腹腔鏡腎部分切除術中開放性泌尿道的虛擬切除平面可視化預測

概要

背景

本研究的目的是提出一種方法，通過使用新穎的圖像分割和可視化技術從三維（3D）計算機斷層掃描（CT）圖像預測腹腔鏡腎部分切除術中開放尿路的存在和開口的位置。

方法

從接受腹腔鏡腎部分切除術的患者的CT圖像中，對腎臟，泌尿道和腫瘤的3D區域進行分割。對於每個患者，產生具有不同手術切緣（1mm至5mm，每1mm）的腎的多個虛擬切除平面，並且從圖像預測開放泌尿道的存在和開口的位置。

結果

作者通過使用記錄的操作視頻和操作注釋，將預測與5個案例中的實際操作進行了比較。就開放性泌尿道的存在而言，在所有患者中獲得了預測的一致性和術中結果。開口的預期位置接近實際操作中的位置。

結論

作者已經開發出一種方法來實際可視化腹腔鏡腎部分切除術的切除平面。本研究中使用的圖像分割方法準確有效。比較表明，作者的方法準確地預測了開放性泌尿道的存在和開口的位置，並提供了有用的術前信息。

關鍵詞：腹腔鏡手術，部分腎切除術，模擬器，泌尿道開放

背景

腹腔鏡手術一直是許多外科醫生和患者的首選，因為恢復時間較短，手術侵入較少[1]。部分腎切除術顯示治療結果與根治性腎切除術相當，並保留術後腎功能[2-4]。因此，腹腔鏡腎部分切除術已成為小腎腫瘤的一種日益普遍的做法。

為了實現安全的手術，術前信息對於腹腔鏡手術尤為重要。僅通過腹腔鏡的有限二維（2D）視圖難以識別手術部位周圍的器官和大血管。術前了解患者的解剖學特徵非常重要。

作者開發了三維（3D）圖像處理軟體VoTracer，術前從計算機斷層掃描（CT）或磁共振成像（MRI）圖像中獲取重要信息。VoTracer支持傳統的體積渲染;用戶可以通過修改局部透明度和改變視點來觀察3D圖像[5]。它還支持各種圖像分割方法，如閾值[6]，區域增長[7]，圖形切割[8,9]和基於輪廓的分割[10,11];用戶可以通過簡單的交互從3D圖像快速分割器官和腫瘤區域。

部分腎切除術的術後併發症之一是尿液泄漏。如果在腫瘤切除期間泌尿道是開放的，則需要縫合裂縫以防止術後尿液泄漏。為了制定手術策略，預測腫瘤切除期間泌尿道開口的邊緣是有用的。

在這項研究中，作者專註於腹腔鏡腎部分切除術，並提出了一種方法，使用VoTracer預測開放性泌尿道的存在和開口的位置。作者還通過比較作者的預測和實際操作結果來評估作者的方法。

方法

患者和特徵

這是一項回顧性研究，包括2011年4月至2013年1月期間由一名外科醫生（K.M.）在橫濱市立大學醫院接受腹腔鏡腎部分切除術的5名患者。作者通過訪問醫療檔案並在另一天進行了評估，創建了虛擬切除平面圖像。研究方案經橫濱市大學機構審查委員會批准。從所有患者獲得書面知情同意書。腹腔鏡腎部分切除術的應用僅限於腫瘤大小為4cm或更小的情況，並且可以安全地進行手術。通過術中超聲對腫瘤進行全面觀察，確定手術切緣和切口角度。使用具有腎缺血的剪刀通過冷切進行腫瘤切除。然後進行部分腎切除術。在逆行注射稀釋的靛藍胭脂紅後，打開的收集系統和橫切的主要血管的連續縫合通過2針Vicryl在SH針上進行，並進行體內打結。

CT圖像分割和虛擬切除平面

從每位患者增強CT圖像的延遲階段開始，作者將腎臟，泌尿道和腫瘤三個區域分割開來。對每個區域應用不同的分割方法。然後，作者通過使用分割生成腎臟的虛擬切除平面。整個過程通過VoTracer進行。

