近年来，随着医学影像学及数字化技术的快速发展，医学三维重建技术已广泛应用于医学各学科领域。三维重建技术因其清晰、直观展现各组织间的解剖关系，为临床诊疗工作提供辅助，尤其在骨科及牙科方面应用最为成熟^[1-5]。相对于骨性组织而言，软组织因其血供、组织密度、空间结构分布等原因导致目前对于软组织的三维重建较为复杂、精度差。泌尿系统疾病发病率较高，如肾肿瘤、肾结石等^[6-9]，这类疾病大多需要外科手术处理，因此明确病变组织与肾脏正常组织的解剖关系至关重要。目前临床常用辅助工具有增强CT、CTA等，这些二维图像或单一组织立体图像能够为手术提供一定的帮助，能获得更好的围手术期结果，如降低肾脏热缺血时间等^[10-11]，但这些技术存在一定的缺陷，如不直观、立体、各组织不能融合为一个图像等，对手术的规划有限，需要术者术中临时规划大部分的手术方案^[12-15]。为解决以上困境，本团队自主研发Uromedix-3D肾脏三维重建软件，在研发初始就对软件和肾脏增强CT扫描参数进行严密契合得到最合适的增强CT扫描参数，重建出最精确的肾脏解剖结构及相互间的解剖关系。重建三维立体图像及测量结果为充分认识病情、合理术前规划、精确手术操作及获取更好的围手术期结果提供客观依据。

（1）计算机；（2）软件：Uromedix-3D系统（肾脏结构3D打印机数字重建系统）；（3）CT仪：飞利浦256层螺旋双源CT；（4）研究对象：2015年12月~2018年10月我科肾脏病变病人，包括有肾肿瘤、肾结石、UPJO等病人；（5）数据：DICOM格式肾脏增强CT薄层原始数据。

患者空腹，检查前30 min饮水200~400 mL，减少CT伪影，并通过利尿降低造影剂对患者肾脏的损害。先取肾脏CT平扫，选定需要扫描区域。增强扫描时，使用高压注射器从患者肘静脉注射非离子型对比剂（对比剂80 mL，生理盐水40 mL，速率3.5 mL/s），并要求患者屏住呼吸完成单期图像扫描。各期延迟扫描相为：皮质期检测腹主动脉CT值而自动触发扫描，触发阈值设定为150 HU。髓质期和分泌期延迟扫描时间分别为75 s和300 s，CT机扫描参数设定为管电压100 000 V，管电流自动，螺距0.601 mm。容积扫描后图像拆薄为层厚0.9 mm，相邻两层容积重建间隔为0.45 mm，可见不同分辨率的CT图像上差距（图 1A）。CT容积重建方法有多平面重建（MPR）、容积再现(VR)、最大密度投影（MIP）。图像处理后刻盘保存原始数据。

图 1(Fig.1)

图 1 高精度CT图像及动脉重建 Fig.1 High precision CT image and reconstruction of the artery. A: CT images at different resolutions; B: Arterial and renal cortical contours reconstruction through the arterial phase CT images; C: Representative image of renal arterial reconstruction; D: Representative image of the renal cortex contour reconstruction

将获取的原始CT数据以DICOM格式导入到Uromedix-3D系统软件中，如数据未事先分期，则可利用软件中自带“数据分期”功能进行图像自动分期。之后可在软件中分别打开和浏览平扫期、动脉期、静脉期、分泌期各期图像。

选择动脉期图像重建出腹主动脉及肾动脉。动脉期因造影剂凝聚于动脉血管及肾脏皮质内，而髓质、静脉集合系统不显影，两者形成较大的灰阶差，故多于动脉期进行腹主动脉、肾动脉重建。选择分割阈值范围常规设定于200~2000，于动脉任一断面上选择一个点提取数据，整个动脉可自动完成阈值分割并提取腹主动脉、肾动脉及脊柱（图 1B），可根据需要立即选择剔除骨性结构或后期删除脊柱即得到需要动脉结构（图 1C）；同时需调低阈值分割下限值以获取肾脏皮质轮廓三维图形为各期图像配准用（图 1D）。

选择静脉期图像重建出腔静脉及肾静脉。在多次探索后发现在1.2所述扫描参数下静脉显影与周围组织的灰阶差最大，能够有效的进行阈值分割。通过自动阈值联通算法，选择腔静脉或肾静脉内任一点作为种子点，系统即可自动完成提取分割，并能通过不断的补充连通区域达到分割线与静脉边界重合，从而获得完整的静脉分割图像并完成静脉的三维重建。同样方法可获取肾脏轮廓三维图形用于各期图像配准（图 2A~C）。

