基于计算机断层血管造影的盆部原发肿瘤三维模型重建及临床应用

张培海 夏志军 刘慧婷

中国医科大学附属盛京医院妇产科，辽宁沈阳110004

基于计算机断层血管造影的盆部原发肿瘤三维模型重建及临床应用

张培海 夏志军 刘慧婷

中国医科大学附属盛京医院妇产科，辽宁沈阳110004

目的探索基于计算机断层血管造影（CTA）二维图像的盆部原发肿瘤及其周围结构的三维模型重建方法，为术前明确诊断、制订个体化的手术方案、指导手术路径及评估预后提供更加全面、直观的影像学信息。方法对证实为盆部原发肿瘤患者行动静脉期64排螺旋CT扫描，形成格式为标准Dicom 3.0的CT连续断层图像，利用计算机三维图像重建软件Mimics建立盆部原发肿瘤及其周围结构的三维数字化模型。结果该方法的使用，可成功建立活体盆部原发肿瘤及其周围结构的三维模型，包括骨盆、盆部动脉、瘤体、子宫、膀胱、肠管、皮肤及皮下软组织，从而从解剖上完全还原其相对结构。结论多排螺旋CT扫描技术、血管造影及Dicom 3.0标准格式的应用使模型的建立更为精确、方便。该模型可以真实反映肿瘤与邻近结构的解剖关系，对于盆部原发肿瘤的诊疗具有重要指导意义；另外，该数字化模型可为盆部解剖结构的教学及手术培训提供详尽的资料，为建立可视化医疗教学平台提供帮助。

三维模型重建；盆部原发肿瘤；CT血管成像

盆部原发性肿瘤是指起源于盆部内器官以外组织的原发肿瘤[1]，早期症状多不明显，无特异临床体征，术前误诊率较高。盆腔内器官、组织较多，解剖结构复杂，发生于盆部的肿瘤常挤压、包绕或侵犯邻近解剖结构，因此，术前的影像学检查，尤其是CT增强扫描，有助于对病灶进行准确的定位和定性分析，并有利于判断其累及周围脏器的范围和程度，进而可帮助临床医师选择最优的治疗方案，制订合理的手术计划[2]。三维医学图像可视化在近10年间得到了极其广泛的应用[3-5]，其在解剖结构可视化、手术规划与模拟、放射治疗等方面均具有重要意义。而目前，国内外文献对于盆部原发肿瘤影像学表现大多为个案报道，或仅为单纯的影像表现分析[6-9]，尚无关于盆部原发肿瘤三维重建模型的系统报道。本文旨在阐述利用三维重建软件，将多排螺旋CT获得的连续断层图像重建成三维数字化模型的方法及其在介入、保守及手术治疗方案选择方面的应用，并就其在手术可行性的分析、手术切口及路径的选择、介入及保守治疗方案的制定等方面的优势进行分析。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2010年3月～2013年3月因盆部肿瘤收入中国医科大学附属盛京医院并且接受手术切除治疗的患者。术前1周行64排螺旋增强CT扫描，扫描前未行栓塞及穿刺活检等其他侵入性检查和治疗；术后病理均证实为盆部原发性肿瘤，手术记录完整。经筛选，符合上述条件的患者共计13例患者，平均年龄44岁，其中侵袭性血管黏液瘤3例，平滑肌瘤1例，良性畸胎瘤3例，神经鞘瘤2例，脂肪肉瘤1例，平滑肌肉瘤2例，血管肌纤维母细胞瘤1例。2例患者为体检发现，就诊时未诉明显异常；其余11例患者均表现为腹痛、腰痛、排尿困难、大便变形等非特异性症状。

1.2 扫描参数及数据保存

本研究所用图像为采用东芝Aquilion one 64排螺旋CT设备对患者进行扫描后所得，扫描范围为第3腰椎与第4腰椎之间平面至股骨中上部，扫描方式为沿横断面在动脉期及静脉期连续跟踪扫描，扫描条件为选择软组织窗，管电压120 kV，电流采用自动毫安秒，扫描层厚0.5 mm，扫描层距0.5 mm；造影剂注射方式为经右侧肘前静脉以5 mL/s流率用双筒高压注射器注射优维显（370 mgI/mL）80 mL，再以3.0 mL/s流率静脉注射0.9%生理盐水30 mL。原始数据重建的层厚0.5 mm，间隔0.5 mm，矩阵512×512。扫描数据以Dicom 3.0标准格式直接存储。