應用圖形切割圖像分割方法[8,9]對腎臟區域進行分割。作者粗略地指定了3D CT圖像的幾個橫截面上的內部和外部控制點，並且圖形切割演算法準確地分割了腎臟區域（圖1B）。區域生長方法[7]用於泌尿道。作者在泌尿道區域指定了幾個種子，並且該方法從種子中進化出一個區域。作者僅在CT值大於r的體素中計算進化，其中r∈[350,420]是根據患者選擇的參數（圖1C）。基於輪廓的3D圖像分割方法[11]用於分割腫瘤。作者在3D圖像中指定了腫瘤的幾個輪廓，並且該方法優化了通過所有輪廓並具有平滑形狀的分割邊界（圖1D）。此方法適用於沒有明顯高對比度邊界的區域。

圖1

CT圖像的分割。從輸入的3D CT圖像（A），作者通過不同的方法對這三個區域進行分割。（B）通過圖形切割方法[8,9]對腎區域進行分割。作者在橫截面上指定了幾個前景（紅色）和背景（藍色）點，並且該方法從點計算腎臟區域。（C）泌尿道區域按區域生長分割[7]。該方法從幾個種子（紅點）生長泌尿道區域。（D）腫瘤區域通過基於輪廓的方法分割[11]。該方法從指定的多個輪廓計算邊界表面。

鑒於圖像分割，作者生成了一個虛擬切除平面。作者首先通過Marching cubes演算法生成腎臟，泌尿道和腫瘤區域的多邊形表面模型[12]（圖2）。然後作者使腎臟模型變形，使其具有一定的腫瘤邊緣（圖2E-G）。作者還在腎臟表面上可視化CT圖像，如圖2D所示。虛擬切除平面在視覺上提供關於開放泌尿道的存在和部分腎切除術中開口的位置的信息。

圖2

虛擬切除平面。作者生成了泌尿道（A）和腫瘤（B）區域的表面模型。作者還產生了多個腎臟區域，其具有來自腫瘤的1mm（E），3mm（F）和5mm（G）邊緣。作者還生成了腎模型的透明（C）和CT圖像渲染（D）。CT圖像渲染（D）允許觀察切除平面上的CT值。

預測和評估

一名不了解手術細節的評估員（D.U.）使用VoTracer對5名患者的3D CT圖像進行了分割。軟體開發人員（T.I.）支持分段過程。對於每位患者，評估員創建具有1 mm至5 mm邊距，每1 mm邊緣的虛擬切除平面，並預測在實際操作期間泌尿道是否以及何處打開（圖2）。

作者比較了預測和術中結果。在記錄的手術視頻和手術記錄中驗證了在實際操作期間是否存在開放的泌尿道。在存在開放性泌尿道的情況下，將開口的位置與虛擬切除平面中的位置進行比較。

結果

表1總結了患者的背景，預測結果和手術結果。表1還顯示了評估者在虛擬切除平面中檢測到的開口的最小邊緣以及從腫瘤底部的手術樣本測量的實際手術切緣。就開放性泌尿道的存在而言（即最小開口邊緣），所有患者的預測和術中結果大致相同。然而，在2號患者中，預測的開口邊緣比實際邊緣大1 mm，這可以通過邊緣的大小來解釋，在尿道開口部位可能比在底部更大。邊緣通常在底部最小，並且在周邊變大。作者認為這種微小差異對於預測可能存在開放性泌尿道並不重要。開口的位置與預測位置相似（圖3）。在泌尿道開放的兩個病例中，患者得到了適當的治療，沒有患者出現術後併發症。手術病理學報告所有病例均有明顯的細胞腎細胞癌，邊緣陰性。

表格1

患者特徵和結果總結

在列中，從左到右，作者指示患者信息，腫瘤大小，腫瘤位置，尿路狀態預測，術中尿路狀態，術中手術切緣，缺血時間和手術時間。

圖3

並排比較。右側面板是來自操作的記錄視頻的代表性場景，左側面板示出類似於實際操作的視點的虛擬切除平面。

討論

在這項研究中，作者專註於開放的尿路，並開發了一種從CT圖像虛擬可視化切除平面的方法。術前了解器官的三維關係對於腹腔鏡腎部分切除術尤為重要。過去，外科醫生不得不從CT切片中推斷器官的關係;他們在頭腦中進行了3D形狀重建。這需要豐富的經驗，不可能與他人分享想法。相比之下，作者的方法提供了接近實際術中視圖的可視化，並允許外科醫生容易地理解重要器官的3D關係。作者相信，作者的可視化方法提供的術前信息可以提高操作的安全性。

