三維(3D)可視化技術在復雜骶骨腫瘤精準手術治療中的價值初探*

孫 濤 韓善清

骶骨腫瘤切除術適用于原發于骶骨的骨腫瘤和周圍組織腫瘤侵及骶骨者兩類。由于骶骨腫瘤切除手術的復雜性需要考慮的問題較多，也是骶骨腫瘤手術脊柱外科的難點之一[1-3]。

近年來，以三維(three-dimensional，3D)可視化、3D打印為代表的數字醫學技術飛速發展，在骨科醫學等臨床醫學專業應用范圍越來越廣[4-6]。基于此，本研究探討了基于3D可視化技術的骶骨3D模型重構方法、流程及在骶骨腫瘤切除術前規劃及醫患溝通等環節的價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2016年5月南京醫科大學第一附屬醫院因“發現骶骨占位半月”收治的1例59歲女性患者，行CT、MR檢查獲得醫學數字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)原始數據。患者知情且獲得醫院倫理委員會批準。

(1)視診：脊柱生理弧度變直，無明顯畸形，腰背部無疤痕，無腫塊，局部皮膚無竇道，無破潰。

(2)觸診：脊柱壓痛、叩痛(-)，無反射痛，雙下肢感覺正常。

(3)動診：脊柱因疼痛活動明顯受限，雙下肢股四頭肌、脛前脛后肌力V級，踇背伸趾屈肌力V級。雙側直腿抬高實驗正常，加強試驗(-)，雙膝反射、踝反射正常，雙側巴彬斯基征(-)，髕陣攣(-)，踝陣攣(-)。

(4)量診：雙上肢等長等粗，雙下肢等長等粗。

1.2 儀器設備

采用SOMATOM Definition雙源CT(德國SIEMENS)；Signa 1.5T型MRI設備(美國GE)。

1.3 檢測方法

(1)多排CT檢查。患者仰臥于雙源CT檢查床上，取頭先進，仰臥位，身體正中矢狀面與掃描床中線重合，雙手向后高舉抱頭；采用Bolus Tracking智能団注追蹤觸發技術，根據患者體重高壓注射器以1.2 ml/kg標準注射造影劑歐乃派克，監控層面設置于L1水平，一旦降主動脈感興趣區CT值＞100 HU，機器自動觸發由L1水平向下掃描至恥骨聯合下緣。

(2)腰骶椎MR平掃+增強檢查。患者仰臥于MRI檢查床上，頭先進，對腰骶椎依次行矢狀位T1WI和T2WI、軸位T2WI和DWI序列、冠狀位T2WI并壓脂，以及3D-SPACE序列掃描，注射造影劑Gd-DTPA 15 ml后行軸位T1WI、矢狀位T1WI、冠狀位T1WI掃描。

1.4 3D模型重構

(1)醫學影像DICOM原始數據(包括CT和MR)輸入Visual Volume 3D重構軟件系統(北京維卓致遠公司)，在目標區域進行可視化處理計算，生成導出標準鑲嵌語言(standard tessellation language，STL)格式的3D網格模型。

(2)目標區域包含腫瘤、神經、骨骼、血管等多種組織，必須采用多分割蒙版創建模型，不同的組織對應一個不同顏色的分割蒙版。腫瘤在MR影像邊界輪廓顯示清晰、強化明顯，運用Segmentation分割工具欄中2D tools手工勾畫腫瘤的邊界輪廓，如圖1所示。

圖1 腫瘤邊界輪廓分割提取示意圖

開啟Interpolation差值工具中的3-Dimensional計算出腫瘤的外輪廓，多方向確認自動生成腫瘤的3D網格并存儲在影像數據的子層級中。采用同樣方法分割提取感興趣區域內神經，如圖2所示。

圖2 神經邊界輪廓分割提取示意圖

CT圖像中骨骼密度高，顯示清晰，直接使用3D Tools下的Threshold閾值工具可分離出大部分，如圖3所示。

圖3 骨骼分割提取示意圖

本研究中的患者腫瘤侵及骨骼，邊緣無法自動選定，需要使用2D Tools手動修復漏選的骨質，并逐層進行骨骼內部填充，即生成骨骼模型。

注入造影劑后強化的血管，密度介于軟組織和骨骼，使用3D Tools下的UL Threshold工具提取血管，采用閾值法，設置一個最小值和最大值，密度在此范圍的組織都會被選中，如圖4所示。

