Preview

Вестник урологии

Расширенный поиск

Трёхмерная реконструкция расширенной полостной системы почки по нативной компьютерной томографии

https://doi.org/10.21886/2308-6424-2021-9-3-19-24

Полный текст:

Аннотация

Введение. Трёхмерная реконструкция чашечно-лоханочной системы (ЧЛС) почки возможна при проведении компьютерной томографии (КТ) с урографией. Однако использование контрастного вещества имеет свои ограничения, такие как аллергия на препарат и хроническая болезнь почек (ХБП).

Цель исследования. Описание методики полуавтономного выделения ЧЛС на изображениях нативной КТ с её последующей 3D-реконструкцией при обструкции верхних мочевых путей (ВМП).

Материалы и методы. С апреля 2021 по май 2021 года было отобрано 5 пациентов с диагнозом почечная колика, которым выполняли КТ-урографию. Далее с помощью программы Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK) и дополнительного алгоритма вручную на каждом нативном срезе отмечали три точки в пределах ЧЛС для определения её границ и построения 3D-модели. Для оценки точности реконструкции проводили сравнение объёма получаемых виртуальных моделей с объёмом контрастной реконструкции. Пять урологов оценивали информативность таких реконструкций для изучения анатомии ЧЛС конкретного пациента. Полученные модели были также проанализированы программистами для пригодности к 3D-печати.

Результаты. Средняя площадь поверхности контрастных и бесконтрастных моделей составила 3291 мм2 и 2879 мм2. При сравнении контрастных и бесконтрастных 3D моделей, а также оценке последних для предоперационного планирования и их рентабельности средний балл урологов составил 4,5 из 5,0. Инженеры подтвердили пригодность бесконтрастных моделей для их трёхмерной печати.

Выводы. Описанная полуавтономная реконструкция полостной системы почки по бесконтрастным КТ-снимкам позволяет за короткий промежуток времени реконструировать её 3D-вид у пациентов с обструкцией ВМП.

Для цитирования:


Гулиев Б.Г., Комяков Б.К., Талышинский А.Э. Трёхмерная реконструкция расширенной полостной системы почки по нативной компьютерной томографии. Вестник урологии. 2021;9(3):19-24. https://doi.org/10.21886/2308-6424-2021-9-3-19-24

For citation:


Guliev B.G., Komyakov B.K., Talyshinskiy A.E. The three-dimensional reconstruction of the dilated renal pelvicalyceal system by non-enhanced computed tomography. Vestnik Urologii. 2021;9(3):19-24. (In Russ.) https://doi.org/10.21886/2308-6424-2021-9-3-19-24

Введение

В настоящее время нативная КТ является стандартным методом диагностики нефроуретеролитиаза и позволяет предоперационно уточнить локализацию, плотность и размеры камня [1]. Однако она имеет существенный недостаток – невозможность трёхмерной визуализации ЧЛС почки. Тщательное изучение особенностей строения последней (количество и ориентация чашечек, длина и ширина их шеек и угловое соотношение различных частей) необходимо для определения оптимальной хирургической тактики. Вместе с тем получение данной информации может быть получено выполнением КТ с внутривенным контрастированием, позволяющим выполнять трёхмерную реконструкцию до операции, однако при этом увеличивается лучевая нагрузка на больного. Более того, использование контрастного вещества противопоказано при хронической болезни почек (ХБП) и гиперчувствительности к самому препарату [2]. Вышеперечисленные недостатки диктуют необходимость разработки методик трёхмерной реконструкции ЧЛС почки на основе бесконтрастной КТ. В современной литературе имеются работы, в которых описываются способы 3D-реконструкции различных структур почки по нативным КТ снимкам, но они направлены на визуализацию её паренхимы [3][4], и лишь в одной статье делается акцент на реконструкцию ЧЛС [5]. Более того, выделение границ полостной системы почки авторами проводилось полностью вручную, что значимо удлиняет продолжительность подготовки данных и ограничивает внедрение этой методики в практику. В свете вышеперечисленного целью данной работы является описание методики полуавтономного выделения ЧЛС на изображениях нативной КТ с её последующей 3D-реконструкцией.