腹腔鏡腎部分切除術的主要併發症是尿漏，實質出血和急性腎功能衰竭。布雷達等人。報道腹腔鏡腎部分切除術的尿液漏出率為1.4-2.0％[13]。湯普森等人。報道缺血時間是預測腎功能保留的最重要因素[14]。為了防止併發症，應該可靠地縫合裂縫，並且應該減少缺血時間，這可以通過適當的術前計劃來實現。例如，應根據腫瘤位置和周圍器官選擇接近（經腹或經腹腹膜），埠位置和切除線。吉爾等人。報道了零缺血部分腎切除術的新技術，術前規劃使用腎動脈的可視化三維視圖[15]。作者的方法從不同的角度實際上可視化術中視圖。它可以允許外科醫生在不同的術前設置中可視化操作程序，並使他們能夠選擇更好的設置。已經開發了Nephrometry評分系統以努力使腫瘤評估標準化。R.E.N.A.L. Uzzo等人提出了Nephrometry評分（NS）。[16]。Ficarra等。介紹了用於解剖（PADUA）系統的術前方面和尺寸。作者的可視化技術有助於更準確地評估那些netrymetry評分[17]。作者的研究主要集中在開放性尿道的可視化上，這是首次報道的此類研究。

腹腔鏡手術的訓練比開放手術的訓練困難得多。由於腹腔鏡手術的學習曲線陡峭，因此提供足夠的培訓非常重要。已經開發了各種腹腔鏡手術訓練系統。最近的一些系統再現了腹腔鏡根治性腎切除術的整個過程[18,19]。然而，就作者所知，沒有其他系統提供個體患者的實際操作視圖。相比之下，作者的方法使用個體患者數據提供類似於實際腹腔鏡手術視圖的可視化。

作者為本研究開發的圖像分割軟體VoTracer可用於創建模擬模型。作者的研究小組已經發表了關於使用特定患者模型的任務排練型手術模擬器的研究[20-22]。在這些研究中，作者報告說，患者特異性手術模擬器對於經驗不足的醫生執行標準手術以及開發新外科手術的專家非常有用。然而，這種模擬器的最大障礙之一是從患者的3D圖像創建模擬模型的過程。本研究中提出的圖像分割方法允許作者在幾分鐘內對每個區域（腎臟，泌尿道和腫瘤）進行分割。這極大地加速了模型創建過程。結合手術模擬器和圖像分割方法是作者希望在未來實現的一個正在進行的項目。作者當前方法的主要限制是分割過程需要用戶操作。用戶必須設置區域生長參數以正確地分割泌尿道區域。用戶還必須指定輪廓以基於他或她的主觀知識來分割腫瘤區域（圖1D）。因此，分割結果可以根據用戶而變化。請注意，這是一項回顧性研究，案例數量也受到限制。需要進行更大規模的人口研究以提高預測的準確性。在未來，作者希望進行大規模研究並開發一種儘可能減少用戶操作的分割方法。在這項研究中，作者使用對比增強CT的延遲階段，以精確分割泌尿道。由於CT成像時間問題，作者有幾個案例難以精確分割泌尿道。有必要確定CT成像的最佳時機，以便穩定地分割泌尿道區域。

結論

在這項研究中，作者開發了一種方法來預測開放性泌尿道的存在以及腹腔鏡腎部分切除術中3D CT圖像的開口位置。結果顯示作者可以在5例中做出準確的預測。這是一項回顧性研究，病例數很少。需要進行更大規模的研究以確認預測的準確性。

縮略語

3D：三維; 2D：二維; CT：計算機斷層掃描; MRI：磁共振成像; NS：Nephrometry評分。

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