图 2(Fig.2)

图 2 静脉期及分泌期重建 Fig.2 Reconstruction through the venous and secretory phases. A: Venous system reconstruction based on the venous phase CT images; B: Renal contour reconstruction based on the venous phase CT images; C: Representative image of veins and kidneys; D: Collecting system and kidney reconstruction based on the secretory phase CT images; E: Tumor reconstruction based on the secretory phase CT images; F: Representative image of collection system, kidney, and tumor

选择分泌期图像重建出肾脏、肿瘤、肾盂肾盏及输尿管。在分泌期时，造影剂已代谢排泄至集合系统内，这时肾脏实质密度均匀。图像分割采用自动阈值连通算法，种子点可至于肾实质内任一点，通过设置较高的连通敏感性将种子点周围相似灰阶的像素点纳入分割范围，可以选择性于不同位置增加种子点数量以补充连通区域达到分割区域完全覆盖至肾脏边界。完成肾脏实质的图像提取及三维重建（图 2D，E）。同样方法完成肾脏肿瘤的图像提取及三维重建，但肿瘤内部有时会密度不均匀现象存在，故采用低连通敏感性能较快、完整完成提取重建。用重建动脉的方法完成肾盂肾盏及输尿管的图像提取及三维重建（阈值分割范围常规设定在220~2500，图 2F）。

在各期完成各组织三维重建后，后期需对重建图像进行处理后才能达到临床使用的标准。后期处理最常用有模型表面平滑、透明度修改、配准等，其中配准尤为重要。因各组织于不同分期内重建，但扫描时患者呼吸运动等会造成各期重建图像位置在同一空间呈现有位置偏移，故需要移动各期重建图像已达到位置配准（图 3A，B）。

图 3(Fig.3)

图 3 图像配准及数据测量 Fig.3 Image registration and data measurement. A: Arterial kidney contour and secretory kidney were dislocated before registration; B: Arterial kidney contour and secretory kidney were identified after registration; C: Measurement of angle; D: Measurement of tumor volume and surface area; E: Measurement of the diameter of the kidney defect; F: Observation of the structures of the kidney in a cross-section view

Uromedix-3D系统自带有长度距离、空间体积等数据测量，可以用于肾脏大小、病变组织大小、各结构组织之间的空间距离、血管分支角度等测量，用于辅助手术（图 3C~E）。

三维图像重建及配准完成后，可以对图像进行旋转观察，选择性打开需要的组织图像，对实性组织透明化、切割观察内部解剖关系等（图 3F）。

从2015年12月~2018年10月共完成重建工作173例，其中包括有肾肿瘤（图 4A~C）、肾结石（图 5D）、肾上腺肿物、腹膜后肿物等（表 1）。肾肿瘤中左右侧肾肿瘤比例基本相同，双侧多发肾肿瘤占5%。所有三维重建均由同一个临床医生独立完成，重建平均时间约为31.24±2.012 min。

图 4(Fig.4)

图 4 肾肿瘤及结石 Fig.4 Renal tumor and kidney stone. A: Left kidney single tumor (yellow); B: Double renal tumors accompanied with right kidney cyst (green); C: Multiple renal tumors; D: Kidney stones (blue) and adjacent tissues

图 5(Fig.5)

图 5 重建精度及准确性 Fig.5 Precision and accuracy of reconstruction. A: The 7th grade arterial branch; B: The 5th grade arterial branch; C: Accessory renal artery; D: Multiple renal arteries in both sides; E: The 4th grade vein branch; F: The 3rd grade vein branch; G: An tumor supplying artery; H: An artery closed to the tumor; I-J: Comparison between the reconstruction images and gross specimens; K: 3D Print model

表 1(Tab.1)

表 1 重建病种分类 Tab.1 Classification of the lesions in the 3D reconstruction studies Disease Renal tumor Kidney stone Adrenal masses Retroperiton-eal masses UPJO Nutcracker syndrome Hema-ngioma Other Total Number 147 7 4 4 4 2 1 4 173 Number Percentage (%) 84.9 4.0 2.3 2.3 2.3 1.1 0.6 2.3 100

