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胡立伟 1a，孙杰 1b，钟玉敏 1a，姚晓芬 1a，刘金龙 2，邱海嵊 1a，朱铭 1a

1.上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心 a.影像诊断中心；b.泌尿外科，上海 200127；2.上海市儿童先天性心脏病研究所，上海 200127

[摘要]目的本研究通过多期CT增强腹部图像构建3D打印模型，探讨3D打印重复肾畸形模型的临床价值。方法对1例8个月的右肾输尿管重复畸形的患者行64排多期增强CT扫描后基于迭代算法重建；通过将CT的DICOM数据导入MIMICS 17.0软件；分别提取动脉期的肾动脉图像，实质期的肾脏图像，延时期的膀胱、输尿管图像；根据CT值的不同来分割图像之后对感兴趣区域做图像后重建处理生成STL文件数据；将数据导入OBJET 260 3D打印机后即完成建模过程。结果通过不同扫描期相图像融合构建3D模型，同一个模型中观察动脉、肾脏、输尿管、膀胱的解剖结构空间关系。3D模型在重复肾切除和输尿管病损切除时有重要的意义。结论基于多期相CT3D打印的模型是一个非常重要的方法协助诊断和治疗重复肾畸形。

引言

重复肾输尿管畸形是胚胎时期肾输尿管发生异常，是一种相对少见的泌尿系统先天性畸形，其发病率约为0.8% [1]。胚胎时期，由中肾管突出的输尿管芽逐渐上升，其上端进入生肾组织分为两支肾大盏，生肾组织包盖着它们。输尿管芽是从泄殖腔腹部发生，中肾管亦开口其中，以后输尿管口移向膀胱三角两侧开口 [2]。在输尿管发育上升的过程中发生紊乱，发育停滞障碍等，就造成各种各样的输尿管先天异常，输尿管重复畸形总是合并肾盂的重复畸形发生。

随着影像学技术的发展，多排螺旋CT尿路成像（Computed Tomography Urography，CTU）对鉴别单纯肾囊肿与积水型重复肾有着明显优越性。同时CT血管造影（Computed Tomography Angiography，CTA）可明确上肾及下肾供血动脉，为术中选择性结扎供血动脉提供重要参考 [3]。2014年国外学者 [4]就报道应用CTU图像提取不同类型的肾盂肾盏，打印模型后模拟经皮肾镜下取石术。本研究意在通过图像融合的方法提取不同期相的CT增强图像，将CTU 和CTA图像同时呈现在一个3D模型上。在三维立体模型中，外科医生可精确的分辨重复肾供血动脉和肾脏边界，可提供精准的手术方案并缩短手术时间、减少出血量。

1 材料与方法

1例右肾双肾盂双输尿管畸形患儿，年龄8月，性别女，体重7 kg，为充盈膀胱准备检查前口服适量水，镇静给予100 g/L水合氯醛。使用64排螺旋CT机（Discovery CT750HD）。扫描参数：管电压100 kV，自动管电流120～180 mA，采用自动毫安技术，噪声指数：11，扫描层厚5 mm。经前臂静脉应用高压注射器进行增强扫描，造影剂选用碘帕醇370 mgI/mL，注射流量（患儿1 mL/s，总量约14 mL），延迟30～45 s后行肾实质期扫描，延迟15～25 min后行延时期扫描。扫描完成后对3期相图像行50%的图像迭代算法，其中重建层厚0.625 mm。

将动脉期、实质期、延时期3期数据分别导入Mimics 18.0软件。选择使用不同的模板通过阈值法分别选取CT图像中强化的肾动脉、肾实质和输尿管膀胱调节阈值范围，构建成3D模型后对图像进行平滑处理。将3组图像同时导入3D-Matic 10.0软件后，对图像进行融合处理。最终图形资料保存为光固化立体造型术（Stereolithography，STL）格式。

将STL格式数据导入Stratasys公司Objet 260 3D打印机操作系统，检测3D模型；选用Med610生物相容性透明材料，打印层面厚度为30～50 μm，3 h后打印模型即可完成。取出模型浸入10%浓度的氢氧化钠溶液中10 min进行水洗操作清洗支撑材料，经后加工处理即完成模型的打印的整个过程。

2 结果

将动脉期、静脉期、延时期的3期CT图像分割融合图像，见图1。3D打印模型可直观的辨别右肾输尿管重复畸形中供血动脉的位置和周围组织关系，见图2。可以得出，基于3期图像分割融合后，3D打印模型可以帮助在术中辨认区别重复肾和正常肾及输尿管，及周边血管的位置关系。在手术的过程中精准的分割并切除重复肾并对输尿管病损段进行切除。

