金紫薇 肖 燾
CT、MRI等影像學(xué)技術(shù)可獲得人體組織器官的二維斷層圖像,是目前診斷疾病的主要方法。然而,二維斷層圖像僅局限于表達(dá)人體某一切面的解剖信息,醫(yī)師借助二維圖像只能憑借其臨床經(jīng)驗(yàn)估測(cè)病灶的大小、形態(tài),以及判斷病灶與周?chē)M織器官的毗鄰關(guān)系,容易誤診、漏診。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展,三維重建技術(shù)逐步趨于成熟,通過(guò)對(duì)人體組織器官二維數(shù)據(jù)的三維重建,能夠更為精確地觀察病灶的形態(tài)和位置,大大提高了疾病診斷的準(zhǔn)確率。目前,三維重建技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于胃腸疾病的診斷和治療,如胃癌的術(shù)前分期、診斷與治療,胃良性疾病的診斷,以及部分腸道疾病的診斷和治療。以下對(duì)三維重建技術(shù)在胃腸疾病中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。
隨著影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,CT或MRI自帶的圖像三維重建技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于臨床診斷和治療。三維重建是指在計(jì)算機(jī)操作下對(duì)三維物體進(jìn)行處理分析所建立的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型[1],醫(yī)學(xué)圖像的三維重建是指借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù),將斷層掃描后生成的二維圖像數(shù)據(jù)重建成人體組織器官的三維立體模型,進(jìn)而可從不同角度觀察病灶并對(duì)其進(jìn)行診斷[2]。三維重建的主要后處理成像方式包括多平面重建(multi-planar reconstruction,MPR)、最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)、表面遮蓋顯示(shaded surface display,SSD)、容積再現(xiàn)技術(shù)(volume rendering technique,VRT)、虛擬內(nèi)窺鏡(virtual endoscopy,VE)技術(shù)和曲面重建(curved planar reformation,CPR)。
三維重建能清晰真實(shí)地反映病灶位置及其與周?chē)M織和器官的解剖關(guān)系,有利于臨床醫(yī)師根據(jù)病灶部位的解剖學(xué)特點(diǎn)制訂個(gè)體化治療方案。目前,三維重建技術(shù)已被廣泛地用于普外科、骨科、頜面外科、整形外科的術(shù)前診斷、手術(shù)方案設(shè)計(jì)、術(shù)后隨訪等領(lǐng)域,提高了疾病的診斷準(zhǔn)確率和治療成功率。
CT是各類(lèi)胃疾病的重要影像學(xué)診斷方法,基于CT斷層掃描數(shù)據(jù)形成的三維重建技術(shù)能在影像中清晰地顯示胃壁各層精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu),據(jù)此可對(duì)病灶周?chē)难芎土馨徒M織受侵犯情況進(jìn)行判斷。因此,三維重建技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于胃惡性腫瘤、胃炎性疾病和胃底靜脈曲張疾病的診斷和治療。