表 1 重建病种分类 Tab.1 Classification of the lesions in the 3D reconstruction studies

以上病例中共完成肾动脉重建工作170例，肾动脉最精确能达到7级动脉分支（图 5A），主要分布在5级动脉（图 5B），最低为2级动脉分支（表 2）。发现副肾动脉24例（14%），其中来源于腹主动脉18例；2支及以上肾动脉13例（7.6%），第2支及以上来源于腹主动脉9例（图 5C，D）。

表 2(Tab.2)

表 2 重建患侧动脉分支级数分布 Tab.2 Number of the artery branches on the lesion side Artery Branch 2 3 4 5 6 7 Total Number 2 23 36 63 38 8 170 Percentage (%) 1.0 14 21 37 22 5.0 100

表 2 重建患侧动脉分支级数分布 Tab.2 Number of the artery branches on the lesion side

共完成静脉重建工作164例，其中静脉分支级数主要分布在2级，少数最高达到3~4级静脉分支（表 3、图 5E，F）。

表 3(Tab.3)

表 3 重建患侧静脉分支级数分布 Tab.3 Number of the vein branches on the lesion side Vein Branch 1 2 3 4 Total Number 26 110 24 4 164 Percentage (%) 16 67 15 2.0 100

表 3 重建患侧静脉分支级数分布 Tab.3 Number of the vein branches on the lesion side

重建图像与术后标本吻合一致。完成重建以肾脏肿瘤为主，术前及时发现供应肿瘤分支动脉（图 5G）及贴近肿瘤走行动脉（图 5H），术后对比发现肿瘤标本形态、大小与重建图形术前测量吻合（图 5I~J）。其中术前根据重建图像进行3D打印实物模型14例（图 5K）。

保留肾单位的肾部分切除术（PN）是目前欧洲泌尿外科协会推荐的T1期肾癌最佳手术方式^[6]。本研究团队基于Uromedix-3D系统重建图像指导腹腔镜下肾部分切除术术前规划与CT图像指导手术规划做了对比研究^[16]，研究表明，三维重建组在手术时间、肾动脉阻断时间（包括肿瘤切除时间与缺损缝合时间）均比CT组短，术后24 h及48 h引流液均比CT组少。由此可表明在腹腔镜下肾部分切除术中，三维重建图像指导手术规划对术中血管定位、肿瘤切除和缺损修补等方面比二维图像更形象、直观，并能有效减少肾脏热缺血时间及降低术后并发症发生的可能性。

本团队完成2例腔静脉瘤栓患者术前肾肿瘤及瘤栓的三维重建工作，两例重建图像均在手术中发挥重要作用。术后比较发现，重建图像能从瘤栓的形态、长度上与标本完全符合（图 6A~C）。术者术后表示，三维重建图像指导瘤栓取出术时，能够明确指示切开腔静脉的方位及长度，有效避免过多损伤腔静脉及切开腔静脉时损伤到瘤栓导致瘤栓断裂脱落，同时术后标本可与重建图像进行长度、形态对比以判定瘤栓是否完整取出。

图 6(Fig.6)

图 6 腹膜后其他疾病 Fig.6 Other retroperitoneal diseases. A: The spatial relationship between vena cava tumor thrombus (yellow) and adjacent tissues; B: The length measurement of the tumor thrombus on the reconstruction image; C: The length measurement of the tumor thrombus on the gross specimen; D: Collecting system constricted by accessory renal artery; E: Collecting system constricted by renal artery; F: The spatial relationship between Castleman disease (yellow) and adjacent tissues (dorsal and ventral view)

本团队重建2例异位肾动脉压迫输尿管导致的UPJO病例（图 6D，E），由于术前已明确血管来源、压迫方位、血管大小及血管供应肾脏组织范围，故直接选择行输尿管裁剪成形术，术中未进行过多的组织分离探查，根据重建结果直接找到异位动脉压迫梗阻处按照手术规划行手术治疗，2例均未造成异位动脉损伤，同时缩短了手术时间。

本团队在重建过程中，有过大量的腹膜后肿物的重建病例探索，其中包括肾上腺肿物、Castleman病（图 6F）、神经鞘瘤等，我们发现重建图像能够清晰展示肿物与腹膜后血管、肾脏及腹腔组织的关系，对于手术方式的选择及有效术中避免损伤有重要的意义。