1.3 方法

1.3.1 二维图像的导入及定位首先将所有Dicom格式的二维原始图像导入Mimics中，选取相对应的解剖方位，转换为指定的MCS格式，在Mimics软件中自动形成盆腔冠状面、矢状面和垂直面的三视图，此过程中，可根据需要，选择其中一个视图进行处理。

1.3.2 骨性结构数字模型的建立骨组织的阈值为226～3071 Hu[10]，利用tool里的profile line功能可精确确定阈值的范围，Mimics软件会自动选取所有该阈值内的全部图像。然后使用编辑功能去除无关的边缘杂点和冗余数据，经过区域增长，进一步完善选区。最后利用calculate 3D功能构建出腰椎、骨盆及股骨等骨骼结构的三维数字模型。

1.3.3 动脉数字模型的建立由于CTA血管造影技术已利用高密度造影剂使动脉显影，故可将血管的阈值界定在193～3071 Hu之间。再经区域增长、3D计算便可建立骨骼及动脉的三维模型。再运用Mimics软件中的Boolean operations功能，剪除骨骼结构的三维模型，并使用二维图像编辑功能去除无关边缘杂点和冗余数据，经区域增长，便可生成不含骨性结构的孤立动脉数字模型。

1.3.4 皮肤及皮下脂肪数字模型的建立首先将皮肤的阈值界定在-718～-177 Hu之间，界定脂肪的阈值在-205～-51 Hu之间，经区域增长分割出皮肤及皮下脂肪，对于两者重合的部分，通过二维图像的编辑处理，去除无关边缘杂点和冗余数据，用Mimics三维修改工具优化分割出的三维数字模型。

1.3.5 膀胱、子宫、肠管及瘤体数字模型的建立膀胱、子宫、肠管及瘤体的水平位显示良好，界线清楚，在软组织窗的二维图像中分别手动分割出膀胱、肠管及瘤体，子宫于矢状位与周围组织解剖明确，需要加工的数据量少，二维图像上分割出子宫，经编辑处理，建立膀胱、子宫、肠管及瘤体三维数字模型。

1.3.6 三维图像的后期处理新建的三维图像比较粗糙，可以通过软件自带的模拟切割功能进行美化，对于较粗大的突出可以用面切割，而对于较细的边缘可用曲线切割进行图像处理，以减少点及边缘的角度从而使边缘平滑。在进行后期处理的过程中，首先应当设定适当的边缘角度、迭代次数和公差，以对图像进行第一次平滑的修正。修正后的图形表面，实际上是由许多三角平面构成的，然后将处理好的三维图像导入有限元分析中，通过使用软件提供的减少三角形面片的功能，并适当的设置各个参数，以优化三角面片。最后通过Remesh功能，去除非等边三角形，再将处理完的三维图形导入Mimics软件，依据不同部位的灰度值建立灰度与密度的关系，从而将模型的各部分赋以材质，至此，真正的三维实体模型便建立起来了[11]。

2 结果

通过上述方法，成功建立了盆部原发肿瘤及周围结构三维数字模型，几何外型逼真，视觉效果良好，直观生动，实体感强，并可以根据观察需要进行任意切割组合（图1～9，见封三），并可更改伪彩、透明度及大小。另外利用3D工具可以对肿瘤的直径、体积等数据进行测量，并可通过计算得知肿瘤与周围任意结构的位置的定量关系，如肿瘤与皮肤、血管的距离及所成角度等。本研究所收集的13例盆部原发肿瘤患者的病理类型、增强CT表现、空间解剖关系详见表1。