2.1 三維重建技術(shù)與胃癌 胃癌是較常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤之一,其發(fā)病率和死亡率均較高[3]。胃癌患者的預(yù)后與腫瘤分期密切相關(guān),早期胃癌患者的術(shù)后5年生存率>90%,進(jìn)展期胃癌患者的術(shù)后5年生存率<30%[4]。因此,降低胃癌患者死亡率最有效的措施是早診斷、早治療。近年來(lái),三維重建技術(shù)已在胃癌的術(shù)前分期、診斷和治療中體現(xiàn)出獨(dú)有的優(yōu)勢(shì),成為胃癌診斷和治療的重要輔助技術(shù)。
2.1.1 三維重建技術(shù)與胃癌術(shù)前診斷 臨床上胃癌的診斷工具有胃鏡(包括超聲內(nèi)鏡)、CT等。當(dāng)前,胃鏡檢查仍是明確診斷胃癌的必需檢查,其能確定腫瘤位置,可取組織標(biāo)本進(jìn)行病理學(xué)檢查。三維重建技術(shù)作為一種新的輔助診斷技術(shù),與CT掃描結(jié)合能清晰地顯示胃壁、胃腔內(nèi)外病變和腫瘤范圍,在胃癌的定位、定性和定量診斷中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。有研究[5]報(bào)道,CT仿真內(nèi)鏡(CT virtual endoscopy,CTVE)可充分顯示胃壁黏膜面和腫瘤組織的浸潤(rùn)情況;通過(guò)VRT可觀察腫瘤、腫瘤與周?chē)M織和臟器的關(guān)系,以及漿膜外間隙有無(wú)受累。
值得注意的是,三維重建技術(shù)在早期胃癌的診斷中具有明顯優(yōu)勢(shì)。早期胃癌是指局限于胃的黏膜層和黏膜下層的腫瘤組織,無(wú)論其有無(wú)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。雖然傳統(tǒng)的CT檢查對(duì)于判斷胃癌浸潤(rùn)程度和有無(wú)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移不夠精確,但相較于超聲內(nèi)鏡,CT因具有非侵入性的特點(diǎn)更易為患者所接受,且三維重建技術(shù)大大提高了CT對(duì)早期胃癌的診斷水平。文獻(xiàn)[6]報(bào)道多排螺旋CT(multi-detector CT,MDCT)胃造影能夠生成多種三維圖像(如VE技術(shù)、SSD)協(xié)助診斷,提高了早期胃癌診斷率和T分期的準(zhǔn)確率,是一項(xiàng)具有臨床應(yīng)用前景的技術(shù)。邢亞楠等[7]研究發(fā)現(xiàn),行多層螺旋CT(multi-slice spiral CT,MSCT)在動(dòng)脈期、平衡期和門(mén)脈期三期掃描結(jié)合三維重建,可動(dòng)態(tài)觀察病灶和血管的強(qiáng)化過(guò)程,有利于顯示胃壁層次,區(qū)分淋巴結(jié)和血管,提高了胃癌術(shù)前T、N分期的準(zhǔn)確率。邵華等[8]研究發(fā)現(xiàn),MSCT結(jié)合MPR與單純的MSCT橫斷面圖像相比,能提高胃癌T分期的準(zhǔn)確率,明確腹腔內(nèi)轉(zhuǎn)移灶,有利于對(duì)晚期胃癌M期的判定。姜智允等[9]采用雙源CT雙能量掃描技術(shù)融合三維重建技術(shù),對(duì)獲得的多組衍生序列進(jìn)行定量分析,顯著提高了早期胃癌的診斷準(zhǔn)確率,并能鑒別轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)與非轉(zhuǎn)移淋巴結(jié),提高了N分期的準(zhǔn)確率,從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的術(shù)前分期。
