CTU+CTA联合成像结合3D打印技术在腹腔镜肾部分切除术中的应用

陈一鸣　宋广来　王坤　陈真　邢兆宇　丁涛

[摘要] 目的 比较CTU+CTA联合成像与传统CT平扫+增强进行三维重建图像精度差异，评估CTU+CTA图像重建后3D打印肾脏模型在腹腔镜肾部分切除术手术规划及术前沟通中的应用价值。方法 选取2018年6—7月期间入院的两名肾癌患者，术前行CTU+CTA检查，采集CT图像，同时回顾性采集5例2018年1—6月期间入院手术的5例肾癌患者术前CT平扫+增强图像，将采集到的图像进行三维重建，比较两者对肾脏及肿瘤细节的还原程度。而后利用CTU+CTA三维建模进行3D打印，评估3D打印模型还原程度、对手术规划的帮助及对术前沟通的帮助程度。结果 CTA+CTU三维重建图像对肿瘤侵犯集合系统情况、肾脏形态、肾脏血管分支等评分项目中得分高于CT平扫+增强三维重建图像，两组比较差异有统计学意义（t=15.611，P<0.001）。3D打印肾脏模型经专家评分后模型1总分（40.38±1.49）分，模型2总分（41.13±1.93）分，达到合格标准以上且两者相比差异无统计学意义（t=0.615，P=0.516），3D打印肾脏模型术前沟通评分模型1总分（45.17±0.20）分，模型2总分（45.33±0.57）分，也达到合格标准以上且两者相比差异无统计学意义（t=0.447，P=0.686）。 结论 CTU+CTA联合成像可提高三维重建及3D打印的精度，3D打印肾脏模型对肾癌手术规划及术前沟通可提供较好的帮助。

[關键词] 3D打印;体层摄影尿路成像+血管造影;肾癌;腹腔镜肾部分切除术

[中图分类号] R4          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-0742（2020）04（c）-0183-04

Application of CTU + CTA Combined Imaging and 3D Printing in Laparoscopic Partial Nephrectomy

CHEN Yi-ming， SONG Guang-lai， WANG Kun， CHEN Zhen， XING Zhao-yu， DING Tao

Department of Urology， Changzhou First People's Hospital， Changzhou， Jiangsu Province， 213000 China

[Abstract] Objective To compare the accuracy difference between 3D reconstruction images of CTU + CTA combined imaging and conventional CT plain scan + enhancement， and evaluate the 3D printed kidney model after CTU + CTA image reconstruction in the surgical planning and preoperative communication of laparoscopic nephrectomy value. Methods Two renal cancer patients admitted between June and July 2018 were examined by CTU + CTA before surgery， CT images were collected， and 5 cases of kidneys admitted to hospital between January and June 2018 were retrospectively collected. Pre-operative CT plain scan + enhanced image of cancer patients， 3D reconstruction of the acquired images， comparison of the degree of reduction of kidney and tumor details. Then use CTU + CTA 3D modeling for 3D printing to evaluate the degree of 3D printed model restoration， help for surgical planning， and help for preoperative communication. Results The three-dimensional reconstruction images of CTA+CTU had higher scores on the scores of tumor invasion system， kidney morphology， and renal vascular branch than CT plain scan + enhanced three-dimensional reconstruction images. There was a significant statistical difference between the two groups （t=15.611， P<0.001）. The 3D printed kidney model scored （40.38±1.49）by Model 1 and （41.13±1.93）by Model 2. After reaching the eligibility criteria， there was no significant difference between the two （t=0.615， P=0.516）. 3D printing preoperative communication score of kidney model was （45.17±0.20）points in Model 1 and （45.33±0.57）points in Model 2. It also reached the eligibility criteria and there was no significant difference between the two（t=0.447，P=0.686）. Conclusion CTU + CTA combined imaging can improve the accuracy of 3D reconstruction and 3D printing. The 3D printed kidney model can provide better help for renal cancer surgery planning and preoperative communication.

[Key words] 3D printing tomography urinary tract imaging + angiography; Renal cancer; Laparoscopic partial nephrectomy; Excision

3D打印是近年快速发展的一项新技术，随着3D打印技术的成熟，其在医学中的应用也快速发展。由于3D打印具有准确性和定制化的特点，其在外科中的作用范围广泛。在泌尿外科肾脏肿瘤诊疗中应用3D打印技术国内外都有报道，国内进行肾脏模型3D打印大多采用CT平扫+增强图像进行重建，也有部分使用CTU图像进行重建，打印使用材料多为热塑性塑料，应用于术前手术规划和医患沟通。打印模型外形令人满意，但也存在材料质地较硬、肾脏分支血管和集合系统细节显示不佳等不足[1-3]。

