引用本文
汪磊, 高鹏飞, 李梦参, 李晓建, 赵子臣, 朱刚, 李宁忱, 那彦群. 前列腺尖部区域全息影像三维重构的应用分析[J]. 微创泌尿外科杂志, 2022,11(5): 321-326.
Wang lei, Gao Pengfei, Li Mengshen, Li Xiaojian, Zhao Zichen, Zhu Gang, Li Ningchen, Na Yanqun. Holographic three-dimensional reconstruction of prostate apex region and its clinical application. JOURNAL OF MINIMALLY INVASIVE UROLOGY,2022,11(5): 321-326.  
Doi:10.19558/j.cnki.10-1020/r.2022.05.007
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前列腺尖部区域全息影像三维重构的应用分析
汪磊1, 高鹏飞1, 李梦参2, 李晓建1, 赵子臣1, 朱刚3, 李宁忱1,*, 那彦群1
1北京大学首钢医院 吴阶平泌尿外科医学中心
2北京大学首钢医院 医学影像科,北京 100144
3北京大学首钢医院 北京和睦家医院泌尿外科,北京 100015
通信作者：李宁忱,ningchenli@126.com
收稿日期: 2022-09-01
基金项目:北京大学首钢医院2019临床重点建设项目（2019-Yuan-LC-14）; 北京大学首钢医院2019重点创新项目（SGYY201902）
摘要

目的：探讨前列腺尖部区域全息影像精细建模的可行性和临床价值。方法：回顾性分析2021年1至12月北京大学首钢医院13例行全息影像建模及腹腔镜前列腺根治性切除术患者的临床资料。年龄（71.0±4.7）岁,PSA中位值17.4（6.19,159.6）μg/L。获取患者术前多参数MRI的DICOM数据,在冠、矢、轴三面实时比对下,精细分割、重构前列腺尖部形态及尿道外括约肌复合体。将尖部分为1型尖锐型、2型前唇突出型、3型后唇突出型和4型圆钝型,测量括约肌复合体的总长度和外露长度。尿道外括约肌复合体外露长度≤11.5mm或外露比例≤60%被定义为尿控高风险。尖部存在肿瘤病灶者均定义为尖部瘤控高风险,同时伴有不良尖部形态（1型）或癌灶侵及尖部包膜者定义为极高风险。术前根据尿控及瘤控风险制订个体化尖部处理策略,术中利用全息影像-内镜图像融合系统引导手术实施。结果：13例患者的手术均顺利完成,手术时间（177±43 ）min,pT分期在T3a~T4者7例。尿道外括约肌复合体总长度为（17.1±3.5）mm,外露长度为（12.2±2.6）mm,外露比例为（72.4±12.8）%。尖部形态为1~4型者分别为2例、2例、4例和5例。术前经全息影像评估为尿控低风险者7例,高风险者6例,术后6个月尿控恢复率分别为6/7（85.7%）和1/6（16.7%）,术后12个月尿控恢复率分别为7/7例（100%）和5/6（83.3%）。术前评估尖部瘤控为低风险者3例,高风险者8例,极高风险者2例,术后病理证实的尖部切缘阳性率分别为0/3（0%）,3/8 （37.5%）和2/2（100%）。结论：全息影像精细重构前列腺尖部区域,有助于预估尿控和瘤控风险,为术中精细操作提供帮助。

关键词: 前列腺肿瘤; 尿道括约肌; 全息影像; 数据可视化
Holographic three-dimensional reconstruction of prostate apex region and its clinical application
Wang lei1, Gao Pengfei1, Li Mengshen2, Li Xiaojian1, Zhao Zichen1, Zhu Gang3, Li Ningchen1,*, Na Yanqun1
1Wujieping Urology Center
2Department of Medical Imaging, Peking University Shougang Hospital, Beijing 100144
3Department of Urology, Beijing United Family Hospital and Clinics, Beijing 100015
Corresponding author： Li Ningchen, ningchenli@126.com
Abstract

