三维重建技术在肾脏外科中的应用

三维重建技术在肾脏外科中的应用

党越1▲，云志中2△，乔建坤2，黄翔华2，马可为2

1.内蒙古医科大学研究生学院，内蒙古 呼和浩特 010110；  2.内蒙古自治区人民医院泌尿外科研究所，内蒙古 呼和浩特 010017

【摘要】肾脏外科手术需要准确地了解肾脏的解剖结构和病变情况，并进行精确的手术规划和操作。通过三维重建技术，可以将多个影像数据集（如CT、MRI等）进行融合，生成高精度的三维肾脏模型。这样的模型能够呈现出肾脏的真实形态和空间位置，并能够提供更直观、全面的解剖结构信息，利于临床了解肾脏的局部结构和关系，预测手术风险并制定更精确的手术方案。本文从三维重建技术概述、肾脏结构重建、肿瘤定位和切除导航、肾脏移植手术辅助、手术培训和教学应用几个方面展开论述，旨在指导相关工作的开展。

关键词：三维重建技术；肾脏外科；应用进展

一、引言

肾脏外科是指对肾脏疾病进行外科手术治疗的科室。肾脏疾病包括肾肿瘤、肾结石、肾囊肿等，这些疾病在临床中经常需要通过外科手术进行治疗。肾脏外科手术的复杂性和风险性较高，因此需要准确的术前评估和精细的手术规划[1] 。传统的肾脏外科手术规划主要依赖于医生的经验和二维影像（如CT、MRI等）的解剖观察，但这种方法存在一些局限性[2] 。而三维重建技术通过将二维影像数据转化为三维模型，可以提供更加真实、全面的解剖结构信息。本文就三维重建技术在肾脏外科中的应用展开论述，现做如下总结。

二、三维重建技术概述

（一）三维重建技术的原理和方法

三维重建技术是一种将二维图像数据转化为三维模型的方法，通过对多个二维图像进行处理和分析，恢复出物体的三维形状和结构信息。它主要包括以下几个步骤：图像获取、图像预处理、特征提取与匹配、三维重建和模型优化。具体表现在：（1）图像获取：通过使用CT扫描、MRI等影像设备，获取目标物体的多个不同角度的二维图像。这些图像可以提供物体的不同面向的信息。（2）图像预处理：对获取的二维图像进行预处理，包括噪声去除、图像增强、边缘检测等操作，以提高图像质量和准确度[3] 。（3）特征提取与匹配：从预处理后的图像中提取物体的特征点或特征描述子，并通过匹配算法将不同图像之间相对应的特征点进行匹配，以获得不同视角下的物体对应关系。（4）三维重建：基于特征点的匹配结果，利用三角测量原理或体素填充等方法，将二维图像中的特征点恢复为三维空间中的点云或网格模型。这样就实现了对物体的三维重建。（5）模型优化：对生成的三维模型进行优化，包括噪声去除、平滑处理、形态学操作等，以提高模型的准确性和质量。通过上述步骤，三维重建技术可以将二维图像数据转化为具有形状和结构的三维模型，从而提供更加真实和全面的物体信息。

（二）三维重建技术在肾脏外科中的特殊适用性

三维重建技术在肾脏外科中具有特殊的适用性，主要表现在以下几个方面：（1）术前规划：通过三维重建技术可以对患者的肾脏进行全面的术前规划。医生可以基于重建的三维模型，准确地评估肾脏的解剖结构、大小、位置以及血管走行等信息[4] 。这有助于确定手术方案，选择最佳的手术入路和切口位置，提高手术的安全性和成功率。（2）引导手术操作：三维重建技术可将重建后的三维模型与实际手术场景进行配准，为医生提供可视化的引导。在手术过程中，医生可以通过增强现实或虚拟现实等技术，将重建的肾脏模型叠加到患者的解剖结构上，实时指导手术操作。这有助于提高手术精确度，减少手术创伤，并确保手术过程中重要组织结构的保护。（3）辅助诊断和术后评估：三维重建技术可以提供更全面和直观的肾脏解剖信息，有助于医生做出准确的诊断和评估。在术中或术后，医生可以通过对重建的三维模型进行可视化分析，评估手术效果，检查手术区域的血管、肿瘤等情况，判断手术是否达到预期目标，及时发现并处理可能存在的问题[5] 。

三、肾脏结构重建

（一）三维重建技术在肾脏结构重建方面的应用

（1）数据获取：通过医学影像技术（如CT、MRI等），可以获取到患者肾脏的高质量三维图像数据。（2）图像处理与分割：对获取的肾脏图像进行预处理和分割，提取出肾脏的解剖结构，如肾实质、肾盂、肾周血管等。（3）三维重建：基于分割得到的二维图像，在计算机上进行三维重建，生成肾脏的三维模型。重建过程可以使用各种算法和软件工具进行，例如体素化、曲线拟合等[6] 。（4）可视化与交互：将三维重建的结果可视化呈现，使医生能够直观地观察肾脏的结构和形态，并实现与三维模型的交互操作，比如旋转、放大、缩小等。