2.1.2 三維重建技術(shù)與胃癌治療 當(dāng)前,胃癌的治療仍以手術(shù)為主,腹腔鏡技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于胃癌根治術(shù)中。腹腔鏡胃癌根治術(shù)的基本原則是充分切除原發(fā)病灶和胃周可能轉(zhuǎn)移的淋巴結(jié),保證足夠的胃切緣,并合理選擇淋巴結(jié)的清掃范圍,以盡可能保證腫瘤的R0切除(即顯微鏡下無(wú)腫瘤殘余)[10]。由于胃周血管多,且與淋巴結(jié)的解剖學(xué)關(guān)系密切,應(yīng)用腹腔鏡技術(shù)行胃癌根治術(shù)具有一定難度,學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)。有研究[11]結(jié)果顯示,在胃癌手術(shù)前行雙源CT增強(qiáng)掃描和腹腔血管三維重建,明確胃周血管的位置、解剖學(xué)特點(diǎn)及其變異情況,做好詳細(xì)的手術(shù)預(yù)案,可明顯縮短手術(shù)時(shí)間??梢?jiàn),三維重建技術(shù)有助于術(shù)者縮短腹腔鏡胃癌根治術(shù)的學(xué)習(xí)曲線,并確保手術(shù)效果。
2.1.3 三維重建技術(shù)與胃癌術(shù)后隨訪 進(jìn)展期胃癌術(shù)后容易復(fù)發(fā),傳統(tǒng)CT軸位圖像的空間分辨率低、立體感差,難以早期鑒別術(shù)后復(fù)發(fā)病灶。有研究者在胃癌患者術(shù)后隨訪時(shí)行CT掃描聯(lián)合三維重建,通過(guò)VRT和SSD重建殘胃的形態(tài),經(jīng)CTVE觀察胃腔內(nèi)的情況,再行MPR觀察吻合口與周?chē)K器的關(guān)系,判斷周?chē)鞴儆袩o(wú)病變發(fā)生;結(jié)果顯示,三維重建對(duì)吻合口胃壁增厚、腫瘤侵犯范圍和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的檢出率均顯著高于傳統(tǒng)CT軸位圖像[12]。因此,將CT三維重建應(yīng)用于胃癌術(shù)后隨訪能夠早期發(fā)現(xiàn)復(fù)發(fā)病灶,并從多角度、多方位評(píng)估病變程度,盡早制訂合適的治療方案,改善患者預(yù)后。
2.2 三維重建技術(shù)與胃良性疾病
2.2.1 三維重建技術(shù)與胃炎的診斷 胃炎是由多種病因引起的胃黏膜急性或慢性炎癥,是最常見(jiàn)的胃良性疾病。慢性胃炎與胃癌的發(fā)生密切相關(guān),臨床上多采用胃鏡和活組織檢查(簡(jiǎn)稱活檢)診斷胃炎,但限于其為有創(chuàng)性檢查,患者對(duì)胃鏡檢查的依從性較差;胃炎的CT影像學(xué)表現(xiàn)為胃皺襞和胃壁增厚,易與腫瘤相混淆。因此,三維重建技術(shù)有望成為胃鏡以外的重要診斷補(bǔ)充技術(shù),早期的胃CT三維成像僅限于SSD,但SSD僅顯示胃壁表面的信息,對(duì)黏膜細(xì)節(jié)情況顯示不佳。隨著三維重建技術(shù)的發(fā)展,VE技術(shù)提供的圖像可顯示黏膜細(xì)節(jié),能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估黏膜病變信息,且具有可重復(fù)性的優(yōu)勢(shì)。因此,三維重建技術(shù)在胃良性疾病的診斷方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
2.2.2 三維重建技術(shù)與胃底靜脈曲張?jiān)\斷 胃底靜脈曲張是指胃底靜脈呈串珠樣、息肉樣或團(tuán)塊樣的改變,通常由門(mén)靜脈高壓所致。Matsumoto等[13]對(duì)30例胃底靜脈曲張患者分別行三維螺旋CT血管造影和常規(guī)血管造影,結(jié)果顯示兩者均有良好的顯影效果;有4例患者的胃后靜脈或胃短靜脈在三維螺旋CT血管造影上清晰可見(jiàn),而在常規(guī)血管造影上未見(jiàn)。上述結(jié)果表明,三維螺旋CT血管造影對(duì)胃底靜脈曲張具有診斷價(jià)值,且無(wú)侵入性,能夠有效識(shí)別胃的血管及其變異情況。