该研究旨在将3D打印在肾脏肿瘤手术中的应用进行了改进和拓展，选取2018年6—7月入院的2例肾肿瘤患者进行研究，并回顾性收集了2018年1—6月收治的5例肾肿瘤患者CT图像进行对比。该项目三维重建基于CTU+CTA结合的图像进行重建，利用3D打印机使用硅胶对模型进行三维成形，依托CTU+CTA图像对血管和集合系统清晰的显像，使得血管和集合系统能够更为精准地进行建模。同时应用3种不同颜色的材料对肾脏动静脉、集合系统及肿瘤进行打印，避免了后期人工涂色产生误差。3D打印的肾脏模型成品将在术前应用于手术规划，由于材质有一定的柔软度，可进行手术切除肿瘤和缝合的体外模拟操作，进一步增加手术的熟练度、减少肾脏缺血时间同时减少手术可能的并发症。同時，将模型应用于术前谈话便于患者更好地理解手术方案和手术风险，增加对医生的信任。

1  资料与方法

1.1  一般资料

选取该院新收治的两名肾肿瘤患者，术前行CTA+CTU检查，采集CT图像。同时回顾性采集近期该院收治的5例肾肿瘤患者其术前腹部CT平扫+增强图像，使用Mimics 19.0软件对扫描图像进行三维重建。通过对比三维重建图像与术后切除标本或标本照片对比进行评估，评估指标包括肿瘤大小、位置、侵犯集合系统情况、肾脏形态、肾脏血管分支情况共5项，每项指标评分1～10分，由完全不符合到完全符合，由泌尿外科专家（副主任医师以上，腹腔镜下肾切除手术>50例）4人进行打分。通过最终评分对比评估CTA+CTU与普通CT平扫+增强对肾脏三维重建的效果。

1.2  3D打印肾脏模型在肾癌术前评估及沟通中的应用

①3D打印肾脏模型的建立。利用采集的CTA+CTU图像进行三维重建，将三维重建后生成的STL格式数据文件直接输出至PolyJet OBJET260三维打印机，使用类硅胶材料TangoPlus对模型进行三维成形。打印完成的肾脏呈四种颜色，集合系统呈黄色，肾动脉呈粉红色，肾静脉呈橙色，肾肿瘤呈深红色，正常肾实质呈半透明不着色。

②3D打印肾脏模型同行专家评价。将肾脏3D打印模型给同行专家进行评价，评价采用问卷的形式，由泌尿外科专家（副主任医师以上，腹腔镜下肾切除手术>50例）4人结合术前影像学检查结果进行打分。问卷设计：模型的总体评价;对肾脏肿瘤位置、大小、形态等的反映程度;对肿瘤与肾脏动静脉、集合系统关系的反映程度;肾脏质地的还原程度;对手术规划的帮助程度。各项评分由不满意/没有帮助到非常满意/非常有帮助划分为1～10分。打分参考既往的研究结果以平均得分37.5分以上为合格。

③3D打印肾脏模型术前沟通应用。手术医师在术前与患者及家属进行术前沟通谈话时应用3D打印肾脏模型，谈话结束后采用问卷形式评估患者及家属对术前沟通应用3D打印模型的评价。问卷设计：术前谈话整体满意度;对肾脏基本形态及构造的理解程度;病变位置及大小的了解程度;病变与周围血管及集合系统关系了解程度;手术方案及并发症理解程度。各项评分由不了解/不满意到完全了解/非常满意划分为1～10分。打分参考既往的研究结果以平均得分45.0分以上为合格。

1.3  统计方法

采用SPSS 24.0统计学软件进行数据统计分析，计量资料采用（x±s）表示。各项观察指标采用t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2  结果

2.1  CTA+CTU与CT平扫+增强三维重建

CTA+CTU三维重建图像与传统CT平扫+增强三维重建图像对比见图1，CTA+CTU三维重建图像对肿瘤侵犯集合系统情况、肾脏形态、肾脏血管分支等评分项目中得分高于CT平扫+增强三维重建图像，差异有统计学意义（P<0.05），见表1。

2.2  3D打印肾脏模型细节情况

3D打印肾脏模型细节详见图2及图3，模型中血管及集合系统分色清晰，界线清楚，肿瘤大小深度及与集合系统关系清晰可见，动静脉之间为保持与实际相符的距离用粉红色材料打印圆柱形支架条隔开。

2.3  3D打印肾脏模型专家评价

3D打印肾脏模型经4名专家评分后结果模型1总分40.38±1.49分，模型2总分41.13±1.93分，两者之间相比各项目及总和评分差异无统计学意义（P>0.05），见表2。

2.4  3D打印肾脏模型在术前沟通应用评价

3D打印肾脏模型经患者及各两名家属评分后结果模型1总分（45.17±0.20）分，模型2总分（45.33±0.57）分，两者之间相比各项目及总和评分差异无统计学意义（P>0.05），见表3。

