小型豬肺部三維重建與脈管3D 打印模型

張潤東 趙琳娜 姚 華*

(1.北京農學院動物科學技術學院,北京 102206；2.強生醫療專業教育學院,北京 100016；3.中國醫學科學院醫學實驗動物研究所,北京協和醫學院比較醫學中心,北京 100021)

肺癌是全球癌癥死亡的主要原因。2015 年,中國肺癌的發病率和病死率為57.26/10 萬和45.87/10萬,均為所有惡性腫瘤之首,總體五年生存率僅約為20%[1-2]。臨床醫學中,外科手術仍然是目前肺癌最主要的治療方法。小型豬是開展胸外科手術培訓的良好模型[3-4],巴馬小型豬由于具有遺傳性能穩定、體型小的特點[5-6],同時部分解剖結構與生理功能又與人類非常相似[7],因此可以用于實驗動物模型的建立,以協助胸外科醫生快速、熟練地掌握胸腔鏡手術操作技巧。鑒于此,采用三維重建技術應用于胸腔鏡肺段手術的術前規劃和術中定位,采用3D 打印技術創建小型巴馬豬肺部組織結構模型,可應用于胸外科規范化培訓教學,幫助臨床醫生和外科醫學生熟練應用和掌握肺段切除手術,提高學習興趣和臨床思維能力[8]。本研究采用CT 血管成像技術和MIMICS 軟件重建小型巴馬豬肺部模型,能夠應用于臨床實踐,為比較醫學研究和胸外科手術培訓提供參考。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

普通級廣西巴馬小型豬4 頭,雌雄各半,2 頭雌性小型豬分別為3 月齡和6 月齡,體重分別為35 kg和45 kg；2 頭雄性小型豬分別為4 月齡和6 月齡,體重分別為40 kg 和45 kg,均由北京實創世紀小型豬養殖基地提供[SCXK(京)2018-0011]。動物麻醉后的數據采集實驗在強生醫療專業教育學院開展[SYXK(京)2016-0037],CT 影像學檢查在中國農業大學動物醫院影像學檢查室進行。本研究在IACUC 強生(上海)醫療器材有限公司組建指導下開展,倫理審批號(JNJBJ21-1806-2),并按實驗動物使用的3R 原則給予人道的關懷。

1.2 主要試劑與儀器

阿托品購于天津金耀藥業有限公司(批號:H12020382)；舒泰50 購于法國維克(批號:外獸藥證字43 號)；鹽酸賽拉嗪注射液購于吉林省華牧動物保健品有限公司(批號:獸藥字070012926)。

MX-16 SLICE CT(荷蘭飛利浦)；呼吸麻醉機(美國MATRX)；心電監護儀(美國Cardell Touch)；ProX800 3D 打印機(美國3D system 公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 CT 血管成像技術

實驗巴馬豬掃描前20 min 籠內給予阿托品0.02 mg/kg,10 min 后肌注舒泰2.2 mg/kg 和鹽酸賽拉嗪2.2 mg/kg,觀察動物安靜、眼瞼反射消失后轉運至掃描床,行氣管插管,連接呼吸機機械通氣,在股內側建立靜脈通路。調整體位至俯臥位,監測血氧、血壓、呼末CO2和氣道壓力等指標。靜脈推注碘海醇造影劑,掃描參數:管電壓120 kV,管電流200 mAs,探測器準直器16 mm×0.75 mm,旋轉時間0.75 s,層厚1 mm,重建間隔1.5 mm,軟組織濾波。掃描結束后,持續動態監測動物體征,直至復蘇,圖像數據以DCIOM 格式保存。

1.3.2 三維重建與3D 打印模型制作

使用Mimics Medical 21.0 軟件依次對支氣管、動脈和靜脈進行重建。肺裂和段間交界面采用自動和手動相結合的方式進行分割。將Mimics Medical 21.0 處理的支氣管、動脈和靜脈數據導入ProX800 打印機,以光敏樹脂為原料,通過計算機控制紫外激光使其凝固成型。打印精度0.025 mm,成型尺寸650 mm×750 mm×500 mm。

