【原】泌尿外科领域3D 重建和 CAD 模型技术

二维 (2D) 成像方式的三维 (3D) 虚拟重建极大地改进了泌尿外科领域的最佳手术计划和解剖可视化过程。在过去的三十年里，泌尿外科领域已将 3D 重建技术应用到临床实践中，以用于手术计划，特别是在前列腺癌和肾癌的管理方面。在 3D 空间中呈现 2D 图像的能力彻底改变了专家外科医生或学生理解外科解剖学的方式，特别是在泌尿外科领域，了解各种泌尿生殖系统疾病。然而，已发表的文献表明，3D 成像和重建技术已经超越了单纯的手术实践。虚拟 3D 模型还有助于提高医生与其患者之间的对话质量，他们现在能够更好地了解他们的疾病和治疗方案。在本章中，我们概述了泌尿外科中各种 3D 重建方式的历史、基本方法和益处，以及它们如何随着时间的推移而发展。此外，我们将讨论 3D 重建如何帮助塑造现代泌尿外科领域。

人类被赋予了在三个维度上与周围世界互动的能力。在研究解剖学、计划手术病例或了解不同器官系统的生理过程时，学生和医疗专业人员等在获得可视化结构的工具（例如尸体、打印模型和交互式视觉表示。直到三十年前，医学成像技术还仅限于解剖结构的简单 2D 渲染，例如超声 (US)、计算机断层扫描 (CT) 和磁共振成像 (MRI)。医生在术前为复杂病例做准备的能力仅限于审查患者的扫描结果并咨询过去可能遇到过类似病例的同事。对自己的疾病或治疗计划几乎没有实际知识的患者通常会在对他们在术中和/或术后期望的期望只有模糊的了解的情况下进行外科手术。然而，自 1990 年代初以来，横截面成像技术的进步与处理能力的指数级增长相结合，使医疗专业人员能够在 3D 空间中描绘人体解剖结构并与之交互。具体来说，在泌尿外科领域，计算能力的崛起恰逢“精准手术”时代的开始[1] 其中腹腔镜和机器人辅助手术技术允许采用微创方法治疗许多泌尿生殖系统恶性肿瘤。多年来，随着治疗无数不同泌尿系统疾病的手术技术不断发展，医生用来为病例做最佳准备并更好地了解患者独特解剖结构的 3D 成像技术也在不断发展。

2.1.1 3D重建的基本方法

从广义上讲，构建 3D 图像的过程包括首先从 2D 图像中获取原始数据点，然后使用计算机算法估计和推断新的数据点（插值），随后将这些数据点渲染成粗糙图像，最后可视化该图像在 3D 空间中。（图2.1）。

在新窗口中打开图片

图 2.1 创建 2D 图像的 3D 重建时所需的逐步过程的示意图

2.1.1.1数据采集

对于构建 3D 图像的逐步序列中的每一步，都必须记录与图像中元素的空间方向有关的数据，这些数据是三个空间平面（即 x、y 和 z）的组成部分。在更先进的成像方式中，例如 CT 和 MRI，这个过程并不难实现。使用这些成像类型，扫描台捕获目标区域的横截面图像，能够在患者通过扫描仪时自动识别 3D 空间中图像的每个片段的位置 [3]。

然而，像 US 这样的成像模式缺乏在 3D 空间中映射图像的能力（即在 z 轴上配准图像），使得 3D 重建的过程更加困难。US 无法以 CT 和 MRI 使用扫描台能够实现的相同方式在 3D 空间中注册图像的位置方向。相反，US 依靠声学、电磁学和/或光学定位设备（例如 US 换能器）来记录所记录的每个 US 图像的坐标。

与 CT 和 MRI 不同，超声检查本质上是一种非机械化成像方式，主要依赖于“徒手”扫描技术。3,4]。使用非机械化图像扫描系统，对成像探头（或换能器）的移动没有强加限制，因为人类而不是计算机的任务是确定他或她希望选择哪里作为扫描区域对图像的兴趣。在美国，医生可以完全控制他们希望放置超声换能器的位置以及如何放置探头，以获得他们认为最能代表他们正在检查的感兴趣区域的图像。