Материалы и методы

В период с апреля 2021 по май 2021 года было отобрано 5 пациентов с диагнозом почечная колика. После выполнения ультразвукового (УЗ) исследования и выявления пиелокаликоэктазии, было получено информированное согласие пациентов для выполнения КТ с контрастированием Омнипак 300,0 на 64-срезовом КТ аппарате с шагом 0,5 мм Somatom Definition AS. Полученные снимки были изучены в программе Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK), с помощью которой выполняли трёхмерную реконструкцию ЧЛС по снимкам экскреторной фазы для получения стандартной виртуальной модели. Далее на каждом срезе нативной фазы КТ отмечали три произвольные точки для определения разброса плотности по окружности вокруг них и определения границ ЧЛС, нивелируя необходимость её ручного выделения (рис. 1).

Затем выполняли автоматическое слияние всех выделенных зон. В связи с полигональностью получаемых 3D-реконструкций с помощью того же алгоритма производили сглаживание поверхности (рис. 2 – 3).

Рисунок 1. Обозначение точек в пределах ЧЛС на аксиальном срезе нативной КТ: А – выставление первой точки; В – выставление второй точки; С – выставление третьей точки и автоматизированное определение границ ЧЛС
Figure 1. Designation of points on the axial non-enhanced CT slices within the PCS: A – setting the first point; B – setting the second point; C – setting the third point and automated determination of the PCS boundaries

Рисунок 2. Пример виртуальных моделей сбоку: А – автоматизированная реконструкция ЧЛС по нативным КТ-снимкам до сглаживания; В – бесконтрастная трёхмерная реконструкция ЧЛС после сглаживания; С – трёхмерная реконструкция экскреторной фазы КТ
Figure 2. An example of virtual models, side view: A – automated PCS reconstruction using non-enhanced CT images before smoothing; B – non-enhanced 3D-reconstruction of the PCS after smoothing; C – 3D-reconstruction of the CT excretory phase

Рисунок 3. Пример виртуальных моделей спереди: А – автоматизированная реконструкция ЧЛС по нативным КТ-снимкам до сглаживания; В – бесконтрастная трёхмерная реконструкция ЧЛС после сглаживания; С – трёхмерная реконструкция экскреторной фазы КТ
Figure 3. An example of virtual models, front view: A – automated PCS reconstruction using non-enhanced CT images before smoothing; B – non-enhanced 3D-reconstruction of the PCS after smoothing; C – 3D-reconstruction of the CT excretory phase

Для оценки точности реконструкции проводилось сравнение площади поверхности контрастных и бесконтрастных 3D реконструкций. Пять урологов оценивали информативность таких реконструкций для изучения анатомии ЧЛС конкретного пациента. Полученные модели были также проанализированы программистами для пригодности к 3D-печати.

Методы статистического анализа. Статистический анализ проводили в программе SPSS Statistics 22.0. Для оценки номинальных данных использовали тест Хи-квадрат. Значимая разница определялась при значении p < 0,05.

Результаты

Во всех случаях продолжительность выделения ЧЛС и её реконструкции со сглаживанием поверхности была менее 10 минут. Средняя площадь поверхности контрастных и бесконтрастных моделей составила 3291 мм2 и 2879 мм2, соответственно (p = 0.12). При сравнении контрастных и бесконтрастных 3D-моделей, а также оценке последних для предоперационного планирования и их рентабельности средний балл урологов составил 4,5 из 5,0. При обсуждении с инженерами адекватности моделей для их использования в 3D-печати было определено, что все части ЧЛС достаточно визуализированы и не требуют корректировок, а потенциальные слабые места печатных моделей, в частности, шеек малых чашечек, не требуют формирования дополнительных опор перед печатью, что определяет их полное соответствие для потенциального использования с данной целью.

Обсуждение

Бесконтрастное КТ-исследование обеспечивает врача-уролога достаточной информацией касательно основных параметров камней мочевых путей, таких как размер, локализация и плотность, однако отсутствие возможности детального изучения полостной системы почки обусловливает необходимость использования дополнительных диагностических процедур для более информативного планирования возможной операции. До настоящего момента трёхмерная реконструкция ЧЛС была возможна лишь при выполнении контрастной КТ, при которой через 3 – 5 минут наступает экскреторная фаза. Высокая плотность контраста сопоставима с плотностью костных структур, заполнение им изнутри ЧЛС позволяет путём автоматизированного наслоения изображений КТ выстраивать трёхмерные реконструкции. В результате становится возможным подробное ознакомление уролога со всеми особенностями строения полости почки конкретного пациента, а именно количество и ориентация малых чашечек, длина и ширина шеек, а также углы между различными частями ЧЛС. Данная информация в свою очередь позволяет специалисту обоснованно выбирать сценарий предстоящего оперативного лечения камней почек, повышая эффективность вмешательства и уменьшая частоту ассоциированных осложнений [6].

