基于計算機的虛擬三維重建技術在精準肺段切除中的應用評價

于偉杰，麥蘇德·馬合木提，居來提·艾尼瓦爾，伊力亞爾·夏合丁

(新疆醫科大學第一附屬醫院胸外科，新疆 烏魯木齊)

0 引言

中國是肺癌高發區，其發病率以及死亡率均居于疾病首位，已成為我國因腫瘤死亡的主要病因。據報道，2015 年中國癌癥新發例數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，和全民對體檢的重視以及健康意識的增強，都使得肺小結節在人群中的檢出率逐漸上升[2]，其中以磨玻璃結節(ground-glass nodule，GGN)為代表的肺小結節，據有關文獻顯示，約75%的磨玻璃結節經病理證實為惡性腫瘤[3]。對于影像學提示結節最大直徑≤1cm，因此類結節較小，或實性成分較少，術前經CT 引導穿刺明確病理難度大[4]。所以依照現有治療指南，手術切除病病變在治療的同時也可以明確疾病。

肺段切除發展史：解剖性肺段切除術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[5]。在1939 年，Churchill 和Belsey 首次報道在治療支氣管擴張癥的病人時使用了肺段切除。在1972 年，日本學者Noriaki Tsubota 對肺段切除術進行了一系列改進，并認為治療早期肺癌的標準術式將會是肺段切除甚至亞肺段切除[6]。在1973 年，Jensik[7]報道使用解剖性肺段切除治療肺癌，1995 年，Ginsberg[8]等人認為肺段切除只可用于肺功能較差的患者，并且有較高的復發率和更差的長期生存率。1999 年，Takizawa 將行肺段切除術后的患者肺功能與行肺葉切除術后的患者做了對比，認為肺葉切除術后患者所損失的肺功能要遠遠大于解剖性肺段切除術后患者[9]，在2005 年，Okada 在一項回顧性研究中，在治療最大徑≤2cm 的早期周圍型肺癌病人時分為兩組，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，但差異無統計學意義[10]。在2012 年，Schuchert 進行一項研究表明：術后病理為早期非小細胞肺癌Ia 期的患者，接受肺段切除術后患者與接受肺葉切除術后患者的復發率與5 年生存率無明顯差異[11]。Yendamuri 在2013 年一項研究中表明，對于早期的非小細胞癌患者，行肺段切除術的病人在總生存率方面有明顯優勢。所以在臨床醫師中，越來越多人認為在治療Ia 期，或者肺功能較差的病人可使用解剖性肺段切除術[12]。近年來隨著相關研究的深入， 越來越多的人對此種手術方式表示認可，故逐漸成為了替代肺葉切除術的一種選擇。美國國家綜合癌癥網(NCCN)及我國制定的非小細胞肺癌臨床診療指南中指出解剖性肺段切除適應癥[13-14]：(1)患者高齡，年齡≥75 歲，FEV1 占預計值＜50%，心血管或其他合并癥無法耐受肺葉切除者；(2)CT 提示為肺內周圍型非侵襲性病變，位于肺外側三分之一，且病變小于2cm；(3)并具有以下任何一特征：病理證實為單純原位腺癌，CT 隨訪一年以上高度懷疑為惡性腫瘤，磨玻璃成分≥50%，影像學查證倍增時間大于400d；(4)結節數量較多，如位于不同肺葉可同期手術，已行肺葉切除術后的新發結節；(5)術前完善PET-CT 后未提示未見肺門淋巴結轉移或縱隔淋巴結轉移。因肺段存在大多數結節位于肺實質內、術中定位困難，且肺段解剖及術中變異對醫師解剖知識要求高，故需要術者具有良好解剖知識或使用輔助引導。

正因為個體之間存在解剖變異，傳統二維CT 圖像無法明確以及當肺小結節距離胸膜≥20mm 時術中定位困難，在一定程度上影響肺段切除。故術前經計算機經行解剖三維重建成為近幾年術前定位、了解患者肺部解剖的熱點。3D-CTBA通過不斷(術前三維肺、支氣管、血管重建：three dimensional computed tomography bronchography and angiography)的發展，本技術已應用于術前評估，精確定位，明確解剖結構等多方面。本文就基于計算機的虛擬三維重建技術的應用進展及未來發展趨勢進行探討。