2 結果

2.1 肺部脈管三維重建模型的建立

4 頭巴馬實驗小型豬經增強薄層CT 掃描,切面圖像顯示巴馬小型豬的肺組織邊界清晰、脈管掃描結構明確(見圖1),各肺段結構一致,符合實驗動物品系一致的基本屬性,可用于三維重建數據的采集及3D 打印模型的創建。

圖1 4 頭巴馬小型豬肺CT 薄層掃描的切面圖像Figure 1 Thin-section CT image of pulmonary in Bama minipigs

分別建立肺部支氣管、肺動脈和肺靜脈,白色標記為支氣管,藍色標記為肺動脈,紅色標記為肺靜脈。由圖2 可見,通過CT 掃描數據創建的肺支氣管III 及其遠端a、b 兩個分支,L1為右肺中葉支氣管且有a、b 兩個分支,右肺下葉支氣管分別為外側面的L2、L3、L4以及背側面的D2、D3、D4和D5,肺動脈和肺靜脈結構清晰,脈絡有致,符合動物肺部結構的基本特征。

圖2 巴馬小型豬肺部脈管三維重建圖像Note.A,Front view of bronchus.B,Front view of pulmonary artery.C,Front view of pulmonary vein.D,Dorsal view of bronchus.E,Dorsal view of pulmonary artery.F,Dorsal view of pulmonary vein.Figure 2 Three dimensional reconstruction image of pulmonary vessels in Bama minipigs

將肺部支氣管、肺動脈和肺靜脈模型組合,形成三維重建肺部模型。由圖3 可見,模型中肺動脈、肺靜脈和支氣管的3～4 級分支交叉錯落、排列有序,具立體感,同時可任意旋轉和縮放。正面觀(圖3A)可見右肺門脈管從前到后的排布順序為右上肺靜脈、肺動脈、右支氣管和右下肺靜脈。右上葉脈管從前向后排布為右上肺靜脈V1、V2和V2t、右上肺動脈A1和A2、右上支氣管B1和B2,其中支氣管位置靠上,其次是動脈和靜脈。右中葉支氣管B4和B5、靜脈V4和V5位于臟層淺表,后方是中葉動脈A4和A5,支氣管位于靜脈的下方。右下葉動脈A8位于最外側,向內依次為支氣管B8和靜脈V8。左肺門脈管從前到后的排布順序為左上肺靜脈V1+2+V3和V4+V5,肺動脈包括A1+2+A3、A4+A5、A6和A8,左支氣管B1+2+B3、B4+B5、B6和B8,左下肺靜脈包括V6和V8。背面觀(圖3B)可見肺部脈管結構層次與正面觀相符。

圖3 巴馬小型豬肺血管和支氣管三維重建模型Note.A,Front view.B,Dorsal view.Figure 3 Three dimensional reconstruction model of pulmonary vessels and bronchus in Bama minipigs

2.2 肺實質模型的建立

考慮到影像學CT 掃描對肺泡組織不顯像的原理,通過數據構建肺實質并采用肺灌注模型對段間交界面進行分割。如圖1 所示,右肺水平裂發育不全,斜裂前份發育良好,后份發育較差；左肺水平裂發育正常。段間交界面在CT 影像上并不明確,根據肺段支氣管、血管的解剖結構,基于CT 影像資料人工標注,將肺段在形態上進行分隔。小型豬肺段單元較多且復雜,選取與人類最為相似的幾個肺段標注相應的段間交界面,參考Nomori 等[9]肺癌解剖節段切除術圖譜的原則對各肺段進行命名。

在圖4 重建結構中,右上葉包括:右上葉尖段(RS1)和右上葉后段(RS2),右中葉包括:右中葉外側段(RS4)和右中葉內側段(RS5),右下葉包括:右下葉背段(RS6)、右下葉*(RS*)段、右下葉前基底段(RS8)和其他未標注的下葉各分段。副葉相對獨立,未展示。

圖4 巴馬小型豬肺部分肺實質重建及段間交界面Note.A,Right side view.B,Left side view.Figure 4 Partial pulmonary parenchymal reconstruction and intersegmental border in Bama minipigs