2.1.1.2插值

在收集连续图像和原始位置数据后，它们随后在称为插值的过程中进行处理和编辑。数据点的插值有效地涉及使用几种计算机算法来填补原始数据集中存在的空白，以便生成可用于生成 3D 图像的数据集 [4]。由于 US 成像的非机械化性质，US 收集的图像通常包含比 CT 和 MRI 图像更多的“间隙”和伪影，使得插值过程更加困难和精确度降低。出于这个原因，美国图像通常包含更多多孔的 3D 数据集，导致最终的 3D 重建图像不是成像解剖结构的真实表示 [3]。尽管 3D 技术随着时间的推移取得了相当大的进步并部分解决了这个问题，但基于美国的数据集中存在的差距是 3D US 重建使用频率低于 3D CT 和 3D MRI 重建的主要原因。

2.1.1.3渲染

一旦通过插值算法获得最终的 3D 数据集，计算机生成的 3D 图像就可以以几种不同的方式呈现。术语“渲染”是指将 3D 数据集映射到 2D 屏幕以进行可视化的过程。虽然渲染的图像不会比典型的轴向图像提供更多的信息，但是，它们确实为观众提供了对空间信息和解剖关系的更好理解[3]。

有四种主要的渲染方法需要注意：（1）最大强度投影（MIP），（2）多平面重新格式化（MPR），（3）表面渲染（或阴影表面显示，SSD），和（4 ) 体积渲染。

MIP 渲染方法是一种可视化 3D 数据的方法，它只呈现最亮的体素（即 3D 网格上的值，类似于“像素”在 2D 空间中表示的值）[3]。当目标对象是图像中最亮的对象时，最好使用 MIP，并且通常用于评估注射了造影剂的结构，例如在 CT 血管造影和 CT 尿路造影中。5,6]。此外，由于这些特性，MIP 也是暴露高衰减动脉或结石的一种很好的渲染方式 [3,7,8]。然而，由于该技术仅从具有最高值的数据中提取，因此 MIP 图像通常包含 10% 或更少的原始数据集，从而限制了生成图像的保真度 [7]。出于这个原因，当计算机处理能力限制了高级成像技术的可访问性时，通常使用 MIP 渲染技术。

多平面重建 (MPR) 是一种渲染技术，它从轴向 CT 图像中提取数据以创建非轴向 2D 图像。9]。MPR 图像可以描述为冠状面、矢状面、斜面或曲面图像，这些图像是从厚度仅为 1 体素的平面横切一堆轴向图像生成的。10,11,12,13]。该技术对于评估经直肠超声 (3D TRUS) 的 3D 表示特别有用，因为某些感兴趣区域可能仅在轴向切片上并不容易显现[3]。

着色表面显示 (SSD)（即表面渲染）提供对象表面的 3D 视图，并以不同的密度（或不透明度）对各种表观表面进行着色，从而为图像提供深度元素。SSD 根据观察到的光强度和存在的阴影量，以不同程度的灰度对图像中的每个表观表面进行阴影处理 [14,15,16]。这种技术在重建 CT/MR 膀胱镜图像时特别有用[3]。然而，正如 MIP 丢弃任何价值较低的数据一样，SSD 丢弃除表面定义数据之外的所有数据，表面定义数据通常仅包含不到 10% 的采集数据 [17]。

体绘制是一种可以产生更高保真度图像的技术，它使用 3D 图像中的所有可用体积 [9]。使用最初为电影电脑动画开发的技术 [17,18]，体绘制使用各种计算技术在从 0 到 100%（完全透明度到总不透明度）的完整光谱上分配不透明度值 [19,20]。体绘制使用结构的不透明度和照明信息来揭示结构之间的空间关系。此外，体绘制涉及为不同的组织分类应用各种颜色，同时为单独的照明效果保留灰度色调。通过这种方式，体绘制过程可以快速处理 3D 数据集并以对人类光学能力而言更自然且对深度感知更直观的方式创建/着色图像 [21,22]。因为所有获取的数据都可以用于这种渲染模式，所以体积渲染需要比 MIP、MPR 或 SSD 更多的处理能力。

