(xù)需增加樣本量，進(jìn)行前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究，進(jìn)一步評(píng)估三維重建技術(shù)在腹腔鏡腎血管處理中的應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，利用三維可視化軟件，比如3D Slicer，三維重建包含腎血管在內(nèi)的手術(shù)區(qū)域組織器官的三維可視化模型，依此制定個(gè)體化的腎血管處理方案，有利于安全地顯露和處理腎血管，減少出血風(fēng)險(xiǎn)，增加手術(shù)安全性。同時(shí)，因?yàn)?D Slicer軟件完全免費(fèi)，不增加患者費(fèi)用，且簡(jiǎn)單易學(xué)，有臨床推廣價(jià)值。