影像学与泌尿系统疾病诊断、治疗和监测的整合不断发展。对实现这些新技术的原理的基本理解无疑将增强对其潜在应用的认识。

　　影像学是泌尿系统疾病调查中不可或缺的组成部分。硬件和软件工具的持续进步带来了新颖的图像模式和创新的诊断和干预方法。了解成像技术的基本原理对于泌尿科医生在常规临床实践中使用它们至关重要。本章的目的是回顾有关成像技术及其在泌尿外科干预中的应用的当前状态，特别关注诊断和治疗实施中的配准、图像融合和跟踪。

　　长期以来，影像学在泌尿系统疾病的管理中发挥着至关重要的作用，提供了体检无法获得的信息。最初是一种纯粹的诊断方式，通过单独和孤立的方式（X 射线、超声、CT、MRI）获得个人解释，它已经发展到包括应用于孤立和组合成像方式的计算机辅助检测和诊断的调查 [ 1 , 2 , 3 ]。技术的进步和成像技术的改进已经发展到包含治疗作用。

　　1895 年，Wilhelm Roentgen 证明 X 射线图像（射线照片）可以描绘的内部结构 [ 4 ]。射线照相的医疗用途迅速进行，在 2 周内，医生使用了患者手部的成像技术，并能够移除嵌入的针头，从而执行了历史上第一个图像引导程序 [ 4 , 5 ]。无论是识别异物还是肿瘤，图像引导手术 (IGS) 都具有独特的能力，可以通过创伤最小的路径将外科医生引导到身体内的特定位置，无需直接可视化 [ 4 ]。1906 年，Horsley 和 Clarke 开发了笛卡尔坐标系，为立体定向程序奠定了基础，这是 IGS [6、7] 的下一个重要 进展 。首先在神经外科中使用，每个立体定向程序都需要构建一个参考框架。这些固定在颅骨上的各种三维 (3D) 框架充当外部坐标系，使外科医生能够接近内部结构。内部结构被映射并且它们的坐标由具有空间参考框架的头骨的 X 射线图像分配。缺乏实时仪器跟踪机制，需要在操作过程中固定和精确的参考框架 [ 4]。X 射线成像的一个具体限制是缺乏 3D 信息，导致深度估计纯属猜测。断层扫描研究的出现，以及它们提供 3D 信息的能力，促进了空间信息用于认知指导 [ 8 ]。使用超声、计算机断层扫描 (CT) 或 MR 开发的实时跟踪功能能够可视化物理空间内仪器或解剖结构的位置 [ 8 ]。这种空间的平行配准（物理与图像）对于放置用于活检或治疗的仪器至关重要。与基于帧的立体定向系统不同，仪器或解剖结构在物理空间中的位置可以在图像空间中实时定位。 8 ]。物理空间与图像空间配准的有效性迅速提高，特别是在具有刚性标志的领域，例如神经外科和骨科。没有刚性结构的腹部和盆腔器官的图像引导的使用需要更长的时间来开发。尽管已经开发了各种进入前列腺的技术，例如经会阴和经直肠方法，但前列腺的位置可能会因姿势、呼吸和/或膀胱充盈而显着改变 [ 8 ]。实时成像的必要性至关重要。经直肠超声是在 1950 年代引入的。在其初期，它在接下来的 30 年中很少使用，但最终发现通过引入弹簧加载的活检针和导针器可用于诊断前列腺癌患者。经直肠超声 (TRUS) 引导的前列腺活检使泌尿科医生有机会将 TRUS 纳入日常实践 [ 9 ]。TRUS 引导的前列腺活检与以前使用的数字引导的经直肠或经会阴活检相比有显着改善 。

　　超声引导的前列腺活检是最早的泌尿外科图像引导手术之一，并且作为最常用的手术之一至今仍然存在。结合先进的成像技术，例如磁共振和超声 (MR/US) 融合技术，可以精确定位，提高诊断准确性和效率。MR/US 融合方法允许将仅在 MRI 上看到的可疑病变映射到实时 TRUS 图像上，从而允许进行有针对性的活检并跟踪针头（图 4.1 ）[ 13 ]。添加新的成像技术，例如用于融合活检的前列腺特异性膜抗原 (PSMA)-PET 是推进影像引导活检的潜在下一步 [ 13 , 14 ]。与良性前列腺细胞膜相比，使用 PSMA 作为可疑病变的标记依赖于这种抗原在癌性细胞膜上的表达增加 [ 15 , 16 ]。Ga 68-PSMA PET 扫描有助于提供者检测治疗后的转移性疾病或复发，并且正在探索其用于增强活检目标的用途 [ 16 , 17 ]。将这些技术添加到标准 TRUS 活检中是一个积极研究的领域，旨在优化在一次活检中收集的信息 。