2.1.2临床泌尿外科实践中 3D 重建方式的历史

2.1.2.1临床泌尿外科3D重建的第一次迭代

临床泌尿外科实践中首次提到 3D 重建是在 1990 年，当时 Kaneto 及其同事旨在绘制先天性肾积水患者输尿管盆腔交界处 (UPJ) 的 3D 肌肉结构图。23]。在这项研究中，先天性肾积水患者的连续 UPJ 组织学切片沿输尿管轴纵向采集，固定在福尔马林中，并包埋在赛洛汀-石蜡中。随后对每个组织切片进行立体形态测量分析（即大小和形状的定量分析）以确定平滑肌层的任何结构变化。为了从这些连续的组织切片中可视化 UPJ 的 3D 肌肉结构，Kaneto 及其同事使用计算机辅助重建技术将切片简化为一系列矢量束，以便切片的排列可以表示为矢量分布。从最终的向量分布，

2.1.2.2计算机断层扫描和超声检查

在 Kaneto 及其同事从一系列组织切片中创建 UPJ 的 3D 表示之后几年，Hubert 及其同事展示了使用螺旋 CT 采集技术对各种肾血管、肾盏和实质表面进行 3D 重建的能力。这项研究不仅在记录使用 CT 技术创建 3D 肾脏重建的第一个实例方面具有影响力，而且还证明了对各种泌尿系统现象进行 3D 重建的可行性，包括获得性先天性畸形（即马蹄肾、巨输尿管、异位器官）畸形（即憩室和膀胱小梁）、肾结石（包括鹿角形结石）和肾移植[24,25]。

当 Hubert 及其同事发布基于 CT 的 3D 重建的初步数据时，Crivianu-Gaita 及其同事希望在他们位于罗马尼亚的小县医院重新利用 3D 重建技术来帮助计算前列腺体积，从而更好地评估患者疑似前列腺腺瘤。然而，与休伯特的团队不同，该团队既没有 CT 机器也没有直肠内超声检查（研究前列腺肿瘤的最合适的成像方式），这迫使 Crivianu-Gaita 及其同事想出一种新的前列腺建模方法。

县医院的泌尿科医生接受了通过经腹检查使用超声估计估计的培训，这是一种确定前列腺肿瘤体积的精确得多的方法。然而，精确计算前列腺体积对于选择治疗前列腺腺瘤的手术方法尤为重要，Crivianu-Gaita 指出，在他们的机构内，在中小型腺瘤病例中存在高估前列腺体积的趋势。因此，Crivianu 及其同事创建了一个软件工具，可以从 2D 超声图像合成逼真的 3D 前列腺模型，并最大限度地减少计算前列腺体积时的错误。Crivianu-Gaita 将 29 名患者的真实前列腺体积与超声设备和 3D US 软件计算的结果进行比较，发现他们的应用产生了 9 的平均误差。26]。

在 Crivianu-Gaita 的研究检查前列腺肿瘤体积后，3D US 技术很快被用于许多其他泌尿外科目的，包括检查输尿管的腔内 [27] 并为核心活检模拟创建模型 [28,29,30]。Bagley 及其同事首次发表了初步数据，证明了输尿管 3D 腔内超声检查在检查输尿管狭窄、输尿管盆腔交界处、输尿管肿瘤和输尿管膀胱交界处的有效性。在他们的研究中，他们使用连接到专用超声单元的 6.2F 腔内超声导管来拍摄输尿管腔内管道的连续横截面图像。随后，Bagley 及其同事能够使用体积渲染技术生成输尿管的高保真 3D 模型，该模型能够暴露管腔的不规则结构和内部特征。27]。

Egevad 及其同事利用 3D 重建从经直肠超声引导活检中模拟前列腺病变。在他们的研究中，他们比较了模拟 10 次活检方案与传统六分仪术前活检方案的癌症检出率和相关肿瘤体积。对 81 名患者进行了经直肠超声引导的核心活检，这些患者接受了根治性前列腺切除术，并将他们的标本进行了阶梯式切片和整体安装。使用这些切片，重建每个前列腺的 3D 体积，将模拟真实活检位置的虚拟核心活检针插入前列腺，并计算癌症产量。Egevad 及其同事发现，在通过 10 次标准虚拟活检检测到的癌症中，有 24% 的癌症在六分仪活检中仍未被发现。28]。Egevad 及其同事支持前列腺活检的 3D 模拟可以改进活检方案的观点，这一事实在随后的研究中得到了进一步证实。29,30]。