3  讨论

肾细胞癌作为泌尿系统常见的恶性肿瘤之一，早期手术治疗为治疗首选，而近年来保留肾单位的肾肿瘤切除术在肾癌手术中的占比正逐渐升高。保留肾单位的肿瘤切除术不仅对手术者提出了更高的技术要求，也对术前肿瘤的预估和手术的规划提出了更高的要求。3D打印技术作为一项新兴的技术，其特点就是个性化定制和高精度还原，而随着可用于打印的材料越来越多，3D打印的还原程度得到了进一步的提升，因此其在医学中尤其是外科手术中的应用也越来越广泛[4-7]。在泌尿外科肾脏肿瘤诊疗中应用3D打印技术国内外都有报道，Zhang Y等将肾脏3D打印应用于手术前与患者沟通，结果发现3D打印肾脏模型在沟通中起到了重要的作用，患者及其家属从直观的模型中认识了肾脏和肾门血管的结构，理解了手术的目的和风险[8]。Glybochko PV等将3D打印肾脏用于泌尿外科肾肿瘤手术规划与模拟，结果发现相较于传统的通过CT扫描来观察肾脏，3D打印肾脏更为直观，明显提高了受训者肾部分切除手术技巧，使得手术者能为患者选择最佳的手术策略[9]。葛宏伟等对10例肾肿瘤患者其肾肿瘤进行3D打印，并通过后期着色的方法区分肾组织、肿瘤组织、肾门血管及集合系统，通过泌尿外科专家对3D打印模型准确性进行评估，同时将肾脏3D打印模型用于术前沟通，结果表明肾脏3D打印模型能够很好地显示肿瘤与肾脏的关系，并可以有效帮助医生进行手术规划，还可以用作与患者交流的工具，使医患沟通变得顺畅[1]。曹志强同样应用肾脏3D打印模型于手术规划和术前沟通和宣教，结果发现3D打印肾脏模型有利于改善患者对手术的认知以及术者术前确切规划、术中精准切除、术后确保疗效[2]。黄建荣等[3]将3D打印肾脏模型应用于模拟手术指导，结果发现3D打印模型指导的手术组其手术时间、血流阻断时间、出血量、术后恢复情况均要优于传统手术组。王振龙等通过3D打印或CT三维重建指导下应用肿瘤四点定位法切除完全内生型肾脏肿瘤取得了较好的效果，说明3D打印模型指导下的四点定位法，具有肿瘤定位准确、切除完整、围手术期并发症发生率低的优点[4-10]。此外还有越来越多的研究将3D打印技术应用于后腹腔镜下肾部分切除术，结果发现3D打印模型辅助后可显著缩短手术时间及肾蒂阻断时间，降低手术风险[11-13]。

该研究通过将CTU联合CTA图像进行三维重建，提升了肾脏三维重建的精准度，尤其对于肾脏动静脉及集合系统的还原程度要优于使用传统CT平扫+增强图像进行重建的模型，而建模精准度的提升又使得3D打印后成品模型的精准度同步提升，实体化的肾脏模型比三维重建的虚拟模型能够更好地理解个解剖结构的位置关系，对医患之间沟通和理解提供了更好地工具，同时在3D打印材质上的改进为应用3D打印模型进行模拟手术提供了必要的条件。对比既往对肾脏3D打印模型评估问卷结果可以发现，以往对模型整体评价、肿瘤还原程度及肾脏血管集合系统还原的评分分别为（7.8±0.7）分、（7.3±0.5）分和（6.0±0.6）分，该次研究两个模型的评分则分别为（8.13±0.63）分、（8.38±0.48）分、（7.88±0.25）分和（8.50±0.57）分、（8.25±0.29）分、（8.13±0.25）分，均较既往研究有了较大的提升，表明CTA+CTU三维重建精度显著提升。而对于模型对手术规划的作用，对比既往研究发现，两项不同的研究中，3D打印模型对手术方案规划的评分分别为（8.0±1.1）分及（5.7±2.5）分，该次研究两个模型的评分则分别为（8.38±0.47）分及（8.50±0.57）分，也是要優于既往的研究的，表明模型精度的提升使得其对手术规划的作用越来越显著。但是该次研究限于经费和时间原因，仅仅构建了两个3D打印模型，并且未能进一步利用3D打印模型进行模拟手术，在进一步的研究中，将会继续扩大样本量，同时将模型固定于腹腔镜模拟器中进行模拟手术。

综上所述，3D打印技术的不断发展使得其必将对现代医学带来巨大的帮助和变革，3D打印模型精度的提升和材质的变革使其有望成为改进泌尿外科肾癌手术认知和规划的较好的辅助工具。

[参考文献]

[1]  葛宏伟，张弋，李宁忱，等.3D打印技术在肾肿瘤手术规划中的应用研究初探[J].中华泌尿外科杂志，2014，35（9）： 659-663.

[2]  曹志强，柳云恩，刘龙，等.3D打印技术在肾脏部分切除术中的应用[J].解放军医药杂志，2015（11）：6-9.

[3]  黄建荣，邓小林，宋乐明，等.3D打印技术在肾脏肿瘤中的应用[J].当代医学，2016，22（3）：148-149.

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（收稿日期：2020-01-04）