Objective： To explore the feasibility and clinical value of holographic modeling of prostate apex region.Methods： The clinical data of 13 patients with holographic modeling and laparoscopic radical prostatectomy in Peking University Shougang Hospital from January to December 2021 were analyzed retrospectively. The age was （71.0 ± 4.7） years old, and the median value of PSA was 17.4 （ 6.19,159.6） μg/L. DICOM data from patients’ multi parameter MRI were obtained before operation. The fine morphology of prostate apex and the external urethral sphincter complex were segmented and reconstructed under real-time comparison of coronal, sagittal and axial MRI images. The total length and exposed length of the sphincter complex were measured, and the shape of the prostate apex was divided into type 1 sharp shape, type 2 anterior lip protrusion shape, type 3 posterior lip protrusion shape and type 4 round blunt shape. The exposed length of the external sphincter complex ≤11.5mm or the exposed proportion ≤60% was defined as the high risk of urinary control. Those with tumor lesions in apex region were defined as high risk of tumor control, and those with type 1 apex or apex capsule invasion were defined as extremely high risk of apex tumor control. The risks of urinary control and apex tumor control were evaluated by holographic images before operation, and personalized apex treatment strategies were formulated. The operations were guided by holographic image - endoscopic image fusion system during operation.Results： All the 13 cases were successfully completed, with an average operation time of （177±43） min, 7 patients had pathological stages of T3a-T4. The total length of the sphincter complex revealed by the hologram was （17.1±3.5） mm, the exposed length was （12.2±2.6） mm, and the exposed proportion was （72.4±12.8）%. There were 2 cases, 2 cases, 4 cases and 5 cases with apex morphology of type 1-4, respectively. A total of 6 patients with high risk of urinary control and 7 patients with low risk of urinary control were evaluated by holographic images before operation. The recovery rates of urinary control in 6 months after operation were 1/6 （16.7%） and 6/7 cases （85.7%）, respectively, and 5/6 （83.3%） and 7/7 cases （100%） in 12 months. According to the preoperative evaluation, the tumor control of the apex was low-risk in 3 cases, high-risk in 8 cases and extremely high-risk in 2 cases. The positive rates of the incisional margin of the apex confirmed by pathology were 0/3 （0%）, 3/8 （37.5%） and 2/2 （100%）, respectively.Conclusion： Holographic fine reconstruction of prostate apex region is helpful to predict the risk of urinary control and tumor control, and it is helpful for the individualized treatment of the apex region during surgery.

Keyword: prostate tumors; urethral sphincter; holographic images; data visualization

前列腺尖部区域涉及前列腺尖部、膜部尿道、阴茎背深静脉丛、盆底肌、直肠等, 这一区域位置深在, 其解剖关系也非常复杂。前列腺尖部区域的处理是根治性前列腺切除术中的难点：一方面由于其形态上的特殊性, 容易发生术中前列腺组织的残留; 另一方面, 该区域的处理与术后尿控的恢复关系密切, 在保留性神经的手术中也至关重要。既往研究普遍认为前列腺尖部形态[1, 2, 3]和膜部尿道长度[4, 5, 6]与手术效果密切相关。

全息影像[7, 8, 9]又称三维可视化模型, 是在术前利用医学影像设备和计算机图形学的方法, 对患者多模式的图像数据（以CT或MRI的DICOM数据为主）进行三维重建和可视化处理获得的三维模型。全息影像可以直观展示病变及毗邻器官的空间结构, 有助于设计个体化的手术方案并协助术中的精准实施, 目前在前列腺根治术[10, 11, 12]、肾部分切除术[13, 14, 15, 16]、前列腺穿刺[17]及经皮肾穿刺[18]中均有应用的报道。本研究旨在利用患者前列腺MRI的DICOM数据, 对前列腺尖部区域进行全息影像三维重建, 精细化展示尖部形态和外括约肌复合体长度, 预估瘤控和尿控的风险, 并在临床应用中初步评估其价值。

1 资料与方法
1.1 临床资料

回顾性分析2021年1月至12月在北京大学首钢医院吴阶平泌尿外科医学中心进行前列腺多参数MRI拍摄、全息影像制作及腹腔镜前列腺根治切除术的病例13例。患者年龄（71.0± 4.7）岁, 穿刺前中位PSA 17.4（13.0, 51.8）μ g/L, 中位前列腺体积54.5（29.6, 69.4）ml。本组患者均充分告知全息影像研究的方法和意义, 并签署知情同意书。本研究方案通过北京大学首钢医院伦理委员会的审核及批准（IRBK2019-032-01）。

1.2 前列腺多参数MRI检查

患者取平卧位, 使用GE 3.0T MRI（美国通用电气公司）。检查参数：32通道盆腔线圈, 层厚3 mm, 包含T1WI、T2WI、弥散加权（diffusion weighted imaging, DWI）序列, 可包含动态增强序列。T2WI扫描范围需包括膜部尿道至膀胱颈部。

1.3 全息影像模型制作

获取MRI图像的DICOM格式数据并上传至全息影像分析规划工作站（北京仁馨医疗科技有限公司）。经与泌尿外科和影像科医师充分沟通后, 由图像工程师使用Mimics三维重建软件（比利时Materialise公司）重建基于MRI数据的前列腺全息影像, 包括前列腺中央叶、外周带、肿瘤病灶、精囊、膜部尿道、盆膈、部分球部尿道海绵体等（图1）。