左上葉包括:左上葉固有段(LS1+2+LS3)和左上葉舌段(S4+S5),左下葉包括；左下葉背段(LS6)、左下葉前基底段(LS8)和其他未標注的下葉各段。

2.3 肺部脈管3D 模型的打印

根據1.3.2 的方法,采用3D 打印技術制作出巴馬小型豬的肺部脈管實體模型。

在肺部脈管3D 打印模型(見圖5)上,右肺門脈管從前到后的排布順序為右上肺靜脈、肺動脈、右支氣管和右下肺靜脈。右上葉從前向后排布為右上肺靜脈、右上肺動脈、右上支氣管,其中支氣管位置靠上,其次是動脈和靜脈。右中葉脈管支氣管和靜脈位于臟層淺表,后方是中葉動脈,支氣管位于靜脈下方。右下葉動脈位于最外側,向內依次為支氣管和靜脈。

圖5 巴馬小型豬肺血管和支氣管3D 打印模型Note.Front view corresponding to Figure 3A.Figure 5 3D printing model of pulmonary vessels and bronchus in Bama minipigs

左肺門脈管從前到后的排布順序為靜脈、支氣管和動脈。左上葉脈管排布順序與肺門相同,左下葉脈管排布順序同右下葉。

3 討論

巴馬小型豬肺部解剖結構和人類有相似的解剖單元,也存在一定的特異性,因此可參考人類肺部結構的基本組成,創建巴馬小型豬的肺部模型。與傳統鑄型標本的結構和命名方法[10-11]相比,有研究觀察到右肺上葉頭側段的操作類似于人的S6[12]。本課題綜合解剖學結構命名法和臨床命名法的特點,更關注到肺部模型的外科手術切除術的臨床應用,以臨床命名法為主要原則,有望協助臨床醫生或外科醫學生更熟悉肺部的組織名稱,將更多精力集中在手術的熟練度培訓和手術術式研究的探索中。

試驗中,雌雄性別差異在廣西巴馬小型豬作為實驗動物保證其品系的穩定性上顯示:其肺部三維重建模型的建立不產生顯著影響,且均與CT 影像學觀察結果相符[13]。與Nakakuki[11]創建的豬肺鑄型標本相比,巴馬小型豬右肺中葉二級結構發育更加完善,向遠端發出內側(B4)與外側(B5)兩段細支氣管,因此右肺中葉包含兩個二級結構。右肺下葉背段支氣管(B6)向外分化兩支三級結構與D2和D3細支氣管相似,鑒于V6和A6的結構與B6基本相符,B6兩支細支氣管是否共干,是否發育為兩個二級結構,還需要進一步研究和探討。本課題中,樣本數量較少,小型豬肺部解剖的相關文獻尚不豐富,目前還無法確定B6的結構分子是否可作為廣西巴馬小型豬肺部結構的品系特征。

廣西巴馬小型豬在心臟解剖、消化系統與脂質代謝等醫學研究領域與人類較為相似,是優秀的動物模型[7]。本課題發現,廣西巴馬小型豬右上肺葉僅包含兩個二級結構RS1和RS2,人類則為3 個；巴馬豬B1從主干分出后,馬上分化出兩個主要細支氣管,分別向體前側和腹側走形,類似人類B1與B3支氣管共干。右肺中葉兩段(RS4、RS5)與人類在支氣管與血管分化上一致,但巴馬小型豬的副葉結構向心臟側走行,對于臨床部分肺段切除手術的操作不會造成影響。巴馬小型豬左上肺葉兩段(B1+2+B3、B4+B5)與人體肺部解剖結構相符,可作為理想的肺部外科手術練習模型,為臨床醫生和外科醫學生的技術培訓提供材料,幫助醫生提高手術準確率和安全性,實現精準的肺段切除[14-15]。

基于醫學影像學的三維重建及虛擬手術規劃技術的快速發展,在解剖結構復雜且具有個體化差異的胸腔鏡解剖性肺段切除術中,利用三維重建技術獲得小型豬的清晰肺部解剖影像,再聯合3D 打印技術創建肺部模型,對于肺部切除手術的術前規劃和術中導航以及手術熟練度的練習均有積極作用,甚至對肺癌的手術治療有一定的推動作用。