3.1 三維重建技術(shù)與腸梗阻病因診斷 腸梗阻是一種常見(jiàn)的急腹癥,起病急,病情發(fā)展快,盡早明確其病因是成功治療的關(guān)鍵。MSCT三維重建技術(shù)操作簡(jiǎn)單,能從任意方向觀察腸管的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和走行,判斷梗阻位置及其與周?chē)M織的關(guān)系;該技術(shù)可用于明確腸梗阻的病因,尤其對(duì)腫瘤性病變引起的腸梗阻的性質(zhì)判斷具有優(yōu)勢(shì),越來(lái)越受到臨床醫(yī)師的認(rèn)可[14]。吳彪等[15]研究發(fā)現(xiàn),MDCT提高了z軸空間分辨力,可實(shí)現(xiàn)各向同性分辨力,使各向同性分辨力的成像能在任意角度重建圖像,也可從一個(gè)容積掃描中選擇不同的平面或方向成像,且不影響圖像質(zhì)量,結(jié)合MPR形成高質(zhì)量的三維圖像,較好地顯示腸腔的形態(tài)和病灶情況;口服泛影葡胺后行MDCT檢查,病灶顯示更為清晰。
3.2 三維重建技術(shù)與腸套疊診斷 腸套疊是指一段腸管和與其相連的腸系膜被套入與其相鄰的腸管內(nèi)[16]。成人一般發(fā)生繼發(fā)性腸套疊,CT影像學(xué)表現(xiàn)具有一定的特征性。發(fā)生腸套疊時(shí)腸管在腹腔內(nèi)盤(pán)繞,CT的原始軸位圖像難以顯示其全貌,需從不同方位觀察其走行、解剖結(jié)構(gòu)和病理變化等。MDCT聯(lián)合MPR可從不同的方位對(duì)套疊的腸管,以及腸系膜的病理學(xué)和解剖學(xué)改變進(jìn)行觀察,從而明確腸套疊的類(lèi)型和病因[17]。
3.3 三維重建技術(shù)與炎癥性腸病診斷 克羅恩病是一種常見(jiàn)的腸道炎癥性疾病,明確炎癥病變的位置、范圍和嚴(yán)重程度是治療的關(guān)鍵。通過(guò)三維重建技術(shù)獲得的腸管影像空間分辨率高,可更準(zhǔn)確地顯示小腸的炎癥情況。Knuesel等[18]采用三維MRI小腸造影(magnetic resonance enterography,MRE)鑒別炎癥性小腸壁與正常小腸壁;在增強(qiáng)顯影早期,炎癥性腸壁對(duì)釓的攝取顯著增多,故可對(duì)炎癥所在腸段實(shí)現(xiàn)有效顯影。
3.4 三維重建技術(shù)與腸道腫瘤的診斷 膠囊內(nèi)鏡是一種膠囊形狀的內(nèi)鏡,對(duì)原因不明的消化道出血和克羅恩病具有較高的診斷價(jià)值[19],但其難以鑒別假陽(yáng)性腫塊。近年來(lái),有學(xué)者對(duì)膠囊內(nèi)鏡二維視頻中一些片段的各個(gè)幀進(jìn)行三維重建,顯著提高了膠囊內(nèi)鏡鑒別腫塊性質(zhì)的準(zhǔn)確率[20]。此外,在對(duì)Peutz-Jeghers綜合征進(jìn)行診斷時(shí),利用經(jīng)肛門(mén)充氣對(duì)小腸行螺旋CT檢查并結(jié)合MPR和CTVE重建圖像,可觀察腸腔內(nèi)病變的數(shù)量、大小和形態(tài),該方法在小腸內(nèi)氣體充盈條件下診斷腸道隆起性病變具有重要價(jià)值[21]。
3.5 三維重建技術(shù)與腸外瘺的治療 腸外瘺是一種嚴(yán)重的胃腸外科疾病,可引起大量消化液的丟失,導(dǎo)致嚴(yán)重電解質(zhì)紊亂和各種營(yíng)養(yǎng)障礙發(fā)生。有學(xué)者對(duì)腸瘺瘺管行造影后再行CT掃描和三維重建,依據(jù)三維重建數(shù)據(jù)制造三維打印瘺管支架用于治療腸外瘺,能有效控制并減少患者經(jīng)瘺口流失的腸液量[22]。
3.6 三維重建技術(shù)與結(jié)直腸腫瘤的治療 結(jié)直腸癌是胃腸道常見(jiàn)的惡性腫瘤,目前多采用以腹腔鏡下手術(shù)切除為主的綜合治療,術(shù)前明確血管與腫瘤的位置是選擇手術(shù)方式和腫瘤切除范圍的關(guān)鍵。MSCT血管造影三維重建能較好地顯示腹腔腸系膜的主要血管,有助于術(shù)前明確血管的變異情況。