图1 全息影像前列腺全图
A：腹侧观, 包含前列腺、膀胱、尿道外括约肌复合体、盆膈、球部尿道复合体、前列腺周围静脉丛等; B：侧面观, 重点展示尿道外括约肌复合体的形态及长度、前列腺尖部形态、以及前列腺肿瘤（红色）累及尖部的情况

尿道外括约肌复合体是重建的重点, 我们会将膜部尿道和覆盖膜部尿道的横纹括约肌作为一个复合体进行构建, 该复合体通常会深入前列腺尖部一定深度。该复合体以及前列腺尖部区域在分割和绘制时, 需在T2时相的冠、矢、轴三面进行实时比对, 以达到精确绘制。重建完成后对尿道外括约肌复合体的总长度和外露（未被前列腺尖部覆盖）长度分别进行测量（图2）。

图2 全息影像展示不同的前列腺尖部形态
A： 尖锐型; B： 前唇突出型; C： 后唇突出型; D： 圆钝型

1.4 术前评估及规划

术前使用全息影像查看器展示前列腺全息影像及尖部区域细节, 通过治疗组内部讨论, 对尖部形态进行分型（1~4型）, 其中1型指前列腺尖部呈尖锐形态, 尿道横纹括约肌深入前列腺尖部较长; 2型为前唇突出型; 3型为后唇突出型; 4型为尖部呈圆钝型。

结合尿道外括约肌复合体的外露长度和前列腺尖部形态进行尿控危险度评级, 尿道外括约肌复合体外露长度≤ 11.5mm或外露比例≤ 60%被定义为尿控高风险。根据全息影像三维展示, 提示尖部存在肿瘤病灶者均定义为尖部瘤控高风险, 其中尖部分型为1型或尖部包膜受侵者定义为尖部瘤控极高风险。术者通过术前全息影像提示的瘤控和尿控风险制订个性化的尖部处理策略, 包括尖部的精细化处理、筋膜内切除、最大限度保留括约肌长度等。

1.5 术中导航

腹腔镜根治性前列腺切除术中, 由台下助手操作"领航者"全息影像-内镜图像融合系统, 通过耻骨、前列腺轮廓、血管等解剖标志将前列腺全息影像与术中内镜图像进行视觉融合配准。当术中内镜图像移动时, 由助手调整全息影像模型的大小、角度、位置进行实时追踪。在术者需要关注局部细节时, 由助手通过隐藏、透明化周围器官、组织对兴趣区进行重点表达。

1.6 术后病理及随访结果

记录手术时间、手术出血量、病理分期、Gleason评分、切缘情况、术后并发症、术后6周PSA下降数值等数据。通过电话随访记录术后尿控恢复时间, 以1d内纸尿裤使用少于1片定义为尿控恢复。

2 结果

13例患者均于根治术前完成全息影像制作, 并获取尖部区域信息如下：尿道外括约肌复合体总长度为13.1~22.4（17.1± 3.5）mm, 外露长度7.7~16.4（12.2± 2.6）mm, 占总长度的比例为52.5%~90.4%（72.4%± 12.8%）。前列腺尖部形态方面, 尖锐型2例, 前唇突出型2例, 后唇突出型4例, 圆钝型5例。全息影像提示尖部区域存在肿瘤病灶者9例。术前经全息影像评估为尿控高风险者6例, 尿控低风险者7例。术前评估尖部瘤控为低风险者3例, 高风险者8例, 极高风险者2例。

患者均顺利完成腹腔镜根治性前列腺切除术（2例术前行新辅助内分泌治疗, 1例行新辅助化疗）, 无中转开放, 手术时间（177± 43 ）min, 术中出血300（150, 375）ml, 无围手术期严重并发症。术后病理提示T2b~T2c者6例, T3a~T3b者5例, T4者2例, 均为N0。病理提示有10例瘤灶累及尖部, 切缘阳性为5例, 均为尖部切缘阳性。术后共有7例行辅助内分泌治疗。术后3、6、12月尿控恢复分别为1例（7.7%）、7例（53.8%）和12例（92.3%）, 1例尿控未完全恢复。

13例患者中, 术前经全息影像评估为尿控低风险者和高风险者分别为7例和6例, 在根治术后6月时尿控恢复率分别为6/7例（85.7%）和1/6（16.7%）, 根治术后12月时尿控恢复率分别为7/7例（100%）和5/6（83.3%）。术前经全息影像评估为尖部瘤控低风险、高风险和极高风险者分别为3例、8例和2例, 术后经病理证实发生了尖部切缘阳性的比例分别为0/3（0%）, 3/8 （37.5%）和2/2（100%）。

