基于計(jì)算機(jī)的虛擬三維重建技術(shù)在精準(zhǔn)肺段切除中的應(yīng)用評(píng)價(jià)

于偉杰，麥蘇德·馬合木提，居來提·艾尼瓦爾，伊力亞爾·夏合丁

(新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院胸外科，新疆 烏魯木齊)

0 引言

中國(guó)是肺癌高發(fā)區(qū)，其發(fā)病率以及死亡率均居于疾病首位，已成為我國(guó)因腫瘤死亡的主要病因。據(jù)報(bào)道，2015 年中國(guó)癌癥新發(fā)例數(shù)292.9 萬例，其中肺癌有78.7 萬例，約占26.8%。約233.8 萬例死于癌癥，其中與肺癌相關(guān)約63.1 萬例，約占26.9%[1]。近年來，隨著低劑量螺旋CT(Low dose spiral CT)的普及和使用，和全民對(duì)體檢的重視以及健康意識(shí)的增強(qiáng)，都使得肺小結(jié)節(jié)在人群中的檢出率逐漸上升[2]，其中以磨玻璃結(jié)節(jié)(ground-glass nodule，GGN)為代表的肺小結(jié)節(jié)，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)顯示，約75%的磨玻璃結(jié)節(jié)經(jīng)病理證實(shí)為惡性腫瘤[3]。對(duì)于影像學(xué)提示結(jié)節(jié)最大直徑≤1cm，因此類結(jié)節(jié)較小，或?qū)嵭猿煞州^少，術(shù)前經(jīng)CT 引導(dǎo)穿刺明確病理難度大[4]。所以依照現(xiàn)有治療指南，手術(shù)切除病病變?cè)谥委煹耐瑫r(shí)也可以明確疾病。

肺段切除發(fā)展史：解剖性肺段切除術(shù)是指切除有病變的肺組織，而保留該肺葉其余肺組織的手術(shù)[5]。在1939 年，Churchill 和Belsey 首次報(bào)道在治療支氣管擴(kuò)張癥的病人時(shí)使用了肺段切除。在1972 年，日本學(xué)者Noriaki Tsubota 對(duì)肺段切除術(shù)進(jìn)行了一系列改進(jìn)，并認(rèn)為治療早期肺癌的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)式將會(huì)是肺段切除甚至亞肺段切除[6]。在1973 年，Jensik[7]報(bào)道使用解剖性肺段切除治療肺癌，1995 年，Ginsberg[8]等人認(rèn)為肺段切除只可用于肺功能較差的患者，并且有較高的復(fù)發(fā)率和更差的長(zhǎng)期生存率。1999 年，Takizawa 將行肺段切除術(shù)后的患者肺功能與行肺葉切除術(shù)后的患者做了對(duì)比，認(rèn)為肺葉切除術(shù)后患者所損失的肺功能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于解剖性肺段切除術(shù)后患者[9]，在2005 年，Okada 在一項(xiàng)回顧性研究中，在治療最大徑≤2cm 的早期周圍型肺癌病人時(shí)分為兩組，分別行肺段切除和肺葉切除，兩組病人的5 年生存率雖然略有差異，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[10]。在2012 年，Schuchert 進(jìn)行一項(xiàng)研究表明：術(shù)后病理為早期非小細(xì)胞肺癌Ia 期的患者，接受肺段切除術(shù)后患者與接受肺葉切除術(shù)后患者的復(fù)發(fā)率與5 年生存率無明顯差異[11]。Yendamuri 在2013 年一項(xiàng)研究中表明，對(duì)于早期的非小細(xì)胞癌患者，行肺段切除術(shù)的病人在總生存率方面有明顯優(yōu)勢(shì)。所以在臨床醫(yī)師中，越來越多人認(rèn)為在治療Ia 期，或者肺功能較差的病人可使用解剖性肺段切除術(shù)[12]。近年來隨著相關(guān)研究的深入， 越來越多的人對(duì)此種手術(shù)方式表示認(rèn)可，故逐漸成為了替代肺葉切除術(shù)的一種選擇。美國(guó)國(guó)家綜合癌癥網(wǎng)(NCCN)及我國(guó)制定的非小細(xì)胞肺癌臨床診療指南中指出解剖性肺段切除適應(yīng)癥[13-14]：(1)患者高齡，年齡≥75 歲，F(xiàn)EV1 占預(yù)計(jì)值＜50%，心血管或其他合并癥無法耐受肺葉切除者；(2)CT 提示為肺內(nèi)周圍型非侵襲性病變，位于肺外側(cè)三分之一，且病變小于2cm；(3)并具有以下任何一特征：病理證實(shí)為單純?cè)幌侔珻T 隨訪一年以上高度懷疑為惡性腫瘤，磨玻璃成分≥50%，影像學(xué)查證倍增時(shí)間大于400d；(4)結(jié)節(jié)數(shù)量較多，如位于不同肺葉可同期手術(shù)，已行肺葉切除術(shù)后的新發(fā)結(jié)節(jié)；(5)術(shù)前完善PET-CT 后未提示未見肺門淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移或縱隔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。因肺段存在大多數(shù)結(jié)節(jié)位于肺實(shí)質(zhì)內(nèi)、術(shù)中定位困難，且肺段解剖及術(shù)中變異對(duì)醫(yī)師解剖知識(shí)要求高，故需要術(shù)者具有良好解剖知識(shí)或使用輔助引導(dǎo)。

