三維CT支氣管血管成像在解剖性肺段切除術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

殷志敏, 陳良亮, 王霄霖, 陸世春, 束余聲

(揚州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院 胸外科, 江蘇 揚州, 225001)

近年來，隨著低劑量螺旋CT檢查的普及，肺癌的檢出率大大提高[1-2]。目前，手術(shù)仍然是肺癌治療的首選方式，肺葉切除術(shù)并行系統(tǒng)淋巴結(jié)清掃是其標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式[3]，適用于大部分肺癌患者，但同時也因切除較多肺組織而導(dǎo)致肺功能損傷。隨著中國老齡化趨勢日益加劇，70歲以上患者的比例逐漸增多，而腔鏡技術(shù)的日益成熟也使得解剖性肺段切除術(shù)越來越多地應(yīng)用于臨床。多項研究[4-6]表明，肺段切除和肺葉切除在早期肺癌遠(yuǎn)期預(yù)后方面無明顯差異。一項囊括179例患者的單中心前瞻性研究[7]發(fā)現(xiàn)，有足夠手術(shù)切緣的肺段切除并行系統(tǒng)淋巴結(jié)清掃可作為選擇性cT1N0M0/PN0非小細(xì)胞肺癌的根治性治療方案，同時保留肺功能達(dá)術(shù)前的(90.0±12.0)%。對于手術(shù)醫(yī)生來說，肺段切除術(shù)對解剖知識的掌握和操作技術(shù)的要求較高，為了安全、高效地完成肺段切除術(shù)，術(shù)前采取一些輔助措施進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃就顯得尤為重要[8]。三維CT支氣管血管成像(3D-CTBA)是很多臨床醫(yī)生的重要選擇，但不同的重建方式各有特點。本研究對近年來報道的各種支氣管血管重建方式進(jìn)行綜述，探討術(shù)前3D-CTBA在解剖性肺段切除術(shù)中的研究進(jìn)展及臨床意義。

1 3D-CTBA的概述

美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(luò)(NCCN )《非小細(xì)胞肺癌臨床實踐指南(2019. V6)》將解剖性肺段切除作為肺癌推薦手術(shù)方式之一，其描述的指征包括: (1) 肺功能儲備較差或合并其他疾病而不能耐受肺葉切除術(shù)者。(2)肺腫瘤直徑≤2.0 cm且滿足以下條件之一者: ① 單純原位癌; ② CT檢查提示≥50.0%的磨玻璃樣成份; ③ 影像學(xué)檢查提示腫瘤直徑倍增周期≥400 d。由于肺段支氣管、血管解剖復(fù)雜，變異較大[9-10]，尤以基底段最為顯著，血管系統(tǒng)的解剖變異可達(dá)15個之多[11]，并且段與段之間無明確界限，在保證安全切緣的前提下精準(zhǔn)切除目標(biāo)肺段難度較大。因此，術(shù)前明確病灶與肺動靜脈、支氣管、肺裂、淋巴結(jié)之間的毗鄰關(guān)系，對充分評估可切除性和術(shù)后肺功能非常重要。

三維重建就是將平面的影像資料以立體的形式進(jìn)行重構(gòu)，避免了人腦重構(gòu)的過程以及其可能造成的誤差，最大程度地還原器官組織本來的形狀及位置關(guān)系。利用軟件進(jìn)行三維重建是以準(zhǔn)確判讀各級支氣管為核心，尋找相伴行的動靜脈，通過術(shù)前3D-CTBA精確定位腫塊位置，明確其所屬肺段，判斷其與段支氣管、動靜脈以及臨近組織的相對位置關(guān)系[12]。三維圖像的術(shù)前模擬有助于手術(shù)計劃的制定，包括結(jié)節(jié)的定位，靶血管、靶支氣管和手術(shù)切緣的識別，解剖變異的揭示以及手術(shù)入路的規(guī)劃。在三維導(dǎo)航的幫助下，手術(shù)過程中可以準(zhǔn)確地分割所有靶向結(jié)構(gòu)，整塊切除靶向?qū)嵸|(zhì)，保證手術(shù)切緣。