　　(a) T2 加权成像，(b) 扩散加权成像的 ADC 图，(c) 动态对比增强 MRI 显示早期和强烈的钆增强，和 (d) 光谱成像描绘右侧中基周边区病变（箭头）。（改编自 George 等人 [ 13 ] 并获得 CC-BY 3.0 许可）

　　在整个现代时代，成像技术和程序的创新有助于患者的诊断和治疗。以下是对现有技术的讨论，涉及成像技术及其在泌尿外科干预中的应用，特别关注配准、图像融合和跟踪，包括诊断和治疗实施。

　　超声（美国）在泌尿外科实践中无处不在。US 图像的生成依赖于超声换能器通过换能器中包含的压电晶体的振动将电能转换为高频声波的能力。这些声波穿过身体，根据遇到的结构密度的变化从组织边界反射。反射波被发送回换能器，换能器将信号转换回电能以形成图像。超声的优点包括其无创性、无有害辐射暴露、提供实时成像的能力、低成本、广泛可用性和相对易用性。然而，超声受限于操作员技能的可变性、评估深至低密度区域（即气体）的结构的能力低、

　　计算机断层扫描 (CT)是 1970 年代首次开发的一种成像方式，是传统 X 射线的扩展。通过通过身体 360 度旋转的 X 射线获取图像，它可以创建连续切片，提供高分辨率的横截面解剖图像。然后这些切片可以通过允许构建三维图像的软件堆叠在一起。由于其快速获得出色解剖信息的能力，它是许多临床病症的诊断和随访的基础。CT 还能够显示手术器械相对于组织结构的位置，例如，它可以指导提供者以更高的准确性进行经皮介入治疗 [ 25 ]。CT 的优点包括快速图像采集、宽视野、高分辨率以检测细微差异以及相对操作者独立性。缺点包括暴露于有害的电离辐射和造影剂。

　　正电子发射断层扫描 (PET)是一种核医学技术，能够辨别对放射性示踪剂有不同摄取的组织的位置和解剖结构。示踪剂由与载体分子偶联的放射性同位素制成，该载体分子可根据目标组织的特性而改变。载体分子被体内正在研究的特定组织吸收或结合，这允许放射性同位素的优先定位。放射性同位素在这个位置发射正电子，这些正电子与局部电子的相互作用会发射光子，这些光子可以被 PET 扫描仪检测到。该信息用于创建 3D 图像，将研究中的功能过程定位到身体内的特定解剖位置。一种常用的载体分子是氟脱氧葡萄糖（FDG），一种葡萄糖类似物，它被转运到细胞中，类似于葡萄糖的运动，但 FDG 不能进入糖酵解。通过放射性标记 FDG，PET 扫描能够定位葡萄糖摄取增加的区域，这些区域反映了代谢活动增加的组织，包括那些含有活跃的癌细胞的组织。许多其他试剂已证明作为前列腺组织特异性载体分子用于检测转移性和复发性前列腺癌的功效。具体而言，氟环素、胆碱、氟化钠和多种 PSMA 载体剂使提供者能够在 PSA 水平低于常规成像检测到的生化复发的情况下定位前列腺组织。PET 扫描能够定位葡萄糖摄取增加的区域，这些区域反映了代谢活动增加的组织，包括那些含有活跃的癌细胞的组织。许多其他试剂已证明作为前列腺组织特异性载体分子用于检测转移性和复发性前列腺癌的功效。具体而言，氟环素、胆碱、氟化钠和多种 PSMA 载体剂使提供者能够在 PSA 水平低于常规成像检测到的生化复发的情况下定位前列腺组织。PET 扫描能够定位葡萄糖摄取增加的区域，这些区域反映了代谢活动增加的组织，包括那些含有活跃的癌细胞的组织。许多其他试剂已证明作为前列腺组织特异性载体分子用于检测转移性和复发性前列腺癌的功效。具体而言，氟环素、胆碱、氟化钠和多种 PSMA 载体剂使提供者能够在 PSA 水平低于常规成像检测到的生化复发的情况下定位前列腺组织。许多其他试剂已证明作为前列腺组织特异性载体分子用于检测转移性和复发性前列腺癌的功效。具体而言，氟环素、胆碱、氟化钠和多种 PSMA 载体剂使提供者能够在 PSA 水平低于常规成像检测到的生化复发的情况下定位前列腺组织。许多其他试剂已证明作为前列腺组织特异性载体分子用于检测转移性和复发性前列腺癌的功效。具体而言，氟环素、胆碱、氟化钠和多种 PSMA 载体剂使提供者能够在 PSA 水平低于常规成像检测到的生化复发的情况下定位前列腺组织。 26 ]。这些分子利用增加的氨基酸摄取（氟西洛文）、改变的底物代谢（胆碱）、转移部位的骨生理变化（氟化钠）以及前列腺癌细胞增加的跨膜蛋白表达（PSMA）来识别局部和转移性疾病 [ 27 ]。