正因?yàn)閭€(gè)體之間存在解剖變異，傳統(tǒng)二維CT 圖像無法明確以及當(dāng)肺小結(jié)節(jié)距離胸膜≥20mm 時(shí)術(shù)中定位困難，在一定程度上影響肺段切除。故術(shù)前經(jīng)計(jì)算機(jī)經(jīng)行解剖三維重建成為近幾年術(shù)前定位、了解患者肺部解剖的熱點(diǎn)。3D-CTBA通過不斷(術(shù)前三維肺、支氣管、血管重建：three dimensional computed tomography bronchography and angiography)的發(fā)展，本技術(shù)已應(yīng)用于術(shù)前評(píng)估，精確定位，明確解剖結(jié)構(gòu)等多方面。本文就基于計(jì)算機(jī)的虛擬三維重建技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 基于計(jì)算機(jī)的虛擬三維重建技術(shù)(3D-CTBA)概述

1.1 基于計(jì)算機(jī)的虛擬三維重建技術(shù)(three dimensional computed tomography bronchography and angiography)

定義：利用斷層掃描、核磁共振等技術(shù)獲得數(shù)據(jù)，將不同層面的影像資料導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件中，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)連續(xù)序列進(jìn)行處理，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)三維立體效果表現(xiàn)；目前已在整形外科、普通外科、骨科等諸多手術(shù)科室廣泛應(yīng)用[15-17]。近年來國(guó)內(nèi)外胸心外科專業(yè)醫(yī)師將該技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)肺段切除手術(shù)中，取得良好效果[18]。作用：3D-CTBA 可幫助臨床醫(yī)師節(jié)省人腦對(duì)二維圖像加工為三維圖像的程序，同時(shí)避免了在此過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。間接實(shí)現(xiàn)了從人腦加工圖像轉(zhuǎn)為電腦加工圖像的轉(zhuǎn)變。首先其未對(duì)患者本人造成任何創(chuàng)傷，且小結(jié)節(jié)的位置可以利用軟件，調(diào)整視角，從冠狀位、矢狀位等多角度全面觀察，并可通過坐標(biāo)軸隨意分割和重建，或者單獨(dú)或組合顯示某部位結(jié)構(gòu)，在術(shù)前了解肺內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)。因肺段切除范圍要求切緣與病變之間的距離大于2 厘米才可盡可能降低復(fù)發(fā)，所以主刀醫(yī)師可在術(shù)前應(yīng)用三維重建模型進(jìn)行模擬手術(shù)方案，實(shí)行虛擬手術(shù)切除，為實(shí)際手術(shù)提供可靠的個(gè)體化手術(shù)方案。手術(shù)方案其中也包括測(cè)量腫物與周邊組織的距離，選擇要離斷或保存的支氣管，動(dòng)脈，靜脈[19]，從而確保足夠的切除范圍。Chen-Yoshikawa 在對(duì)病人行術(shù)前三維重建后，發(fā)現(xiàn)不同個(gè)體之間存在解剖差異[20]。因此，此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)可為針對(duì)不同患者制定獨(dú)特的手術(shù)方案提供了依據(jù)。張書新、Kurenov 利用三維重建后的模型，為患者及其家屬進(jìn)行手術(shù)預(yù)演，介紹手術(shù)方案，有利于術(shù)前與患者家屬的溝通，也有助于術(shù)前綜合評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，為不同患者制定不同的個(gè)性化方案，從而挑選最適合的最佳手術(shù)方案[21]。吳衛(wèi)兵等報(bào)道使用其自行開發(fā)的 Deepinsight 軟件重建肺血管、支氣管用來輔助復(fù)雜胸腔鏡下肺段切除術(shù)。孫超等報(bào)道使用mimics三維重建軟件進(jìn)行支氣管血管重建模型用于胸腔鏡肺段切除術(shù)[22]。目前新一代的三維重建軟件，可以快速半自動(dòng)地重建出腫瘤、肺動(dòng)靜脈、支氣管樹和肺實(shí)質(zhì)，術(shù)前虛擬手術(shù)，測(cè)量腫瘤和手術(shù)切緣之間的距離，確保足夠的手術(shù)切緣，并指導(dǎo)術(shù)中解剖的識(shí)別