2.1.2.3磁共振和透视

到 2000 年代中期，随着腹腔镜检查和微创手术成为泌尿外科领域的标准做法，对比增强磁共振血管造影 (MRA) 和成像 (MRI) 变得越来越普遍。MRA（和 MRI）变得越来越流行，因为它与 CT 成像相比具有明显的优势，因为它不需要肾毒性和过敏性对比材料，并且避免了电离辐射。多年来，腹部非对比 MRA 的使用受到成像时间长、运动伪影和技术缺乏标准化的限制。然而，本世纪初在 MR 硬件、软件和扫描方面的新进展有助于缩短成像时间并显着提高整体图像质量。31,32,33]。Wang 及其同事发表了首批利用术前 3D MRA 技术在腹腔镜肾脏手术之前进行肾脏重建的研究之一。在将他们的 3D MRA 图像重建与实际术中发现进行比较时，Wang 及其同事发现他们的 3D 模型与真实的肾脏解剖结构密切相关（96%），特别是在异常脉管系统（即重复的肾动脉或静脉、辅助血管和交叉）方面船只）。这些发现首先证明了 3D MRA 在提供高度准确和详细的肾血管系统重建方面的价值 [34]。

传统上，肾血管解剖和功能模式已经在放射成像的帮助下进行检查，例如血管造影、对比 CT 或 MRI，并计算机化为 3D 重建模型。然而，这些放射学方法仍然存在的一个问题是 3D 图像质量不足以查看肾脏微血管。随着外科和放射学实践继续向高度选择性的保留肾单位技术发展，在治疗前检查微血管系统和了解复杂的肾脏解剖结构变得至关重要。此前一项研究表明，使用荧光成像低温切片术可以清楚地暴露山羊心脏中直径小至 40 μm 的血管。35]，Lagerveld 及其同事评估了荧光铸造、冷冻切片机成像和 3D 计算机重建的组合使用是否可以提供一种在猪肾脏模型中可视化肾血管树的新方法。Lagerveld 和他的团队能够创建动脉血管树的 3D 重建，显示完整的猪肾动脉解剖结构，分辨率高达 50 μm [36]。（图2.2）。

在新窗口中打开图片

图 2.2 3D 重建技术发展中重要和创新研究的时间线

2.1.3 3D 重建的现代应用

2.1.3.1 3D打印

虽然 3D 打印多年来一直在制造商中司空见惯，但 3D 打印和模型的应用在泌尿医学领域一直是一个相对较新的发展。2014 年，Priester 及其同事在临床泌尿科实践中检验 3D 打印的实用性的首批研究之一是使用患者特定的 3D 打印模具评估前列腺癌 MR 成像的一种手段。37]。从那时起，许多研究发表的数据强调了 3D 打印技术在帮助理解肾脏和前列腺血管和结构解剖学方面的重要性和价值，特别是在癌症的情况下。

关于前列腺癌，3D 打印技术已被证明是一种有价值的临床和教育工具。物理 3D 打印模型帮助医生更深入地了解肿瘤相对于周围脉管系统的位置 [38]。此外，根据 Porpiglia 及其同事的说法，术前仔细检查 3D 打印的前列腺模型有助于增强医生术前的信心，并在术中感知手术精度。39]。其他人还表明，显示疑似前列腺病变的 3D 打印模型有助于影响手术治疗过程，并鼓励外科医生更频繁地采用保留神经的技术。40]。

关于各种肾皮质肿瘤的手术治疗，Silberstein 及其同事表明，在计划保留肾单位的手术时，肾脏恶性肿瘤的 3D 模型已成为医生有用的诊断参考工具，尤其是在常规 2D 成像效果不佳的情况下。41]。3D 打印模型已被证明可以鼓励外科医生采用更复杂、更精确的手术治疗方案，因为外科医生在咨询物理模型后，对患者独特的肿瘤形态和术前体积有了更深刻的了解。