圖4 血管分割提取示意圖

由于血管內造影劑含量不同，存在細小血管未準確選入和某些密度的松質骨被誤選的缺陷，需要借助2D Tools手動編輯工具去除多余的骨骼，添加缺失的細小血管，完成血管的重建。

在結束各種組織模型分割提取后，使用MR和CT均重建的L5椎體和髂骨兩個部分來配準模型。所有的模型導入3D s MAX軟件中，以腫瘤和神經作為MR中L5椎體和髂骨的子對象，移動并旋轉L5椎體和髂骨，將其對齊于CT中的L5和髂骨，完成3D模型的配準工作，最終重建結束。

2 結果

2.1 3D模型重構結果

根據以上步驟，腫瘤、神經、骨骼、血管等組織成功分割提取，完成重構，如圖5、圖6、圖7及圖8所示。

圖5 腫瘤3D重構效果圖

圖6 神經3D重建效果圖

圖7 骨骼重建效果圖

圖8 血管分割效果圖

移動、旋轉MR圖像L5椎體和髂骨與CT圖像中的L5和髂骨配準，最終完成3D模型重構，如圖9所示。

圖9 3D模型重構整體效果圖

2.2 影像診斷

3D模型顯示骶骨左前方可見8.2 cm×4.6 cm×7.4 cm軟組織腫塊影，內部密度不均勻，病變向后方侵犯骶骨，骶骨S3、S4相應椎體骨質不同程度破壞，雙側S2神經根受壓，未見明確受累，病灶與S3及以下神經根關系密切；直腸受推壓向右前方移位；掃描區域內血管及其分支顯示清晰，未見明確的狹窄與擴張征象，腫塊見少許供血血管，左側髂內動脈一分支供血。

2.3 術前手術規劃與醫患溝通

基于CT和MR二維斷面影像的3D重構模型，能夠清晰顯示掃描區域內空間解剖結構，明確腫瘤的位置、大小以及與周圍組織的毗鄰關系，神經根有無侵犯，腫瘤有無血管供血，以及供血血管的走形，以便于治療團隊進行充分的術前討論?？紤]到手術風險，從而決定采取兩種手術方位，分別從前后兩個手術入路進行。在醫患溝通環節，患者與家屬能夠知曉手術存在的巨大風險，醫患溝通簡便易行、效率提高，大幅降低醫患矛盾發生的概率，手術團隊心理壓力減輕。

2.4 手術步驟

按照術前根據3D重建模型制訂的手術方案，分步實施前后兩個入路手術。

(1)前入路手術。麻醉成功后取截石位，導尿、常規消毒鋪單。取下腹部正中切口長約10 cm，逐層分離皮膚、皮下組織、肌筋膜、肌肉以及腹膜，撥開子宮、膀胱并予以保護，游離直腸后壁，可見骶骨前方的腫塊，其質軟、包膜完整，予以游離前臂，并置一濕紗布以便后路辨識，再次確認雙側輸尿管和子宮動脈未損傷，清點器械、紗布無誤，逐層縫合腹膜、肌肉、肌筋膜、皮下組織及皮膚。

(2)后入路手術?；颊呷「┡P位，常規消毒鋪單，骶骨正中線取縱行切口，上下長約10 cm，逐層分離皮膚、皮下組織及筋膜，暴露骶骨，可見S3部位一直徑約1 cm腫塊，稍突起，咬除周圍骶骨，尾骨已游離，予以切除，完全暴露腫塊，直徑約5 cm，其質軟，沿腫塊周圍鈍性分離，可見S2神經與腫塊無粘連，予以分離保護，S3～5神經與腫塊解剖關系不清，無法分離。鈍性分離直至可見腹腔內紗布，完整取下腫塊和腹腔內紗布，大量生理鹽水沖洗，可吸收止血明膠止血，清點紗布器械無誤，逐層縫合筋膜、皮下組織、皮膚。術中出血1 200 ml，輸注懸浮紅細胞4.5 U。