图1 3期CT图像分割融合

注：a.动脉期；b.静脉期；c.延时期。

图2 3期CT图像分割融合后的3D图像

注：a.通过3期相的图像分割融合后的3D图像；b.3D打印肾脏、血管、输尿管模型。

3 讨论

3D打印技术在医学领域已具有广泛的临床应用，包括医学教学 [5]、手术模型规划 [6]、器官生物打印 [7]等领域。在泌尿外科领域3D打印技术也有相当广泛的应用。3D打印模型可以任意截面、任意角度操作观摩，在泌尿外科手术仿真模型和训练设备学习训练中作用显著 [8]。半透明肾脏模型可清晰显示病变与周围血供关系，可降低了手术损伤概率 [9]。已有研究 [10]指出在3D打印模型在肾脏肿瘤切除中设计手术计划有良好的效果。2015年Souzaki等 [11]报道应用3D打印技术成功完成了3例儿童肾上腺神经母细胞瘤的病例。研究发现3D打印模型对了解解剖结构制订手术计划及确定最佳的切口尤为重要。2016年国外学者 [12-13]报道了多例将3D打印技术应用于肾脏恶心肿瘤切除的报道。研究表明，术中发现的情况和术前3D打印模型表现的完全一致，且术后效果良好。随着3D打印技术的发展，3D生物打印已变成组织工程系泌尿外科领域的研究方向。未来个性化定制尿道和膀胱器官将会逐步实现，3D生物打印通过获取患者膀胱细胞定制“人工膀胱”。具有微创、匹配度高、功能恢复好等优势 [14]。

影像学CTU与CTA能准确诊断重复肾、重复输尿管畸形，同时可为临床选择手术方案提供信息 [15]。目前常规手术方案是观察CTU和CTA影像图像通过临床经验和想象来制定，外科医生需辨别重复肾供血动脉、和辨别重复肾和正常肾脏边界分割肾脏边界。随着3D打印技术在医学领域的广泛应用，3D打印模型用于手术规划已逐渐的被外科医生所接受 [16]。研究意在将动脉期、实质期、延时期多期相的CT图像，通过图像分割和图像融合构建精准的3D打印模型。通过模型可以直观的、全面的提供诊断和治疗信息。3D模型的打印成功的将影像技术、图像分割和处理、3D打印技术相结合，为精准的设计治疗方案提供辅助。

本研究同时存在一定的局限性，包括：① 由于涉及3D打印的临床应用价值讨论，本研究的样本量不足且没有完整的术后图像对照；② 图像分割和融合技术是相关研究的难点，目前还没有完善标准化的图像处理和后重建流程。随着图像处理的标准化，其图像提取的准确度和效率会进一步提高；③ 光聚合3D打印可以使打印层厚设置在30～50 μm。由于材料的限制无法打印出彩色的橡胶材料模型，不能给外科医生作为模拟手术操作。随着研究的进一步进行，以上问题将逐步解决。

4 结论

综上所述，3D打印作为一项新技术，将成为泌尿外科疾病个体化治疗的有利工具，并实现高效率、低成本建模。但目前3D打印技术的研究仍处于初级阶段，虽有其个体化优势，但受打印时间、打印材料的限制难以快速推进。总之，数字建模和3D打印技术有利于提高泌尿外科手术患者对手术的认知程度，有利于术者前确切规划、术中精准切除、术后确保疗效。

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Application of Three-Dimensional Printing for Renal Duplication Model Based on Multiphase CT Image Fusion

HU Li-wei 1a, SUN Jie 1b, ZHONG Yu-min 1a, YAO Xiao-fen 1a, LIU Jin-long 2, QIU Hai-sheng 1a, ZHU Ming 1a
1.a.Diagnostic Imaging Center; b.Urology Surgery, Shanghai Children’s Medical Center School of Medicine, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200127, China; 2.Shanghai Institute of Pediatric Congenital Heart Disease, Shanghai 200127, China

Abstract：ObjectiveTo explore the clinical value of Three-Dimensional (3D) printing for renal duplication, this present study constructed a 3D printing model based on the multiphase enhanced CT of the abdominal image. MethodsOne patient with 8 months of right kidney and ureter double malformations was performed 64-slice contrast-enhanced CT reconstruction with iterative algorithm; through importing the DICOM CT data into mimics 17.0 software, the images in arterial phase of the renal artery, vein of kidney images, the delay phase of vesicoureteral image were extracted respectively. Images were segmented depending on the different values of CT and the region of interest was reconstructed to generate stereolithography file data. Then the modeling process was completed after importing the data into OBJET 260 3D printer. ResultsThe 3D model was constructed by fusing different phase images in the same model, the anatomical structure of artery, kidney, ureter and bladder were observed. It was of significant importance in the resection of renal duplication and ureter lesion. ConclusionThe model based on multi phase CT 3D printing is a very important method to assist the diagnosis and treatment of repeated renal malformations.

Key words：three-dimensional printing technology; image segmentation; renal duplication; renal deformation; image segmentation; CT image

基金项目：上海交通大学科技创新专项项目（YG2015QN25）；上海市级医院新兴前沿技术项目（SHDC12015128）；上海市卫计委课题（20164Y0150）。

通讯作者：钟玉敏，博士，主任医师，硕士生导师，主要研究方向为小儿先天性心脏病、消化系统、泌尿系统等疾病的影像学诊断。

基于CT多期图像融合构建3D打印重复肾模型的应用

引言

1 材料与方法

2 结果

3 讨论

4 结论