基于CT图像应用Mimics软件的三维重建技术在腹腔镜直肠癌D3根治术中的价值

陈佳佳，陈志安，郭伟毅，肖晴，邓汉闻，李严兵，黄文华，6

1.南方医科大学附属潮州市中心医院普外二科，广东潮州521000；2.南方医科大学基础医学院人体解剖学国家重点学科，广东广州510515；3.南方医科大学第一临床医学院，广东广州510515；4.南方医科大学生物医学工程学院，广东广州510515；5.广东省医学3D打印应用转化工程技术研究中心，广东广州510515；6.广东医科大学基础医学院人体解剖教研室，广东湛江524023

前言

直肠癌是最常见的恶性肿瘤之一，由于其缺乏典型的早期症状，大部分患者在就诊时已经是进展期直肠癌，预后差、死亡率高［1-2］。目前，虽然传统化疗、新型生物靶向治疗和分子免疫治疗已取得突破性进展，直肠癌患者的生存率和预后也有所改善，但是目前对于直肠癌患者的治疗仍然是以手术切除为主的综合治疗［3-4］。近年来，随着微创诊疗技术的发展，直肠癌腹腔镜手术在临床上已取得广泛的应用，相比传统开腹手术，其创伤相对较小、手术时间短、安全性较高，对于直肠癌患者术后的快速康复具有独特的优势［5-7］。

在进行直肠癌手术时，最关键的是对肠系膜下动脉（Inferior Mesenteric Artery,IMA）起始部至左结肠动脉（Left ColonicArtery,LCA）起始部以下约2 cm处血管的区段裸化及其周围淋巴结的清扫，因为IMA根部的第三站淋巴结与直肠癌患者的术后复发和转移密切相关［8-9］。然而，由于腹腔镜下视野狭窄、缺乏触觉，极容易误伤变异的分叉血管，甚至会导致严重的并发症，如出血、肠缺血等，不利于患者的预后［10］。因此，有必要在术前识别那些重要的、变异性较大的解剖结构（如IMA及其分支血管），从而帮助外科医生在术前规划好IMA需裸化程度并最大程度避免肠系膜下血管的误伤。目前，在临床上主要通过CT、MRI等断层扫描数据来对直肠癌患者进行术前规划，但是二维断层图像表达的是某一个截面的解剖信息，绝大多是医生凭借个人经验根据多幅二维图像估计直肠癌癌灶与周围器官组织之间的位置关系以及IMA及其分支的走形，很难实现直观、立体的观察，容易对IMA造成误伤，给术前规划增加不少难度。现在绝大多数的CT、MRI设备都有配套的三维重建系统，但操作复杂，只能在特定设备下由专业的技术人员使用。因此，目前临床上亟需一种新型的三维血管重建的简易技术来帮助临床医生辨别IMA的分支及解剖定位。

Mimics软件是Materialise公司开发的数字化三维交互式医学影像处理软件，是一套高度整合、简单易用的三维图像生成、编辑、处理软件［11-12］。利用Mimics软件重建的三维模型可以进行动态旋转观察，任意切割显示内部解剖结构，也可以对其进行编辑、修改，便于临床医生更深入细致地对三维重建后的血管分支进行精准定位、定性、定量分析，有助于术前个性化规划和术中精确决策。然而，目前利用Mimics软件进行IMA三维重建和精确定位的研究尚少。因此，本研究回顾性收集直肠癌患者的CT等影像学数据，利用Mimics软件对IMA进行三维重建，并分析IMA的分型特点；此外，还进行了前瞻性的队列研究，分析并评价Mimics软件的三维重建技术在腹腔镜直肠癌D3根治术中的临床应用价值。

1 方法

1.1 研究对象

1.1.1 回顾性分析分析2016年6月至2018年1月因患直肠癌在潮州市中心医院行腹部增强CT检查71例患者的影像学数据。入组要求：（1）经肠镜或术后病理检查证实为直肠恶性肿瘤；（2）在潮州市中心医院曾行腹部增强CT检查；（3）既往未行过腹部、盆腔手术。共纳入男性患者37例，女性患者34例。

1.1.2 前瞻性分析将2018年1月～8月在潮州市中心医院住院的拟行直肠癌D3根治术的30例患者随机分为观察组和对照组，每组各15例。入组标准：（1）术前根据UICC/AJCC TNM分期系统（2010年第七版），患者的临床分期为Ⅱ～Ⅲ期直肠癌；（2）术前均未行新辅助放化疗；（3）根据肿瘤位置，均选择腹腔镜直肠前切除术，且术中行直肠癌D3根治性切除术；（4）获得患者或其家属知情同意。排除标准：（1）患者既往有腹部手术史；（2）多原发的结直肠癌；（3）因急性肠梗阻、穿孔或出血等并发症而行急诊手术者；（4）心、肺、脑、血液等系统存在功能不全，无法耐受手术者；（5）妊娠。

1.2 基于CT数据采用Mimics软件重建血管

1.2.1 CT平扫及增强数据的获取所有患者的CT检查均采用东芝Aquilion ONE128层CT。患者在检查前4～6 h开始禁食，并口服对比剂1 000 mL。检查时，患者取仰卧位，扫描范围至少包括剑突至耻骨联合水平。平扫结束后，经肘静脉将60～90 mL的碘帕醇（浓度370 mgI/mL）以4.5 mL/s的速度缓慢推注，然后进行增强序列扫描。扫描结束后上传并保存患者的影像学数据。