杜乃亮等[23]對(duì)52例行腹腔鏡下結(jié)直腸癌根治術(shù)的患者行術(shù)前MSCT血管造影三維重建,腸系膜主要血管的顯示率為100%,包括腸系膜上動(dòng)脈、回結(jié)腸動(dòng)脈、右結(jié)腸動(dòng)脈、中結(jié)腸動(dòng)脈、腸系膜上靜脈、腸系膜下動(dòng)脈、左結(jié)腸動(dòng)脈和腸系膜下靜脈。另有研究[24]發(fā)現(xiàn),對(duì)于高度肥胖的患者,因其腸系膜存在致密的脂肪組織,較難觀察病灶處的解剖結(jié)構(gòu),利用三維重建圖像進(jìn)行術(shù)前模擬和術(shù)中導(dǎo)航,有助于精確識(shí)別腫瘤與血管間的解剖關(guān)系。在腹腔鏡左半結(jié)直腸手術(shù)中,通過(guò)觀察三維重建血管的解剖學(xué)形態(tài)、走行,有助于確定腸系膜下動(dòng)脈、乙狀結(jié)腸動(dòng)脈、腸系膜下靜脈的位置[25];在腹腔鏡結(jié)直腸癌根治術(shù)前,進(jìn)行三維血管重建評(píng)估腸系膜下動(dòng)脈的分支,對(duì)于保留左結(jié)腸動(dòng)脈以降低吻合口漏的發(fā)生率和確保淋巴結(jié)的清掃完全至關(guān)重要[26]。有學(xué)者將圖像融合(CTA與CT結(jié)腸造影圖像融合成血管與腸的三維圖像)應(yīng)用于腹腔鏡右半結(jié)腸癌結(jié)腸系膜切除術(shù),并對(duì)圖像融合與常規(guī)CT掃描的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估;結(jié)果顯示,圖像融合組可準(zhǔn)確融合不同時(shí)相血管的VRT圖像,立體、直觀地描述手術(shù)區(qū)域動(dòng)靜脈的解剖關(guān)系和變異情況,手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量均顯著少于常規(guī)CT掃描組,淋巴結(jié)清掃數(shù)目顯著多于常規(guī)CT掃描組,且無(wú)吻合口漏的發(fā)生;常規(guī)CT掃描組吻合口漏的發(fā)生率為2.5%[27]。高世彤等[28]將MSCT三維重建技術(shù)應(yīng)用于結(jié)直腸原發(fā)性黏液腺癌的診斷,其顯示病變的準(zhǔn)確率為100.00%,顯示腫瘤供血血管的準(zhǔn)確率為100.00%,顯示淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確率為80.77%,顯示腫瘤漿膜層浸潤(rùn)的準(zhǔn)確率為96.30%,顯示遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確率為72.73%。由此可見(jiàn),MSCT通過(guò)三維重建技術(shù)不僅能較好地顯示腹腔血管及其變異情況,對(duì)結(jié)直腸癌的診斷具有較高的靈敏度和特異度,且有助于明確病變與周?chē)Y(jié)構(gòu)的關(guān)系、腹腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移情況,并提高手術(shù)的安全性。
近些年來(lái)隨著CT探測(cè)器的發(fā)展,CT掃描時(shí)間大大縮短,運(yùn)動(dòng)偽影減少,重建的層厚越來(lái)越薄,三維重建獲得的圖像清晰接度近真實(shí),為三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于胃腸疾病的診斷和治療奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前,三維重建技術(shù)被廣泛應(yīng)用于胃腸惡性腫瘤、胃腸黏膜炎癥性疾病的診斷,且對(duì)腸梗阻和結(jié)直腸腫瘤的術(shù)前診斷助益頗多。三維重建結(jié)合血管重建、瘺管造影重建技術(shù)對(duì)胃腸手術(shù)預(yù)案設(shè)計(jì)和腸瘺行非手術(shù)治療具有臨床應(yīng)用價(jià)值,受限于CT和MRI自帶的圖像后處理技術(shù),三維重建技術(shù)仍存在一些問(wèn)題。