2 術(shù)前3D-CTBA 在解剖性肺段切除中的應(yīng)用

該技術(shù)可以直觀的呈現(xiàn)肺部血管和支氣管解剖結(jié)構(gòu)，小結(jié)節(jié)與周圍組織的毗鄰關(guān)系，將復(fù)雜的血管走形展現(xiàn)在主刀醫(yī)生眼前，有助于評(píng)估手術(shù)難度，針對(duì)不同患者制定不同手術(shù)規(guī)劃，提高了手術(shù)的可操作性和安全性。并且在重建結(jié)構(gòu)中，醫(yī)生可根據(jù)重建結(jié)果直接判定腫物性質(zhì)。其主要應(yīng)用如下：

2.1 識(shí)別解剖結(jié)構(gòu)

由于存在個(gè)體之間差異，傳統(tǒng)CT 所呈現(xiàn)出二維結(jié)構(gòu)不利于術(shù)者了解肺內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)。而三維重建技術(shù)可以完美的彌補(bǔ)通過二維圖片來評(píng)估病情時(shí)所帶來的的困難，提供大量有用信息。重建模型后，可以通過調(diào)整角度，從冠狀位、矢狀位等多平面了解小結(jié)節(jié)位置，也可以運(yùn)用軟件，對(duì)重建后的模型通過坐標(biāo)軸進(jìn)行任意切割和重建，或者目標(biāo)器官的透明度和不同的顏色設(shè)定可通過軟件被控制從而單獨(dú)或聯(lián)合顯示各部分結(jié)構(gòu)，使術(shù)前直視患者肺內(nèi)血管走形、匯合，及血管的變異情況，全面的呈現(xiàn)肺內(nèi)腫物與周圍組織的毗鄰關(guān)系。Hagiwara[23]對(duì)124 例擬行胸腔鏡手術(shù)患者構(gòu)建三維重建模型，從而得出大量二維圖像無法提供的信息，尤其是血管變異及走行。NCCN 指南中提出滿足肺段切除要求切緣距離病變的部位應(yīng)大于或等于2cm 才可以降低術(shù)后復(fù)發(fā)率，故可通過3D-CTBA 測(cè)量腫物與周邊組織的距離，并根據(jù)小結(jié)節(jié)與動(dòng)靜脈的密切程度，明確手術(shù)安全切除范圍，選擇要離斷或保存的支氣管、動(dòng)脈，靜脈。是否要擴(kuò)大肺段切除范圍得以在術(shù)前明確。從而評(píng)估手術(shù)難易程度。