　　荧光透视是一种“实时”成像方法，可在短时间内获得组织目标的连续低强度 X 射线。这允许观察者跟踪组织运动、对治疗的反应，并提供身体结构的准确定位，即使在呼吸等细微运动期间也是如此。它可用于诊断和影像引导治疗 [ 28 ]。血管内造影剂的使用利用连续成像来绘制血管解剖图、血液外渗区域以及对治疗的反应。这一独特的方面允许观察者勾勒出感兴趣组织的血管供应情况，从而促进靶向药物输送和血管栓塞。

　　磁共振成像 (MRI)使用强磁场对组织内的质子进行极化。在将质子与磁场极化并对齐后，定向射频脉冲通过组织发送，与之前的方向相比，这改变了这些质子的对齐方式。当这种瞬态脉冲停止时，质子能够再次与磁场对齐，从而释放电磁能。根据不同的质子密度和组织内的局部化学环境，该过程发出的波的强度不同。这些信号根据扫描仪中使用的磁场进行检测和定位，它们的组合输出允许构建 3D 图像。通过使用解剖和功能 MRI 数据，可以评估各种组织系统以产生高质量的诊断信息。MRI 的优点包括软组织的出色可视化和不暴露于有害的电离辐射。相对较慢的图像采集及其在某些医源性植入物中的禁忌症限制了其临床应用。包括扩散加权成像和动态对比度增强在内的功能序列的添加彻底改变了其在包括前列腺癌在内的多种恶性肿瘤的诊断中的作用。 13 ]。

　　典型的射线照相成像、X 射线、US 或透视，在原始平面中被视为二维 (2D) 图像。更先进的成像、CT、PET 和 MRI 是计算机处理的，允许在多个平面上进行渲染。多平面重建 (MPR) 技术允许利用从平面图像堆栈中获取的像素数据，在冠状、矢状或斜平面中从原始平面（主要是轴向）重新格式化新图像。MPR 通过提供整个体积内的结构透视图来帮助实现解剖结构的可视化，而这些透视图在基础图像中可能并不明显。然而，MPR 的质量取决于基础图像的采集和质量。随后描述了用于 3D 可视化和分析成像数据集的各种方法。

　　表面渲染或阴影表面显示 (SSD) 假设结构或器官可以基于从图像（体积数据集）估计的表面来显示 [ 29 ]。表面最初是通过分割来确定的，分割是通过阈值化来完成的，或者将数据集中的每个体素强度分配在预定的衰减范围内。指定对应于特定组织类型（即骨、软组织等）的衰减范围，如果体素的衰减落入该范围内，则将该体素指定为属于该组织类型。然后从对应于不同组织类型的体素之间的边界导出表面轮廓。这些轮廓被建模为重叠的多边形，以表示 3D 对象。SSD允许快速图像渲染；然而，仅使用了数据集的一小部分，并且在离散界面或边界不明显的情况下，它的效用可能有限[ 30 ]。

　　最大强度投影 (MIP) 渲染沿整个数据集的连续线D空间中网格上的值的最大值体素或体积像素被选择并用作显示值。基于这些显示的体素，渲染 3D 图像。MIP 最常用于血管造影图像的显示和分析，并且仅从整个体积数据集的一小部分中提取用于渲染。它的缺点包括缺乏评估空间关系的深度提示，以及由于仅显示具有最高强度值的体素而增加的背景“噪音”。

　　体绘制是另一种使用串行 2D 图像可视化 3D 图像的技术。该技术利用来自对象或组织的整个体积的信。