3 讨论

膜部尿道和尿道外横纹括约肌的关系十分紧密, 在术中也不易分离开, 可以把它们统一视为尿道外括约肌复合体, 这一复合体包括膜部尿道的黏膜及黏膜下层、平滑肌层以及包绕膜部尿道的横纹括约肌, 其中前两者进一步向前列腺尿道延续, 而横纹括约肌解剖上则十分复杂, 对它的认识也经历了一个漫长的过程。近年来尸体解剖联合计算机断层重建[19]以及MRI弥散张量成像技术[20]使得我们可以更直观地认识横纹括约肌的形态：一方面它呈“ Ω ” 形或马鞍形覆盖膜部尿道, 并可能进一步向头端延伸覆盖尖部的部分区域, 另一方面, 横纹括约肌通常还会深入尖部一定的深度。

在MRI T2加权图像上辨认尿道外括约肌复合体是可行的[21, 22], 质量良好的图像可以辨识出膜部尿道的黏膜/黏膜下层、平滑肌层, 以及覆盖膜部尿道的横纹括约肌, 在T2期冠状位图像上也可以直观地观察到尿道外括约肌深入进前列腺尖部的情况。然而, 由于MRI扫描层往往偏厚（3~4mm）, 相邻层面间信息丢失较多, 使得我们在单一的矢、冠或轴面上都很难测量出尿道外括约肌复合体的准确长度、宽度和厚度。目前相关文献也往往选择矢状面或冠状面的测量数据来代表外括约肌长度, 具有一定的局限[4, 5, 6]。利用全息影像3D建模, 全息影像工程师、外科和影像科医师可以进行很好的合作, 工程师同时勾画矢、冠、轴三面上的复合体区域, 并在三个面上进行实时的相互参照、补充, 最终构建出的复合体形态更值得信任, 也可以进行准确的长度和体积测量。

由于尿道外括约肌复合体有一定比例会深入前列腺尖部, 这部分复合体很难在前列腺根治性切除术中得到保留, 因此外科医生更为关注尖部以外的复合体的长度, 有研究认为该部分复合体的长度每增加1mm都会对尿控的恢复有帮助[5]。为了在根治术中保留更多的复合体长度, 我们就需要去关注不同的前列腺尖部形态。Lee分型目前较为常用, 其将尖部分为Ⅰ ~Ⅳ 型, 并普遍认为Ⅳ 型更容易获得早期尿控恢复[1]。然而, Lee分型的定义并不十分清晰, 比如Ⅰ 型被认为有较大比例的复合体被尖部覆盖, 但比例究竟多少并无定义; 此外, Ⅳ 型被认为前列腺尖部的前唇和后唇均不覆盖复合体, 但我们利用全息影像3D重建的结果显示所有患者的外括约肌复合体或多或少均会深入前列腺尖部一部分。因此, 在本研究中, 我们将尖部尖锐型定义为1型、前唇突出型定义为2型、后唇突出型定义为3型、尖部圆钝型定义为4型, 而不过多考虑深入尖部的外括约肌的长度或比例。

通过全息影像三维重建, 不仅可以更加准确、直观地展示尿道外括约肌和前列腺尖部的形态, 对于理解前列腺尖部区域的其他结构, 比如尖部区域肿瘤、背血管复合体（dorsal vasculature complex, DVC）、直肠、盆底肌及会阴隔等也均有帮助。术前通过全息影像展示, 有助于制定更加个体化的尖部处理策略, 避免尖部残留和切缘阳性, 并尽量保留更长的尿道外括约肌。在手术中, 通过全息影像与腹腔镜图像的实时配准融合, 可以达到实时手术引导, 使得术前的既定策略得到更好的执行, 更好的保证瘤控与尿控, 甚至保留性功能。

本文患者13例总体分期偏晚, 7例患者为pT3a~pT4期, 另有1例存在骨寡转移。因多数患者需同时行盆腔淋巴清扫术, 手术时间偏长。术前全息影像提示前列腺尖部存在瘤灶者多达9例, 均获得术后病理证实, 并且其中有5例为尖部切缘阳性。术后尿控恢复方面总体尚满意, 除一例pT4b患者外, 其余均在1年内恢复尿控。本组共涉及4名术者, 经过术前全息影像对于前列腺尖部区域的构建, 对于手术中尿控和瘤控风险掌握得更清晰, 结合术中全息影像与内镜图像的融合配准引导, 对于尖部的处理普遍比之前更从容和细致。

本研究的不足之处在于样本量较少, 还不足以得出尖部形态/外括约肌长度与尿控恢复的相关性。此外, 由于我们使用的MRI层厚3mm, 还远不够精细, 基于3mm层厚数据构建的全息影像模型在尖部区域的展示上仍显不够细致。未来MRI设备和技术的进一步提升, 也将使得尖部区域的3D重建更为精细。

综上, 通过全息影像对前列腺尖部区域的精细三维重建, 可以更好地展示尖部形态和尿道外括约肌特点, 在术前对尿控和瘤控风险进行预估, 并为术中更为精细化、个体化的尖部处理提供帮助。

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