2 不同3D-CTBA構(gòu)建方法

2.1 工作站重建

利用螺旋CT工作站內(nèi)置的三維后處理軟件處理重建后圖像，采用MinIP重建法顯示氣管和支氣管樹，容積再現(xiàn)(VR)三維顯示肺動脈和肺靜脈的圖像，多平面重建(MPR)顯示病灶的位置，最大密度投影(MIP)等技術(shù)實現(xiàn)三維重建[13]。此種方法可在CT掃描后立即進(jìn)行重建，不需要存儲轉(zhuǎn)運，但耗時較長，而且三維重建資料無法與個人電腦端兼容，只可進(jìn)行瀏覽查看，無法進(jìn)一步加工進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，故往往只應(yīng)用于疾病診斷。

2.2 常用第三方軟件重建

有學(xué)者使用第三方軟件實現(xiàn)三維重建，取得良好的效果。孫超等[14]使用交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)(MIMICS) 20.0軟件基于薄層CT創(chuàng)立3D模型進(jìn)行編輯，然后輸出通用的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、有限元分析(FEA)、快速成型(RP)格式，可以導(dǎo)入個人計算機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理?；谲浖夹g(shù)的進(jìn)步，這個過程主要由自動程序操作，僅需幾分鐘即可獲得外科手術(shù)需要的模擬的肺結(jié)構(gòu)[15]。影像科專業(yè)儀器的重建過程需要較長的時間，并要由專業(yè)人員操作，而個人電腦端軟件10.0 min內(nèi)即可完成全部操作[16]。MIMICS軟件具有重建手段多樣化、人工修正功能強(qiáng)大、對原始文件要求較低等特點，還可進(jìn)行肺葉、肺段、亞肺段的切割，更加直觀地展現(xiàn)肺的個體化解剖特征。當(dāng)然，其局限性是對肺部解剖結(jié)構(gòu)的熟悉程度要求較高，具有上手易、精通難的特點。

Deepinsight是江蘇省人民醫(yī)院胸外科自行設(shè)計的專門用于胸外科肺段切除的3D導(dǎo)航軟件[17-18]，將胸部增強(qiáng)CT經(jīng)3D后處理技術(shù)處理，再由手術(shù)人員以DICOM數(shù)據(jù)格式輸入DeepInsight軟件并運行，分別經(jīng)過圖像加載處理、氣管閾值計算、氣管提取、血管提取、肺結(jié)節(jié)提取、血管染色等步驟，重建 3D肺段支氣管及動靜脈血管模型，并形成 3D圖像，用于術(shù)中導(dǎo)航，具有準(zhǔn)確率高、工作效率高等特點[19]; 同時，由于其是為肺段切除術(shù)而設(shè)計的軟件，其實用性和針對性更加強(qiáng)大。

OsiriX軟件[20-21]是一款開源式的軟件，其重建后的圖像可導(dǎo)入平板電腦帶入手術(shù)室, iPad放入無菌塑料袋中，在手術(shù)臺上使用和操作。外科醫(yī)生能夠?qū)?D圖像進(jìn)行交互式的回顧和分析，以了解不同解剖標(biāo)志、動脈和靜脈分支和從該段中分離出不同的解剖標(biāo)志。MIMICS軟件和DeepInsight軟件的局限性是必須要有個人計算機(jī)的現(xiàn)場支持才能實現(xiàn)術(shù)中導(dǎo)航，無法滿足術(shù)中的無菌要求，操作不便。OsiriX軟件可將重建后圖像帶到手術(shù)臺上，極大地方便了術(shù)者的查看，節(jié)約了手術(shù)時間，滿足嚴(yán)格的無菌操作。