2.2 病變及段間平面的確定

由于大多數(shù)的肺小結(jié)節(jié)位于肺實(shí)質(zhì)內(nèi)，如主刀醫(yī)師在術(shù)中通過觸診定位或者通過器械滑行定位病灶的失敗率較高[24]。部分患者因無法準(zhǔn)確定位而導(dǎo)致中轉(zhuǎn)開胸、甚至手術(shù)失敗，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，因無法準(zhǔn)確定位而中轉(zhuǎn)開胸率達(dá)46%。因此，行手術(shù)前明確肺小結(jié)節(jié)所在位置顯得尤為重要。目前，雖有很多方法來定位肺結(jié)節(jié)，如電磁導(dǎo)航支氣管鏡下穿刺定位技術(shù)，CT 引導(dǎo)下經(jīng)皮穿刺 Hookwire、彈簧圈定位法，CT 引導(dǎo)下經(jīng)皮穿刺液體材料注射定位法：如包括碘油、醫(yī)用膠、亞甲藍(lán)、吲哚菁綠等[25-27]。然而，上述方法并不能完全解決結(jié)節(jié)的肺段歸屬問題。此外，由于許多肺段解剖變異，優(yōu)勢(shì)肺段常出現(xiàn)，其體積明顯大于正常肺段。傳統(tǒng)的解剖學(xué)觀點(diǎn)及二維CT很容易誤判結(jié)節(jié)所在的肺段。如果未能正確判斷，切除病灶后，雖然病灶被一并切除，但與肺楔形切除無差別，并且未能最大程度的保護(hù)肺功能。而在三維重建圖像上，通過識(shí)別段間靜脈，根據(jù)結(jié)節(jié)與支氣管、血管的空間關(guān)系，明確結(jié)節(jié)所在肺段，依據(jù)段間靜脈確定段間平面。

2.3 復(fù)雜小結(jié)節(jié)的三維重建定位

肺內(nèi)任何部位都可以出現(xiàn)肺小結(jié)節(jié)，其中大部分位于肺段的中心，少數(shù)結(jié)節(jié)可以位于肺段的邊緣區(qū)域。當(dāng)病變與相鄰段間靜脈的最小距離≤病變直徑，稱之為段間結(jié)節(jié)[28]。傳統(tǒng)處理段間結(jié)節(jié)的方式為擴(kuò)大肺段切除，即切除靶肺段時(shí)跨越段間交界，切除部分相鄰肺段，以保切除段間結(jié)節(jié)。此種手術(shù)方法實(shí)質(zhì)上為肺段切除加相鄰肺段的楔形切除，如對(duì)于位置較深的病變，手術(shù)切除效果較差。吳衛(wèi)兵等對(duì)于符合段間結(jié)節(jié)的病人使用其自主研發(fā)的“deeppinsight”軟件重建肺、支氣管、血管和病變部位，運(yùn)用術(shù)前3D-CTBA 在胸腔鏡行胸腔鏡下肺亞段切除。首先確定是否符合段間結(jié)節(jié)，再進(jìn)行準(zhǔn)確定位，其次設(shè)計(jì)手術(shù)規(guī)劃，最后進(jìn)行手術(shù)切除。據(jù)現(xiàn)有諸多報(bào)道，術(shù)前完善3D-CTBA 較傳統(tǒng)二維CT 對(duì)手術(shù)具有更優(yōu)的指導(dǎo)效果。

2.4 術(shù)前模擬肺段切除和制定手術(shù)方案

術(shù)前應(yīng)用3D-CTBA 可在術(shù)前明確有無變異解剖結(jié)果。為達(dá)到肺段切除要求，明辨有效切除范圍。應(yīng)用三維重建進(jìn)行設(shè)計(jì)手術(shù)方案，實(shí)行虛擬手術(shù)切除，為不同患者選擇合適的手術(shù)路徑，確保切除效果，避免復(fù)發(fā)，為患者制定不同的治療方案，為患者選擇最適合的針對(duì)性手術(shù)方案[29]。