第一,因三維重建技術(shù)本身存在的問(wèn)題影響了疾病診斷的準(zhǔn)確度,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。①真實(shí)性不足:首先,三維重建建立在二維影像的基礎(chǔ)上,二維掃描圖像質(zhì)量不佳或二維圖像轉(zhuǎn)換至三維圖像時(shí)產(chǎn)生的誤差均會(huì)導(dǎo)致所重建的模型不準(zhǔn)確,影響臨床診斷;其次,對(duì)于VRT技術(shù),圖像色彩顯示逼真的前提是偽彩的設(shè)置,若設(shè)置不恰當(dāng),圖像易失真。②清晰度不高:首先,MPR、CPR立體感不強(qiáng),SSD對(duì)于細(xì)節(jié)的顯示不佳,只能顯示器官的表面輪廓,無(wú)法顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu);其次,CTVE檢查不能顯示黏膜充血、水腫,且不易發(fā)現(xiàn)黏膜的細(xì)節(jié)(如輕微隆起),若充氣不足會(huì)降低圖像的質(zhì)量,導(dǎo)致誤診、漏診;再次,CT閾值范圍的選擇影響重建圖像的清晰度,甚至造成假陽(yáng)性、假陰性結(jié)果。除了準(zhǔn)確度問(wèn)題,三維重建技術(shù)的重建速度較慢,重建出具體器官圖像所花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。
第二,三維重建技術(shù)對(duì)胃腸疾病的傳統(tǒng)診斷技術(shù)(CT、內(nèi)鏡等)能起到一定的補(bǔ)充作用,但由于其本身存在局限性,使其用于胃腸疾病的診斷仍有不足。首先,三維重建技術(shù)對(duì)胃腸道的準(zhǔn)備要求較高,部分腸梗阻患者因不能實(shí)現(xiàn)胃腸道的充分準(zhǔn)備,腸管內(nèi)的殘余物易被誤認(rèn)為病變,從而影響診斷;其次,血管重建是三維重建技術(shù)在胃腸疾病診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié),腫瘤壓迫、淋巴結(jié)侵犯、靜脈血栓等均可能導(dǎo)致血管顯影不理想,造成誤診;再次,與胃腸鋇餐造影相比,三維重建技術(shù)存在不能動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)觀察胃腸道功能的缺陷;最后,與纖維內(nèi)鏡檢查相比,三維重建技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)活檢和病理學(xué)檢查,僅能通過(guò)影像學(xué)特征初步判斷病灶的情況。上述問(wèn)題可能有賴于信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展來(lái)提供新的解決方案。
值得注意的是,當(dāng)前一種以三維可視化、三維打印、虛擬現(xiàn)實(shí)為代表的復(fù)合數(shù)字技術(shù)已在臨床診斷和治療中嶄露頭角[29]。三維可視化技術(shù)與傳統(tǒng)三維重建技術(shù)最大的區(qū)別為其可給器官進(jìn)行色彩渲染,對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分或整體組合,還可多角度旋轉(zhuǎn),進(jìn)行不同程度的透明化處理,有助于術(shù)前診斷和輔助制訂手術(shù)方案[30],未來(lái)或許在胃腸疾病的診斷和治療中具有良好的臨床應(yīng)用前景。
隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的進(jìn)步,以及影像設(shè)備成像速度和分辨率的提高,三維重建技術(shù)將邁向精細(xì)化發(fā)展方向,并在結(jié)合其他數(shù)字化新興醫(yī)學(xué)技術(shù)后,為胃腸疾病的診斷和治療帶來(lái)新的契機(jī)。