IQQA-3D影像分析系統(tǒng)常被用于肝臟的三維重建和手術(shù)規(guī)劃中，有學(xué)者[22-24]創(chuàng)新性地將三維重建應(yīng)用于肺段切除術(shù)中，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地劃分肺段甚至亞段水平以顯示病灶周圍細(xì)微的局部解剖，進(jìn)一步縮小手術(shù)切除范圍。IQQA-3D影像分析系統(tǒng)具有模擬手術(shù)的功能，可以虛擬離斷靶段肺動靜脈，為外科醫(yī)師規(guī)劃手術(shù)方案提供直觀的決策依據(jù); 同時，可將病灶體積、各肺段邊界等量化信息顯示出來，用以計算術(shù)后剩余具有功能的肺臟體積，結(jié)合術(shù)前肺功能將更加準(zhǔn)確地預(yù)估術(shù)后殘余肺功能，制定個性化手術(shù)方案并及時修正。

2.3 3D打印技術(shù)在肺段切除術(shù)中的應(yīng)用

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[25-26]。3D打印可以實現(xiàn)從虛擬世界到真實世界的過渡，提供解剖模型的觸覺反饋，并確保其在任何場所(包括患者床邊)中隨時可用[27]?；玖鞒贪ㄐg(shù)前均接受胸部高分辨增強(qiáng)CT和肺動脈成像，利用工作站查看和篩選原始CT數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的圖像后處理，導(dǎo)入至第三方重建軟件中進(jìn)行3D重建。將重建后數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最后得到肺的3D打印模型原型[28]。其優(yōu)點是構(gòu)建了一個真實的可觸及的模型，更加直觀地展現(xiàn)真實的解剖結(jié)構(gòu)，當(dāng)使用樹脂等質(zhì)地較軟的材料打印時，可用于術(shù)前手術(shù)模擬，直接進(jìn)行切割和縫合; 其局限性在于專業(yè)的3D打印機(jī)及耗材比較昂貴，無法短期內(nèi)得到普及。

2.4 三維重建在肺段切除術(shù)中的其他應(yīng)用

國內(nèi)外很多醫(yī)學(xué)院和醫(yī)院[29-33]也將三維重建用于對醫(yī)學(xué)生和年輕醫(yī)師的培訓(xùn)，為能掌握復(fù)雜的肺外科手術(shù)夯實基礎(chǔ)。相較于傳統(tǒng)的書本學(xué)習(xí)和平面圖像認(rèn)知，三維重建技術(shù)可以快速復(fù)制個體化器官的數(shù)字模型或?qū)嶓w模型，在教學(xué)過程中通過數(shù)字交互大大縮短學(xué)習(xí)周期，學(xué)習(xí)效果也優(yōu)于傳統(tǒng)模式; 也可用于和患者及其家屬溝通，使其能直觀了解病情和手術(shù)方案[16]。

除應(yīng)用于肺癌手術(shù)治療外，使用3D-CTBA輔助解剖性肺段切除術(shù)也可應(yīng)用于治療其他疾病。于躍等[34]利用三維重建指導(dǎo)下的胸腔鏡下肺段切除術(shù)治療10例孤立性肺動靜脈瘺，取得良好的效果。由此可見，一些需要手術(shù)的良性肺部疾病，由于其腫瘤學(xué)特性，對切緣要求并不十分嚴(yán)格，在確保病灶完整切除的前提下，應(yīng)盡可能采用3D-CTBA輔助下的精準(zhǔn)肺段切除術(shù)，以保存更多的肺功能。

3 3D-CTBA聯(lián)合術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)

基于3D-CTBA圖像，聯(lián)合其他術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)，判別段間平面、靶段肺動靜脈等重要結(jié)構(gòu)，以達(dá)到精準(zhǔn)肺段切除的目的，特別是在復(fù)雜肺段和聯(lián)合亞段切除手術(shù)中更具重要性。