1 基于計算機的虛擬三維重建技術(3D-CTBA)概述

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

定義：利用斷層掃描、核磁共振等技術獲得數據，將不同層面的影像資料導入計算機軟件中，經計算機軟件對連續序列進行處理，通過軟件算法實現三維立體效果表現；目前已在整形外科、普通外科、骨科等諸多手術科室廣泛應用[15-17]。近年來國內外胸心外科專業醫師將該技術應用于精準肺段切除手術中，取得良好效果[18]。作用：3D-CTBA 可幫助臨床醫師節省人腦對二維圖像加工為三維圖像的程序，同時避免了在此過程中可能出現的錯誤。間接實現了從人腦加工圖像轉為電腦加工圖像的轉變。首先其未對患者本人造成任何創傷，且小結節的位置可以利用軟件，調整視角，從冠狀位、矢狀位等多角度全面觀察，并可通過坐標軸隨意分割和重建，或者單獨或組合顯示某部位結構，在術前了解肺內解剖結構。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發，所以主刀醫師可在術前應用三維重建模型進行模擬手術方案，實行虛擬手術切除，為實際手術提供可靠的個體化手術方案。手術方案其中也包括測量腫物與周邊組織的距離，選擇要離斷或保存的支氣管，動脈，靜脈[19]，從而確保足夠的切除范圍。Chen-Yoshikawa 在對病人行術前三維重建后，發現不同個體之間存在解剖差異[20]。因此，此項技術的運動可為針對不同患者制定獨特的手術方案提供了依據。張書新、Kurenov 利用三維重建后的模型，為患者及其家屬進行手術預演，介紹手術方案，有利于術前與患者家屬的溝通，也有助于術前綜合評估手術風險，為不同患者制定不同的個性化方案，從而挑選最適合的最佳手術方案[21]。吳衛兵等報道使用其自行開發的 Deepinsight 軟件重建肺血管、支氣管用來輔助復雜胸腔鏡下肺段切除術。孫超等報道使用mimics三維重建軟件進行支氣管血管重建模型用于胸腔鏡肺段切除術[22]。目前新一代的三維重建軟件，可以快速半自動地重建出腫瘤、肺動靜脈、支氣管樹和肺實質，術前虛擬手術，測量腫瘤和手術切緣之間的距離，確保足夠的手術切緣，并指導術中解剖的識別

2 術前3D-CTBA 在解剖性肺段切除中的應用

該技術可以直觀的呈現肺部血管和支氣管解剖結構，小結節與周圍組織的毗鄰關系，將復雜的血管走形展現在主刀醫生眼前，有助于評估手術難度，針對不同患者制定不同手術規劃，提高了手術的可操作性和安全性。并且在重建結構中，醫生可根據重建結果直接判定腫物性質。其主要應用如下：

2.1 識別解剖結構

由于存在個體之間差異，傳統CT 所呈現出二維結構不利于術者了解肺內解剖結構。而三維重建技術可以完美的彌補通過二維圖片來評估病情時所帶來的的困難，提供大量有用信息。重建模型后，可以通過調整角度，從冠狀位、矢狀位等多平面了解小結節位置，也可以運用軟件，對重建后的模型通過坐標軸進行任意切割和重建，或者目標器官的透明度和不同的顏色設定可通過軟件被控制從而單獨或聯合顯示各部分結構，使術前直視患者肺內血管走形、匯合，及血管的變異情況，全面的呈現肺內腫物與周圍組織的毗鄰關系。Hagiwara[23]對124 例擬行胸腔鏡手術患者構建三維重建模型，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大于或等于2cm 才可以降低術后復發率，故可通過3D-CTBA 測量腫物與周邊組織的距離，并根據小結節與動靜脈的密切程度，明確手術安全切除范圍，選擇要離斷或保存的支氣管、動脈，靜脈。是否要擴大肺段切除范圍得以在術前明確。從而評估手術難易程度。

2.2 病變及段間平面的確定

由于大多數的肺小結節位于肺實質內，如主刀醫師在術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]。部分患者因無法準確定位而導致中轉開胸、甚至手術失敗，據文獻報道，因無法準確定位而中轉開胸率達46%。因此，行手術前明確肺小結節所在位置顯得尤為重要。目前，雖有很多方法來定位肺結節，如電磁導航支氣管鏡下穿刺定位技術，CT 引導下經皮穿刺 Hookwire、彈簧圈定位法，CT 引導下經皮穿刺液體材料注射定位法：如包括碘油、醫用膠、亞甲藍、吲哚菁綠等[25-27]。然而，上述方法并不能完全解決結節的肺段歸屬問題。此外，由于許多肺段解剖變異，優勢肺段常出現，其體積明顯大于正常肺段。傳統的解剖學觀點及二維CT很容易誤判結節所在的肺段。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肺功能。而在三維重建圖像上，通過識別段間靜脈，根據結節與支氣管、血管的空間關系，明確結節所在肺段，依據段間靜脈確定段間平面。