2.1.3.2增强现实（AR）

增强现实 (AR) 是指在术前或术中将 3D 虚拟图像叠加或对齐到患者的实际诊断图像或视频上。45]。为了将 AR 应用到外科手术中，需要几个关键步骤。首先，需要从标准 2D 图像重建 3D 手术模型。其次，这些 3D 模型必须集成到成像软件中，以便它们可以叠加到患者的诊断图像或实时视频上。最后，在术中，外科医生必须使用头戴式可穿戴设备，例如索尼的头戴式 3D 查看器或 Google Glass™，以便能够跟踪手术器械相对于手术区域中目标器官的运动。46,47]。

几项研究已经检验了利用 AR 和头戴式显示器实时可视化内窥镜图像的价值和功效。在这些情况下，头戴式显示器与手术内窥镜、摄像头和 AR 软件进行物理连接，以便显示器可以将 3D 模型渲染叠加到实时术中视频上。迄今为止，AR 已被证明可有效帮助外科医生在根治性肾切除术中更好地了解患者的解剖结构和恶性肿瘤。48,49]，部分肾切除术 [50,51]，肾输尿管切除术 [52]，放置尿道支架[53]，以及各种肿瘤的治疗，如尿路上皮前列腺癌和肾癌 [54,55]。

2.1.3.3沉浸式虚拟现实（iVR）

医生可视化 3D 模型的能力远远超出了在平面计算机屏幕上检查静态图像的能力。幸运的是，Oculus™、Sony VR™ 和 Google Glass™ 等各种虚拟现实头戴设备的出现使医生能够在视觉和认知上处理 3D 图像。沉浸式虚拟现实 (iVR) 是一种可视化模式，它让医生在交互式模拟中体验到身临其境的 3D 模型。最近，Parkhomenko 及其同事证明了使用基于 CT 的 iVR 模型在经皮肾镜取石术 (PCNL) 手术中术前查看患者解剖结构的价值和潜力。（图2.3) 使用 iVR，外科医生被发现能够对患者的所有相关解剖成分进行精细操作、分离和可视化，包括肾实质、集合系统、结石和周围器官。Parkhomenko 及其同事发现，在这些 PCNL 病例中，iVR 提高了外科医生对最佳进入花萼以及结石大小、位置和方向的理解。在外科医生能够使用 iVR 查看患者图像的情况下，患者在术中透视时间显着减少，此外失血量减少、肾造口术减少和总体无结石率更高。56]。

在新窗口中打开图片

图 2.3 沉浸式虚拟现实 (iVR) 技术。( a ) 仔细检查患者非对比 CT 扫描的连续横截面图像（2-3 毫米厚），并在 3D Slicer 中对肾血管和肾实质进行着色（美国国立卫生研究院，贝塞斯达，马萨诸塞州）（bd）患者' 肾脏解剖可以在 3D 空间中可视化，并且使用 Oculus Rift 和 Touch 控制器（Facebook Inc.，Menlo Park，CA），观众可以与肾脏脉管系统和实质进行交互

2.1.3.4重新定义泌尿生理学和疾病

3D 重建已证明其在促进科学界对泌尿生殖生理学的理解方面具有价值，特别是在肾内和肾外神经方面。3D 重建技术的现代进步使得更好地可视化和绘制肾动脉、肾静脉、节段血管和肾内脉管系统中微观神经的自主分布成为可能。57]、膀胱[58]和输尿管[59]。从这些虚拟 3D 模型收集的信息提供了一种映射神经组织和泌尿道各个部分之间连接的方法，这是一个以前定义不明确的领域。此外，提高对局部神经解剖结构的了解有助于改进靶向神经调节疗法，并防止侵入性手术过程中不必要的组织损伤。

2.2结论

在过去的三十年里，3D 重建技术从早期阶段开始有了相当大的发展，尤其是在泌尿外科领域。这种改进不仅归功于成像方式和计算机处理技术的快速进步，还归功于泌尿外科界的共同努力，以更好地了解患者术前独特的解剖结构并最大限度地减少术中的手术侵入性。如今，3D 虚拟/打印实践已进入日常实践，用于治疗国际数百家机构的许多不同泌尿系统疾病。3D 重建已证明其作为手术计划、医生教育和培训以及更全面的患者咨询的有用临床工具的价值。