表1 13例患者病理、CT、三维解剖关系

通过手术证实，所有肿瘤的大小、走向、和血管的关系等基本与术前模型提供的信息一致。三维模型清晰地显示了肿瘤与周围血管及器官的解剖关系，在术前对肿瘤的相关数据完成采集，从而帮助临床医师选择合适的手术入路，并推演手术过程可能遇到的问题，制订更加完善的手术方案。

另外由于重建模型的三维立体效果，操作者可通过观察重建模型的走向、与周围结构的关系，大致判断肿瘤与腹膜的关系及肿瘤根部所在。本研究中3例侵袭性血管黏液瘤及1例平滑肌瘤患者，经三维模型重建后提示肿瘤位于腹膜外位，治疗方案选择腹膜外探查术，术中证实了术前的诊断，肿瘤切除完整。总的来说，基于CTA的盆部原发肿瘤的三维模型重建具有实用强、可操作性高的优势。其可以详实、准确地显示肿瘤与周围组织结构的空间关系，帮助临床医师在实施侵入性操作前对活体状态下的肿瘤组织、肿瘤周边血供情况及肿瘤基底部情况形成直观的认识，从而协助其优化手术方案，并充分保护盆部重要器官及大血管。同时，该模型可清晰显示盆部各器官及组织结构的解剖关系，并可从任意角度进行旋转及缩放观察，另外，Mimics所提供的export功能还可将重建模型输出为AVI格式的视频资料，从而为建立数字化教学平台提供可视化教学资源。

3 讨论

3.1 基于CTA的盆部原发肿瘤三维重建的可行性

目前，用于人体器官的三维重建的影像材料一般通过以下方法获取：①机械切削组织切片的扫描影像；②CT断层数据；③MRI断层数据。例如，“虚拟中国人男性一号”[12]，就是利用切片组织的扫描影像进行三维重建的，但这种方法所获取的彩色图片不能直接用于重建，标本切割及图像采集过程对硬件要求极高，信息处理量繁重，成本昂贵，且尸体标本难以还原真实人体结构，故临床应用价值不高。Balan[13]的研究表明，MRI具有良好的软组织分辨率和多平面成像能力，对盆部病变诊断准确率较高，但该方法检查时间长，且对体内有金属植入的患者禁忌，故也有一定的局限性。然而，增强CT的组织分辨率接近于MRI[13]，亦可提供肿瘤的位置及与周边脏器、血管等毗邻关系等信息，且经过对典型CT表现进行分析后还可对肿瘤性质进行初步判断[14]。近年来，随着增强CT在临床中应用日益增多，及医学图像获取[15-16]及可视化技术的快速发展，基于CT影像的医学建模方法已成为骨骼三维模型重建中的主流[17]。故与其他两种图像采集模式相比，基于CTA的盆部原发肿瘤的三维重建在临床中有着更广泛的应用。

3.2 三维模型重建对盆部原发肿瘤诊疗的意义

盆部原发肿瘤起病隐匿，早起症状不典型，患者常因无自觉不适而延误就诊，故此类肿瘤通常体积较大[18]，而且其病理类型复杂，以恶性居多，多可因生长过快而对周围器官产生压迫及推挤，使盆部器官及组织失去正常的结构及解剖位置关系。此外，盆部原发肿瘤形态各异，组织起源不明，与周围组织关系不清，术前多难以明确诊断。手术医师仅能够依靠临床经验及平面的影响资料虚构肿瘤的形态，缺乏生动、直观的影像信息支持。

另外对于该类疾病的诊疗缺乏有效的辅助检查，临床上多以探查手术为主，包括开腹探查、阴式探查、骶尾入路探查及开腹与阴式联合等。众所周知，探查术切口大，目的性差，病灶寻找困难，手术切除范围不清，手术时间长，出血多，副损伤大，而且手术成败很大程度上依赖于术者经验。此类患者术后往往由于未能自根部完整切除肿瘤，而短期复发，预后欠佳。

盆部原发肿瘤的三维数字模型可在术前提供：肿瘤的位置、形态、与周围组织血管的空间关系。操作者通过精确地肿瘤重建，对可能存在的盆部组织解剖变异进行清晰的呈现，协助临床医师确定手术最佳的路径及切口的位置，推演术中可能遇到的问题，明确肿瘤根部所在，从而确定切除范围。最终帮助术者决定最佳的治疗方案，避免盲目的探查手术，减少不必要的损伤、出血，缩短手术时间。