術畢麻醉蘇醒后患者雙下肢活動良好，安返病房。

2.5 術后病理

術后標本病理結果顯示，此為骶骨神經鞘瘤，部分區域腫瘤細胞豐富伴一定異型性，局灶可見侵犯骨組織，符合低度惡性。

3 討論

3.1 3D可視化技術重構模型的必要性

骶骨腫瘤手術相當復雜，主要基于以下原因：①骶骨血運豐富且松質骨多，術中出血多不易止血；②骶管內有垂直走行的馬尾神經，分別自相應的骶前孔和骶后孔穿出，術中切斷一側的S3神經，則可發生輕度直腸和膀胱功能障礙，如將兩側S3神經均切斷，則會造成嚴重直腸和膀胱的功能障礙，故術前應考慮并做好患者和家屬的工作；③與盆腔臟器關系密切，骶骨前后與直腸相鄰，兩者之間為直腸后間隔，腫瘤生長過大可與直腸粘連，故有時需切除部分直腸[7-9]。為此，手術切除應根據骶骨受腫瘤侵襲位置與范圍選擇手術路徑，在充分保護腫瘤周圍毗鄰正常組織、骶神經及重要血管的前提下，選擇最佳手術入路，力爭全切腫瘤，同時保護相應器官生理功能。

近兩年，基于影像數據的3D打印等數字技術在骨科領域的報道不斷增多，應用范圍越來越廣，CT和MR由于成像原理不同，各自有其優缺點[10-13]。CT空間分辨率高，顯示細節好，對于腫瘤侵犯骨骼顯示優于MR；MR成像主要依靠體內氫質子，可以多方位、多參數成像，密度分辨率高，尤其是對于軟組織，對于腫瘤是否侵犯直腸與神經根顯示極佳。就本研究病例而言，基于3D可視化技術重構的骶骨腫瘤模型融合CT和MR圖像數據信息，立體、直觀顯示解剖結構，清晰呈現軟組織和骨骼等組織，可任意變換角度進行閱讀，明確骶骨腫瘤的具體位置、侵及范圍以及與周圍重要器官的毗鄰關系，方便手術方案討論與制訂，以便有效地縮短手術時間，減少術中出血與麻醉時間，有利于患者迅速康復，縮短住院日，降低醫療費用，具有顯著的經濟效益。對于缺少足夠醫學知識的患者及家屬也容易進行術前溝通和手術方案展示，對于有效降低醫患矛盾具有重要的意義。

3.2 3D可視化技術數據要求

患者需要完成相應的檢查后，獲取原始DICOM數據后才能進行下一步的重建工作。通常DICOM數據要求為：①CT掃描層厚原則上≤1 mm，MRI≤1.5 mm；②重建脈管結構必須保證脈管的HU值與鄰近組織的差異＞100 HU；③MRI的空間分辨率相對較低且層厚較厚，較細的脈管分支可能無法被掃描和重建；④通常掃描檢查包括不同期相，重建動脈確保動脈期內的動脈被明顯強化，重建靜脈需確保靜脈期內的靜脈被明顯強化；⑤由于患者的呼吸運動和體位變換會導致臟器內的脈管結構隨之變形移位，而脈管結構由不同期相的數據重建而成，可能導致不同脈管之間出現穿插，需要檢查前向患者交代后注意事項，訓練呼吸，配合完成檢查；⑥造影劑量太少或者掃描期相把握不佳會造成脈管結構顯影不佳，需要醫護人員根據患者體型并結合臨床經驗適當增加造影劑的注射劑量；⑦對稱性分布的組織器官，掃描時需要掃描雙側，以便進行數據比對和虛擬手術規劃。

4 結語

基于3D可視化技術重構的骶骨腫瘤模型立體且直觀，可明確診斷，在醫患溝通、手術方案制訂等環節具有廣闊前景。隨著以個體化、精準化以及數字化為主要特點的外科新時代的到來，3D可視化技術在包括骨科在內的整個外科領域會有飛躍式的發展[14-16]。

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