Использование контрастного вещества имеет такие недостатки, как увеличение лучевой нагрузки на пациента и зависимость от состояния его здоровья, в частности, от нарушения выделительной функции почек, что делает востребованным разработку методик 3D-реконструкции по нативным КТ снимкам.

Автоматизированная реконструкция возможна для структур с относительно постоянной формой без ветвления, таких как камеры сердца [7], аорта [8], внутримозговое кровотечение [9] и паренхима почки [10]. Данный подход затруднителен для реконструкции полостной системы почки по следующим причинам: её вариабельного и ветвистого строения, небольшой разницы в плотности с окружающими структурами (сосуды, жировая клетчатка), а также спавшегося состояния в норме. Именно последний аспект делает невозможным разработку доступных решений предыдущих ограничений. Наше мнение разделяется в единственной работе по описанию 3D-реконструкции ЧЛС по снимкам бесконтрастной КТ, выполненной J.M. Sung et al. [5], где авторы предлагают протокол внутривенной инфузии с диуретической нагрузкой для искусственного расширения ЧЛС перед выполнением КТ. Согласно результатам, данный подход приводит к значимому увеличению объёма реконструкции полостной системы по сравнению с реконструкцией снимков, сделанных в контрольной группе. Обозначение границ ЧЛС выполнялось вручную программистом, что занимало более 20 минут и требовало соответствующего опыта, тем самым ограничивая доступность такого подхода для рутинного использования в медицинских учреждениях.

В нашу работу включены пациенты с почечной коликой, которым КТ выполняли во время самого эпизода обструкции, приводящего к достаточному для визуализации расширению чашечно-лоханочной системы. Выделение границ выполняли полуавтономно; на каждом нативном снимке КТ отмечали несколько точек в пределах ЧЛС для определения её границ, после чего происходило их слияние для выстраивания 3D-модели. Далее описанный алгоритм самостоятельно определял её границы, значимо сокращая время выделения (до пяти минут). Данный способ не требовал специализированного опыта, что делало возможным такую сегментацию врачомурологом.

Следует упомянуть и недостатки нашей работы. Во-первых, для анализа были отобраны КТ-исследования пяти больных, что не позволило апробировать описанный алгоритм в реконструкции всех вариаций ЧЛС. Во-вторых, отобранные пациенты страдали мочекаменной болезнью, осложнившейся обструкцией верхних мочевыводящих путей с расширением ЧЛС, что оправдывает такой подход лишь у этой когорты больных. В-третьих, реконструкцию выполняли полуавтономно, что также требовало участия специалиста и в её реализации. Наконец, описанный алгоритм не был апробирован в случае наличия камня в ЧЛС, что могло негативно сказаться на точности автономного определения границ. Дальнейшее усовершенствование данного направления будет направлено на полностью автоматизированную работу, при которой после выделения одной точки в пределах ЧЛС будут выделены её границы на всех срезах КТ.

Заключение

Полуавтономная реконструкция полостной системы почки по бесконтрастным КТ-снимкам делает возможной её 3D-визуализацию у пациентов с обструкцией верхних мочевых путей без использования контрастного вещества.

Список литературы

1. Brisbane W, Bailey MR, Sorensen MD. An overview of kidney stone imaging techniques. Nat Rev Urol. 2016;13(11):654-62. DOI: 10.1038/nrurol.2016.154

2. Rudnick MR, Leonberg-Yoo AK, Litt HI, Cohen RM, hilton S, Reese PP. The Controversy of contrast-Induced nephropathy with Intravenous contrast: What Is the risk? Am J Kidney Dis. 2020;75(1):105-13. DOI: 10.1053/j.ajkd.2019.05.022

3. Shimizu A, Ohno R, Ikegami T, Kobatake H, Nawano S, Smutek D. Segmentation of multiple organs in non-contrast 3D abdominal CT images. Int J CARS. 2007;2:135-42. DOI 10.1007/s11548-007-0135-z