吲哚菁綠(ICG)與血漿蛋白結(jié)合可提高其熒光強(qiáng)度，可在目標(biāo)肺段動脈和支氣管被分開并壓住動脈后由外周靜脈注射ICG。當(dāng)紅外線被等離子體ICG 吸收時，發(fā)出830 nm的熒光波長，可以用紅外胸腔鏡觀察到[35]，此時顯示熒光的部分為正常組織，靶段不顯影，形成的界限即為段間平面。有學(xué)者[36]在支氣管鏡輔助下將ICG灌注入靶段支氣管，然后充入空氣使其彌散入肺泡，等待20.0～30.0 min后手術(shù)，這種方法下顯示熒光的即為靶段，段間平面同時顯現(xiàn)出來。在對58例各類亞肺葉切除術(shù)的觀察中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)支氣管灌注ICG引導(dǎo)下亞肺葉切除術(shù)是可行的，適用于任何類型的亞肺葉切除術(shù)。傳統(tǒng)肺段切除術(shù)均采用“膨脹萎陷法”進(jìn)行段間平面的判別，界限較為模糊，為保證切緣常常多切除一部分正常肺組織。ICG熒光引導(dǎo)下段間平面更加清晰，且經(jīng)ICG熒光導(dǎo)航的肺段切除術(shù)平均手術(shù)時間和術(shù)中出血量與開胸手術(shù)無明顯差異[37]。

有學(xué)者[38-39]聯(lián)合應(yīng)用三維電視輔助胸部外科技術(shù)(3D-VATS)進(jìn)行復(fù)雜肺段切除和聯(lián)合肺亞段切除，術(shù)者及助手佩戴3D偏振眼鏡，顯示器顯示三維立體圖像，術(shù)中實時導(dǎo)航，將虛擬和現(xiàn)實的肺段解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比辨認(rèn)，有利于手術(shù)操作，降低手術(shù)風(fēng)險，減少術(shù)中出血量，縮短手術(shù)時間。

目前, 5G技術(shù)和人工智能正蓬勃發(fā)展，作為“第四次工業(yè)革命”的核心已經(jīng)逐漸滲透到醫(yī)療領(lǐng)域。目前已有學(xué)者[40-41]在積極探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)、混合現(xiàn)實(MR)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)(AR)等“未來科技”在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用?；旌犀F(xiàn)實設(shè)備通過手勢識別技術(shù)識別人類的手勢，確定人類想要表達(dá)的肢體語言，然后改變模型，使人們能夠不借助屏幕顯示而看到清晰、立體的三維模型，為外科醫(yī)生提供了真實、準(zhǔn)確的解剖結(jié)構(gòu)的空間展示，是一種卓有成效的手術(shù)計劃工具。

目前廣泛應(yīng)用的三維重建方法還存在一些問題。由于術(shù)中肺組織處于萎陷狀態(tài)，解剖結(jié)構(gòu)與術(shù)前3D-CTBA圖像可能不完全一致，這需要手術(shù)醫(yī)師不斷積累經(jīng)驗，能夠在3D-CTBA的輔助下順利完成手術(shù); 另外，影像資料的質(zhì)量和重建過程所需的時間是影響三維重建能否廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)的關(guān)鍵因素，因此有時會出現(xiàn)“重建缺失”和“動靜脈混淆”的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致重建效果不滿意，此時需要手術(shù)醫(yī)生結(jié)合原始影像資料和三維重建模型，重新辨認(rèn)和匹配肺血管和支氣管。

4 小 結(jié)

三維重建技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于臨床實踐中，其直觀的用戶界面和高性能的處理能力使得外科醫(yī)生能夠?qū)崟r地觀察生成的各種圖像。圖像分割和雕刻工具可以提取和去除相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)，顏色和透明度的調(diào)整也被用來提供最好的3D視覺。盡管這項技術(shù)還處于初級階段，但其好處是顯而易見的，它能引導(dǎo)醫(yī)院購置新的設(shè)備，指導(dǎo)醫(yī)護(hù)人員學(xué)習(xí)新的技術(shù)，以提升外科訓(xùn)練、理論研究和醫(yī)患溝通的質(zhì)量。當(dāng)然，我們也應(yīng)該意識到，目前的3D重建導(dǎo)航技術(shù)仍局限于靜態(tài)導(dǎo)航。在未來，我們將結(jié)合人工智能，開發(fā)出可供術(shù)中動態(tài)導(dǎo)航的工具，這將進(jìn)一步提升手術(shù)的效率和準(zhǔn)確度。