（二）三维重建技术在肾脏器官形态、血管分布等结构重建方面作用

（1）器官形态重建：通过三维重建技术，可以准确还原肾脏的形态，包括肾脏大小、形状、位置等信息。这有助于医生了解肾脏的解剖结构，判断是否存在畸形、异常或损伤等情况[7] 。（2）血管分布重建：三维重建技术可以将肾脏内外的血管进行准确的分割和重建，包括主动脉、肾动脉及其分支、肾静脉等。这为手术操作提供了详细的血管走行图谱，有利于术中的血管解剖和保护，减少手术风险。

（三）三维重建技术在术前评估和手术规划中的价值

（1）术前评估：通过三维重建技术，医生可以详细观察和评估肾脏的解剖结构、大小、位置以及与周围组织的关系[8] 。这有助于确定手术的可行性、选择合适的手术入路和切口位置，预测手术风险，并评估手术的成功率。（2）手术规划：基于三维重建的结构信息，医生可以制定详细的手术计划，确定手术范围和目标，设计最佳的手术路径和操作方式。这有助于提高手术的精确度和安全性，减少手术时间和创伤，并提供更好的术后功能恢复。

四、肿瘤定位和切除导航

（一）三维重建技术在肾脏肿瘤定位方面的应用

   通过将肾脏影像数据（如CT、MRI等）进行三维重建，可以生成高精度的肾脏模型。医生可以在这一模型上准确地标注和定位肿瘤的位置，并确定肿瘤与周围组织器官的关系。这种精准的定位有助于术前评估和术中导航，能够提供更准确的手术路径规划。

（二）三维重建技术在术前评估肿瘤位置、大小和分布方面的作用

   通过三维重建技术，医生可以将肾脏肿瘤在不同角度下呈现出来，方便术前评估。三维重建可以提供准确的肿瘤大小测量，有助于术前确定手术方案和选择合适的手术方法。此外，通过分析三维重建图像，医生还可以确定肿瘤的分布情况，包括是否有多发病灶，关联的血管和器官等[9] 。这对于避免手术风险和保护重要结构非常重要。

（三）三维重建技术在手术导航、手术边界规划等方面的优势

   在手术导航方面，将三维重建图像与实际手术场景进行匹配，可以实现精确的手术导航。医生可以根据重建图像中的指示，准确地找到肿瘤位置并切除，从而提高手术的准确性和成功率。此外，三维重建技术还可以帮助医生规划手术边界，确定正常组织和肿瘤之间的界线，以便更好地控制手术范围并最大程度地保留健康组织。

五、肾脏移植手术辅助

（一）三维重建技术在肾脏移植手术中的辅助应用

   通过三维重建技术，医生可以将供体和受体的肾脏影像数据进行重建，生成高精度的肾脏模型。这些模型可以用于供体与受体肾匹配度评估和手术模拟。医生可以通过比较两个肾脏的形态、大小、血管分布等特征，评估供体与受体之间的匹配度，并选择最适合的供体肾进行移植[10] 。此外，通过手术模拟，医生可以在模型上进行手术操作的练习，提前熟悉手术步骤，从而减少手术风险。

（二）三维重建技术在供体与受体肾匹配度评估和手术模拟方面的作用

   通过三维重建技术生成的肾脏模型，医生可以直观地比较供体与受体的肾脏形态和血管分布情况。这有助于评估供体与受体之间的匹配度，包括肾动脉、肾静脉和输尿管的血管支架和长度等因素。同时，医生还可以分析肾脏模型的容积和体积，评估供体与受体之间的大小匹配度，以确保移植后的肾脏功能正常。

（三）三维重建技术在手术风险评估和术前规划中的潜在优势

在肾脏移植手术中，术前的风险评估和手术规划对于手术的成功至关重要。通过三维重建技术，医生可以更全面地了解供体和受体肾脏的解剖结构和血管分布，提前识别可能存在的异常或复杂情况。这有助于准确评估手术风险，并制定出最佳的手术策略。此外，通过三维重建技术，医生可以进行术前规划，确定手术的具体步骤和操作路径，提高手术的精确性和成功率。