4. Parkhomenko E, O’Leary M, Safiullah S, Walia S, Owyong M, Lin C, James R, Okhunov Z, Patel RM, Kaler KS, Landman J, Clayman R. Pilot assessment of Immersive virtual reality Renal Models as an Educational and Preoperative Planning Tool for Percutaneous Nephrolithotomy. J Endourol. 2019;33(4):283-8. DOI: 10.1089/end.2018.0626

5. Sung JM, Jefferson FA, Tapiero S, Patel RM, Owyong M, Xie L, Karani R, Ghamarian P, Lall C, Clayman RV, Landman J. evaluation of a diuresis enhanced non-contrast computed tomography for kidney stones protocol to maximize Collecting System Distention. J Endourol. 2020;34(3):255-61. DOI: 10.1089/end.2019.0719

6. Türk C, Petřík A, Sarica K, Seitz C, Skolarikos A, Straub M, Knoll T. EAU guidelines on Interventional treatment for urolithiasis. Eur Urol. 2016;69(3):475-82. DOI: 10.1016/j.eururo.2015.07.041

7. Shahzad R, Bos D, Budde RP, Pellikaan K, Niessen WJ, van der Lugt A, van Walsum T. Automatic segmentation and quantification of the cardiac structures from non-contrast-enhanced cardiac CT scans. Phys Med Biol. 2017;62(9):3798-813. DOI: 10.1088/1361-6560/aa63cb

8. Sedghi Gamechi Z, Bons LR, Giordano M, Bos D, Budde RPJ, Kofoed KF, Pedersen JH, Roos-Hesselink JW, de Bruijne M. Automated 3D segmentation and diameter measurement of the thoracic aorta on non-contrast enhanced CT. Eur Radiol. 2019;29(9):4613-23. DOI: 10.1007/s00330-018-5931-z

9. Patel A, Schreuder FHBM, Klijn CJM, Prokop M, Ginneken BV, Marquering HA, Roos YBWEM, Baharoglu MI, Meijer FJA, Manniesing R. Intracerebral Haemorrhage Segmentation in Non-Contrast CT. Sci Rep. 2019;9(1):17858. DOI: 10.1038/s41598-019-54491-6

10. Khalifa F, Elnakib A, Beache GM, Gimel’farb G, El-Ghar MA, Ouseph R, Sokhadze G, Manning S, McClure P, El-Baz A. 3D kidney segmentation from CT images using a level set approach guided by a novel stochastic speed function. Med Image Comput Assist Interv. 2011;14(3):587-94. DOI: 10.1007/978-3-642-23626-6_72


Об авторах

Б. Г. Гулиев
ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова» Минздрава России; Центр урологии с робот-ассистированной хирургией Мариинской больницы
Россия

Бахман Гидаятович Гулиев – д.м.н., профессор; профессор кафедры урологии ФГБОУ ВО СЗГМУ им. И. И. Мечникова Минздрава России; руководитель центра урологии с робот-ассистированной хирургией Мариинской больницы

191015, г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, д. 41

191014, г. Санкт-Петербург, пр-т Литейный, д. 56

тел.: +7 (921) 945-34-80


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.



Б. К. Комяков
ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова» Минздрава России
Россия

Борис Кириллович Комяков – д.м.н., профессор; заведующий кафедрой урологии

191015, г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, д. 41


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.



А. Э. Талышинский
ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова» Минздрава России
Россия

Талышинский Али Эльманович – клинический ординатор кафедры урологии

191015, г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, д. 41


Конфликт интересов:

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.



Для цитирования:


Гулиев Б.Г., Комяков Б.К., Талышинский А.Э. Трёхмерная реконструкция расширенной полостной системы почки по нативной компьютерной томографии. Вестник урологии. 2021;9(3):19-24. https://doi.org/10.21886/2308-6424-2021-9-3-19-24

For citation:


Guliev B.G., Komyakov B.K., Talyshinskiy A.E. The three-dimensional reconstruction of the dilated renal pelvicalyceal system by non-enhanced computed tomography. Vestnik Urologii. 2021;9(3):19-24. (In Russ.) https://doi.org/10.21886/2308-6424-2021-9-3-19-24

Просмотров: 57


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2308-6424 (Online)