3.3 盆部原发肿瘤重建的教学及科研意义

基于CTA的盆部原发肿瘤及其周围结构的三维重建，使活体状态下透视肿瘤成为可能。该模型具有明显的三维立体感，可根据操作的需要，调整模型的透明度，并可进行自由切割，测量肿瘤与任意位置的距离，全程观察血管走向、分支情况，以帮助人们认识盆部原发肿瘤的解剖结构；同时，数字化模型的无限次使用的特点可帮助学生模拟活体状态下肿瘤的真实状况，进行虚拟操作，减少动物模型的浪费，从而克服了传统解剖教学的空洞枯燥及病态条件下难以还原人体真实解剖的不足，是对传统教学材料的完善和补充，为年轻医师的成长提供了一个良好的学习平台。

[1]同济医科大学病理学教研室，中山医科大学病理学教研室.外科病理学[M].武汉：湖北科学技术出版社，1999：299.

[2]Oto A，Basgun N，Kutluk T，et al.Intraperitoneal involvement in rhabdomyosarcoma CT findings in a child[J]. Turk J Pediatr，2001，43（4）：342-344.

[3]刘家康，辛静.人体医学图像三维表面重构的实现[J].计算机工程与应用，2002，14（245）：97-98.

[4]段宝山，潘振宽.医学断层图像三维重建的辅助轮廓线法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2005，17（8）：186-187.

[5]Parikh M，Rasmussen M，Brubaker L，et al.Three dimensional virtual reality model of the normal female pelvic floor[J].Ann Biomed Eng，2004，32（2）：292-296.

[6]Ishikawa H，Fujii H，Yamamoto K，et al.Adenocarcinoma arising in the retrorectal space：report of a case[J].Surg Today，1998，28（2）：205-208.

[7]Pui MH，Yu SP，Li ZP.Imaging diagnosis of abdominal and pelvic sarcomas[J].Australas Radiol，1999，43（2）：134-141.

[8]Tannous WN，Azouz EM，Homsy YL，et al.CT and ultrasound imaging of pelvic rhabdomyosareoma in children：a review of 56 patients[J].Pediatr Radiol，1989，9（8）：530-534.

[9]张善华，吕桃珍，王培军，等.盆腔器官外软组织肿瘤的CT诊断[J].临床放射学杂志，2001，20（10）：781-784.

[10]傅栋，靳安民.CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法[J].中国组织工程研究与临床康复，2007，11（9）：1620-1623.

[11]赵惠军，王波，马洋.基于MRI的盆底组织结构三维重建[J].第四军医大学学报，2008，29（14）：1317-1318.

[12]原林，唐雷，黄文华，等.虚拟中国人男性一号（VCHM1）数据集研究[J].第一军医大学学报，2003，23（6）：520-523.

[13]Balan P.Ultrasonography computed tomography and magnetic resonance imaging in the assessment of pelvic pathology[J].Eur J Radiol，2006，58（1）：147-155.

[14]陈卫霞，杨志刚，闵鹏秋，等.盆部原发肿瘤CT表现特征及其解剖学基础[J].中华放射学杂志，2004，38（6）：611-614.

[15]Devore GR.Three-dimensional and four-dimensional fetal echocardiography：a new frontier[J].Curr Opin Pediatr，2005，17（5）：592-604.

[16]何爱军，汪天富，尹立雪，等.多普勒血流超声医学图像的动态三维重建[J].航天医学与医学工程，2002，15（2）：112-116.

[17]胡小春，郭松青.基于CT图像建立人体足部骨骼三维有限元模型的研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2005，28（9）：1188-1191.

[18]Sondak VK，Economou JS，Eilber FR.Soft tissue sarcoma of the extremity and retroperit-oneum：advances in management[J].Adv Surg，1991，24：333.

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本文编辑：张瑜杰）

辽宁省科学技术计划项目（编号2012225017）。