六、手术培训和教学应用

（一）三维重建技术在肾脏外科手术培训和教学中的应用

（1）解剖学教学：通过三维重建技术，可以将真实的肾脏结构呈现给学生和医生，帮助他们更加深入地了解肾脏的解剖结构、血管分布以及病变区域的位置，提高手术操作的精准性和安全性。（2）手术规划：通过三维重建技术，医生可以事先对患者的肾脏进行虚拟手术规划，预测手术难度和风险，并优化手术方案。这有助于减少手术过程中的不确定性，提高手术的成功率。（3）模拟手术操作：三维重建技术可以创建一个虚拟的手术环境，在其中模拟真实手术过程，包括器械操作、组织处理等。医生和学生可以在虚拟环境中进行多次反复练习，熟悉手术步骤、技巧和策略，提高手术操作的熟练度和效果。（4）远程教学：利用三维重建技术，可以将实时手术过程以三维图像的形式传输到远程教学平台上，使远程学生和观察者能够观察和学习手术过程。这种远程教学方式可以打破地理限制，为全球范围内的学生和医生提供高质量的手术培训和教学。

（二）三维重建技术在模拟手术操作和手术技术培训方面的价值

（1）提供真实感的模拟环境：通过三维重建技术创建的虚拟手术环境能够模拟真实的解剖结构和手术场景，给医生和学生提供更加真实的手术操作体验。（2）提高手术安全性：在虚拟环境中进行多次模拟手术操作，可以帮助医生熟悉手术步骤和技巧，提高手术的精确性和安全性[11] 。此外，虚拟手术环境还能够模拟手术风险和并发症，让医生能够提前做好应对措施，减少手术风险。（3）提升手术效果：通过在虚拟环境中进行多次反复练习，医生能够熟悉手术步骤和器械操作，提高手术的效果和成功率。同时，虚拟环境还能够提供实时反馈和评估，帮助医生及时纠正错误，改进技术。（4）降低培训成本：传统的手术培训通常需要使用动物模型或人体标本，成本较高且资源有限。而三维重建技术可以通过数字化的方式创建虚拟手术模型，大大减少了培训成本和资源消耗。

七、结论

三维重建技术在肾脏外科中的应用研究能够为医生提供更全面、准确的解剖结构信息，并能够实现实时的导航和辅助操作，从而提高手术的质量和安全性。这对于改善患者的手术效果、减少手术风险具有重要的意义。

参考文献

[1] 龚博,白汉林,贾楷桥,等. MSCT三维重建引导下经皮肾活检对肾脏疾病的诊断价值[J]. 淮海医药,2023,41(2):120-123,127.

[2] 黄建锋,吕世栋,胡正飞,等. 基于UroMedix-3D系统的人体肾脏结构三维重建及其对肾脏手术的指导[J]. 南方医科大学学报,2019,39(5):614-620.

[3] 李晨. CT三维重建技术在肾脏肿瘤教学中的应用探讨[J]. 农垦医学,2020,42(2):185-187.

[4] 贾晨尧,陈柯,刘奇,等. 基于CT的肾脏可视化三维重建模型在肾蒂血管变异的肾癌根治术中的应用[J]. 广东医学,2017,38(9):1379-1382.

[5] 聂忠仕,李传资,肖劲逐,等. 64排螺旋CT三维重建在肾脏移植中的价值[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2010,14(31):5701-5704.

[6] 孙永明,张绍崎,仲浩舟,等. CT可视化三维影像重建结合PBL教学模式在肾脏肿瘤临床教学改革中的应用[J]. 现代医药卫生,2023,39(4):698-700.

[7] 胡淑敏,祁冬,乔晓春,等. "双低"(低对比剂、低管电压)技术结合多模型迭代重建算法在肾脏双期CT增强扫描中的可行性[J]. 吉林医学,2021,42(9):2123-2125.

[8] 尹冰德,何昶,陆旭伟,等. CT平扫肾脏矢状位重建后认知影像融合在超微经皮肾镜取石术中的临床应用[J]. 现代泌尿外科杂志,2021,26(6):485-488,524.

[9] 玉献鹏,王伟军,吴长燕,等. 左主干病变合并慢性肾脏病患者血运重建术的长期预后[J]. 心肺血管病杂志,2022,41(2):126-130.

[10] 刘东升,刘娜,李彬. 急性前壁心肌梗死伴慢性肾脏病患者急诊经皮冠状动脉介入术中完全血运重建一例报道[J]. 实用心脑肺血管病杂志,2021,29(9):125-128.

[11] 宫峰,马胜银,高军. 动静脉内瘘狭窄段切除重建术与经皮腔内血管成形术治疗终末期肾脏病患者自体动静脉内瘘狭窄的疗效比较[J]. 医学临床研究,2019,36(8):1618-1620.

基金项目：内蒙古自治区科技计划项目（数字智能化诊疗技术在肾脏外科疾病中的应用）（2021GG0136）
▲第一作者：党越，在读硕士研究生，肾肿瘤三维重建方向，
△通信作者：云志中，主任医师，泌尿外科及男科疾病方向，