2.3 復雜小結節的三維重建定位

肺內任何部位都可以出現肺小結節，其中大部分位于肺段的中心，少數結節可以位于肺段的邊緣區域。當病變與相鄰段間靜脈的最小距離≤病變直徑，稱之為段間結節[28]。傳統處理段間結節的方式為擴大肺段切除，即切除靶肺段時跨越段間交界，切除部分相鄰肺段，以保切除段間結節。此種手術方法實質上為肺段切除加相鄰肺段的楔形切除，如對于位置較深的病變，手術切除效果較差。吳衛兵等對于符合段間結節的病人使用其自主研發的“deeppinsight”軟件重建肺、支氣管、血管和病變部位，運用術前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節，再進行準確定位，其次設計手術規劃，最后進行手術切除。據現有諸多報道，術前完善3D-CTBA 較傳統二維CT 對手術具有更優的指導效果。

2.4 術前模擬肺段切除和制定手術方案

術前應用3D-CTBA 可在術前明確有無變異解剖結果。為達到肺段切除要求，明辨有效切除范圍。應用三維重建進行設計手術方案，實行虛擬手術切除，為不同患者選擇合適的手術路徑，確保切除效果，避免復發，為患者制定不同的治療方案，為患者選擇最適合的針對性手術方案[29]。

2.5 國內與國外應用對比

我國在該領域研究相比國外相關國家起步較晚。美國于1991 年便開始了可視人計劃。2000 年，2002 年，韓國和日本分別開始啟動研究。之后，德國、英國、法國等歐洲國家也相繼開始研究，相比較我國開始較晚[30]。三維重建技術的應用主要在于骨、肝膽外科手術和術前指導胸腔鏡下肺段切除術在胸外科手術中的應用，例如:可用肋骨標記皮膚，肺結節在體表相對于投影位置的精確顯示，以便制定手術計劃和指導準確的胸腔鏡下手術切除病變。然而國外將三維重建與模擬虛擬手術以及虛擬切除結合在一起，用于在術前制定解剖性肺段切除的方案、模擬肺段切除及評估手術難度、術中導航等的方面。相對比，我國三維重建應用范圍較為狹窄，主要用于指導解剖性肺段切除及普通外科中肝臟手術。然而，從國內實際出發，3D-CTBA 技術與胸腔鏡技術的結合加快了我國微創外科在胸外科手術領域的發展。

3 3D-CTBA 應用延伸

余曉偉等使用3D-CTBA 聯合3D 胸腔鏡，使主刀醫師在手術過程中操作感更像傳統開胸手術，操作器械更加順利，簡化手術流程，使過程更加精準，降低手術相關操作，減少誤傷，術中出血亦相應減少。

4 局限性

CT 三維重建技術必須基于傳統增CTA(CT 血管造影)的基礎上實現，對于某一類患者，例如合并有嚴重的過敏性疾病或過敏體質，在注射造影劑后可能導致嚴重過敏癥狀的患者。甲亢以及嚴重的肝腎功能損害的患者并不適用。此類患者如術前需要明確病變位置，則需要現有的傳統定位方式。在應用中，對原圖像進行加工處理需要一定時間，并且在術前經CT 三維重建和手術設計規劃后，如不能及時手術，則容易造成圖像記憶遺漏。即使經3D-CTBA 技術處理后，操作者可以直觀了解肺的實際解剖結構。但在手術過程中，三維重建后的圖形內容結果與實際解剖結構仍有差異，不能百分百的顯示肺內解剖結構，識別率還有待提高，也因此必須根據實際情況自主選擇可行的手術方式。同時，術中因單肺通氣使病變肺組織處于萎陷狀態，與術前三維重建結果有明顯差異。因此，需要主刀醫師具備豐富的手術經驗，才能明確小結節所在的靶肺段。在現有相關文獻中可以得出，CT 三維重建也因其不能為主刀醫生在術中提供有效信息成為此項技術一大短板[31]。

5 小結

3D-CTBA 因其自身優越性，越來越受到患者及醫療人員的認可。也因其自身目前所面臨的一些問題，相關技術也得到研發以用來彌補其不足。例如，虛擬現實技術(Virtual Reality Technology，VR)技術，以及由其所延伸出的混合現實技術，和3D 打印技術，已在醫學的多個領域進行運用，可為術者提供術前評估，制定手術方案，以及術中引導，彌補了部分CT 三維重建部分功能上的缺陷。相信通過數字化影像的發展，并在人工智能的幫助下，越來越多的技術可以相互彌補，也使技術更好的服務于患者，帶領胸外科向更加精準的時代邁進。