2.5 國(guó)內(nèi)與國(guó)外應(yīng)用對(duì)比

我國(guó)在該領(lǐng)域研究相比國(guó)外相關(guān)國(guó)家起步較晚。美國(guó)于1991 年便開始了可視人計(jì)劃。2000 年，2002 年，韓國(guó)和日本分別開始啟動(dòng)研究。之后，德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等歐洲國(guó)家也相繼開始研究，相比較我國(guó)開始較晚[30]。三維重建技術(shù)的應(yīng)用主要在于骨、肝膽外科手術(shù)和術(shù)前指導(dǎo)胸腔鏡下肺段切除術(shù)在胸外科手術(shù)中的應(yīng)用，例如:可用肋骨標(biāo)記皮膚，肺結(jié)節(jié)在體表相對(duì)于投影位置的精確顯示，以便制定手術(shù)計(jì)劃和指導(dǎo)準(zhǔn)確的胸腔鏡下手術(shù)切除病變。然而國(guó)外將三維重建與模擬虛擬手術(shù)以及虛擬切除結(jié)合在一起，用于在術(shù)前制定解剖性肺段切除的方案、模擬肺段切除及評(píng)估手術(shù)難度、術(shù)中導(dǎo)航等的方面。相對(duì)比，我國(guó)三維重建應(yīng)用范圍較為狹窄，主要用于指導(dǎo)解剖性肺段切除及普通外科中肝臟手術(shù)。然而，從國(guó)內(nèi)實(shí)際出發(fā)，3D-CTBA 技術(shù)與胸腔鏡技術(shù)的結(jié)合加快了我國(guó)微創(chuàng)外科在胸外科手術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

3 3D-CTBA 應(yīng)用延伸

余曉偉等使用3D-CTBA 聯(lián)合3D 胸腔鏡，使主刀醫(yī)師在手術(shù)過程中操作感更像傳統(tǒng)開胸手術(shù)，操作器械更加順利，簡(jiǎn)化手術(shù)流程，使過程更加精準(zhǔn)，降低手術(shù)相關(guān)操作，減少誤傷，術(shù)中出血亦相應(yīng)減少。

4 局限性

CT 三維重建技術(shù)必須基于傳統(tǒng)增CTA(CT 血管造影)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，對(duì)于某一類患者，例如合并有嚴(yán)重的過敏性疾病或過敏體質(zhì)，在注射造影劑后可能導(dǎo)致嚴(yán)重過敏癥狀的患者。甲亢以及嚴(yán)重的肝腎功能損害的患者并不適用。此類患者如術(shù)前需要明確病變位置，則需要現(xiàn)有的傳統(tǒng)定位方式。在應(yīng)用中，對(duì)原圖像進(jìn)行加工處理需要一定時(shí)間，并且在術(shù)前經(jīng)CT 三維重建和手術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)劃后，如不能及時(shí)手術(shù)，則容易造成圖像記憶遺漏。即使經(jīng)3D-CTBA 技術(shù)處理后，操作者可以直觀了解肺的實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)。但在手術(shù)過程中，三維重建后的圖形內(nèi)容結(jié)果與實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)仍有差異，不能百分百的顯示肺內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)，識(shí)別率還有待提高，也因此必須根據(jù)實(shí)際情況自主選擇可行的手術(shù)方式。同時(shí)，術(shù)中因單肺通氣使病變肺組織處于萎陷狀態(tài)，與術(shù)前三維重建結(jié)果有明顯差異。因此，需要主刀醫(yī)師具備豐富的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，才能明確小結(jié)節(jié)所在的靶肺段。在現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)中可以得出，CT 三維重建也因其不能為主刀醫(yī)生在術(shù)中提供有效信息成為此項(xiàng)技術(shù)一大短板[31]。

5 小結(jié)

3D-CTBA 因其自身優(yōu)越性，越來越受到患者及醫(yī)療人員的認(rèn)可。也因其自身目前所面臨的一些問題，相關(guān)技術(shù)也得到研發(fā)以用來彌補(bǔ)其不足。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality Technology，VR)技術(shù)，以及由其所延伸出的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，和3D 打印技術(shù)，已在醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)用，可為術(shù)者提供術(shù)前評(píng)估，制定手術(shù)方案，以及術(shù)中引導(dǎo)，彌補(bǔ)了部分CT 三維重建部分功能上的缺陷。相信通過數(shù)字化影像的發(fā)展，并在人工智能的幫助下，越來越多的技術(shù)可以相互彌補(bǔ)，也使技術(shù)更好的服務(wù)于患者，帶領(lǐng)胸外科向更加精準(zhǔn)的時(shí)代邁進(jìn)。