随着外科医生对手术精细化和个体化的要求日益提高，肾脏三维模型因其独特的空间观察及测量优势已经得到泌尿外科的临床认可^[13,17-19]。但是就目前而言，肾脏三维重建存在不可忽视的技术缺陷，即精度差和效率低^{[13-15,20-23]}，究其原因为缺乏精确的肾脏增强CT数据和肾脏专业重建软件。人体肾脏三维重建为CT扫描的逆向过程，只有显影更精确、层次更薄的CT图像才能还原真实的解剖结构。本研究通过查询资料及临床探索对比后改良了扫描参数，获取的超薄层CT图像（层厚0.9 mm，分辨率768×768）精度更高^[14,23-25]，能重建出更精确的三维图像。UroMedix-3D系统为本研究团队针对肾脏结构特点、造影剂代谢方式和泌尿外科医生临床实际需求开发出来的泌尿外科专科化的肾脏数字化三维重建软件，通过自动阈值连通算法能快速自动识别和准确分割目标组织，摒除了传统重建工具如Mimics系统需要在数百上千张CT图像上逐层描绘组织边界来分割图像的方式^[14-15]，排除了操作人员的主观性带来的误差，简化了重建过程，提高了重建的效率和精度。同时UroMedix-3D系统操作简单，不需要专门配备软件工程师，临床医生只需要2~3例的重建学习后即可独立完成肾脏及相关组织的重建工作，平均重建时间可控制在30分钟左右。

本研究中重建的肾动脉分支级数多为5级（最高7级），静脉分支级数多为2级（最高4级），该结果可以表明肾脏血管的重建精度很高，能够满足临床需求。我们也通过临床工作验证了重建结果能够与实体解剖结构相吻合，表明了重建结果的准确性^[16]。所以，在改进了CT扫描参数后获取的高精度超薄CT数据结合专业的肾脏三维重建软件，我们能够重建出精细、准确的肾脏三维模型。

在临床和科研工作中，将指标量化非常重要，三维立体模型打破二维图像测量的平面局限性，能全方位、精确的完成空间测量。利用UroMedix-3D系统能够从三维空间上全方位的量化肾脏各解剖结构特征，具有方便、快捷、准确的特点，为手术规划和术中指导提供客观的数据支撑。如图 3D中对肾脏肿瘤的体积、表面积、最长径等进行测量，图 3E中可以对肾脏肿瘤切除后的缺损大小进行测量用于指导手术缝合。在LPN术中，我们通过测量肿瘤与肾脏边缘的距离，术中精准定位并制定合理的切缘距离，保证切缘阴性；测量肾脏缺损体积、与肾脏边缘的距离来评估缝合难度，制定相应的缝合方案；测量肾蒂血管的长度、夹角、观察有无异常血管，术中精准定位、分离并保护重要组织。对比CT等二维图像，三维立体模型在观察上更加形象直观，在测量上更加便捷、准确、全面，保证了手术的效率和安全性^[16]。

本团队已经将三维模型用于指导LPN术并获得了良好的手术效果，验证了肾脏三维重建的准确性和指导LPN手术的优越性^[16]。同时对于其他特殊的疾病，我们也利用有限的病例验证了三维重建的实用性，并认为有广阔的应用前景。手术为肾肿瘤合并下腔静脉瘤栓的首选方案，但手术风险较大^[26-28]，术者通过三维模型可以很清晰的观察到瘤栓在下腔静脉内的形态、大小、走行，计算出瘤栓对下腔静脉梗阻的程度，由此得到合理规划手术的关键信息^[29]。已完成重建的瘤栓三维图像能够与术后标本完全匹配，规划选择切开下腔静脉具体位置及切开长度与术中实际情况吻合，提高了手术的安全性，同时也达到手术治疗的预期效果。异位动脉压迫是导致UPJO的重要原因之一，多能通过手术治愈^[30]，术前能通过三维立体图像证实病人UPJO是由异位肾动脉压迫导致（如图 6D，E），能明确异位肾动脉走行、压迫输尿管的具体方位及其供应肾脏组织的范围。根据三维图形的引导，术中能精确、快速定位分离到输尿管狭窄处并实施手术，术中未过多分离探查异位动脉和输尿管，缩短了手术时间，降低损伤血管的风险。腹膜后肿物来源较多导致解剖关系更为复杂，三维立体图像能够清晰精准显示肿物与毗邻各组织的关系，尤其是与腹膜后的血管的解剖关系，这对腹膜后外科手术的术前规划有重要意义，术中能有效避免不必要的损伤。

综上所述，高精度CT数据结合Uromedix-3D系统能够准确、高效、清晰的重建出人体肾脏及病变组织的三维立体结构，为术前充分了解病情及术前规划提供客观依据，将其用于指导泌尿外科手术能获得更好的围手术期结果。