1.2.2 通过Mimics软件重建血管将获取的患者腹部CT断层扫描数据导入Mimics软件中，生成原始蒙版图像，采用阈值分割的方法，选取特定区域进行区域增长后，进行三维重构，对重建后的三维模型进行切割，以获取所需要的特定部位的血管立体模型，并通过reduce、wrap、smooth来进一步优化三维模型，最后获得三维重建血管。

在重建后的三维模型测量以下几个数据：（1）根据LCA、乙状结肠动脉（Sigmoid Artery,SA）及直肠上动脉（Superior Rectal Artery,SRA）之间的关系对IMA进行分型；（2）在三维血管重建图像中测量IMA根部到腹主动脉分叉的直线距离；（3）探索LCA走行规律，并测量其在IMA根部水平至LCA（LCA缺如型则为SA）起始部的直线距离。

1.3 重建肠系膜下血管在腹腔镜直肠癌手术中的应用评价

为了评价通过Mimics软件进行血管重建技术在直肠癌D3根治术中的优势，设计前瞻性的研究。将2018年1月～8月在潮州市中心医院拟行直肠癌D3根治术的30例患者随机分观察组和对照组，每组各15例。对于观察组的患者，在手术前收集患者的CT等影像学数据并用Mimics软件进行血管重建，手术医生查看重建后的三维血管模型，并在获得IMA分型、IMA根部到腹主动脉分叉的三维直线距离以及IMA根部水平至LCA（LCA缺如型则为SA）起始部的直线距离等数据后，制定相应的手术方案再行腹腔镜手术；对于对照组的患者，则由同等技术水平的医生在查阅CT等影像学数据后直接制定手术方案并实施手术。

由同等技术水平的医生实施手术，并分析两组患者的术中及术后的相关指标。其中，术中观察的指标包括手术时间、术中出血量、术中定位IMA及LCA的时间；术后观察的指标包括术后排气、术后引流管渗出、出血量、是否有吻合口瘘以及肠梗阻等。

1.4 统计学分析

本研究所有数据都是采用SPSS 21.0软件进行处理。计量资料用均数±标准差来表示。采用卡方检验或者独立样本t检验对数据进行分析比较。当P＜0.05时，提示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 IMA的分支分型

本研究对现有的71例CT数据进行重建分析，根据LCA、SA及SRA之间的关系将其归类分为4种类型（图1）：I型（直乙共干型），LCA单独发自于IMA，而SRA与SA则在IMA上以共干的形式发出，共26例（36.6%）；II型（左乙共干型），LCA与SA以共干的形式起源于IMA，共14例（19.7%）；III型（全共干型），LCA、SA和SRA起源于IMA上的一个共点，共26例（36.6%）；IV型（无左型），此型缺乏LCA，共5例（7.1%）。I型和III型是相对比较常见的类型，而IV型则较少见。此外，经过Mimics软件重建的血管分型与腹腔镜直肠癌D3根治术时的术中分型（图2）是相一致的，进而验证了经Mimics软件进行血管重建及分型的准确性。术前明确IMA的血管分型对腹腔镜直肠癌D3根治术的术前规划和术中决策有很大指导作用。

2.2 在三维血管重建图像中测量IMA根部到腹主动脉分叉的距离以及IMA根部至LCA（LCA缺如型则为SA）分支的直线距离

图2 腹腔镜直肠癌D3根治术术中对LCA及IMA的解剖图Fig 2 Dissections of IMA and LCA during laparoscopic D3 radical resection for rectal cancer

在进行腹腔镜直肠癌D3根治术时，定位IMA是非常关键的一步。本研究基于病人的CT数据进行重建，还在重建的模型中测量IMA根部到腹主动脉分叉的距离（L1）以及IMA根部至LCA（LCA缺如型则为SA）分支出的直线距离（L2）。按中位距离（L1=47.25 mm，L2=39.80 mm），将研究对象分成长距离组和短距离组。经分析发现IMA的分型与L1无明显的相关性；但是，IMA的分型与L2有相关性，其中Ⅰ型多为短距离组，而Ⅳ型多为长距离组（表1）。

表1 IMA根部到腹主动脉分叉的距离（L1）以及其至LCA分支出的直线距离（L2）的关系［例（%）］Tab 1 Linear distance from IMA root to abdominal aortic bifurcation(L1)and to the left colon artery(LCA)(L2)［cases(%)］

2.3 术前IMA的三维重建在腹腔镜直肠癌D3根治术的应用评价

为进一步评价三维重建技术在手术中的作用，本研究将2018年1月～8月的30例患者随机分成对照组和观察组。两组患者的一般情况（性别、年龄、分期等）没有明显差异。在术前对观察组患者IMA进行三维重建，并根据模型中的IMA血管及其分支的走形制定手术方案，指导术中对IMA及其主要分支进行裸化。

从表2的结果可以看出术者能快速地在术中定位IMA及LCA，显著缩短手术的时间。由于手术时间的缩短，观察组患者的术后胃肠功能恢复也较快，同时术后引流管渗出、出血量较对照组明显减少，说明术前进行IMA的三维重建有利于直肠癌患者术后的恢复。此外，虽然在数量上，对照组的吻合口漏以及肠梗阻的发生率高于观察组，但统计学分析显示差异没有统计学意义，这有可能是因为本研究样本量太少。

3 讨论

随着人们生活环境以及饮食结构的改变，直肠癌的发病人数逐年增加，目前已成为全球发病率第三和死亡率第二的恶性肿瘤，改善直肠癌患者的生存预后已成为当前最主要的问题［1,13］。近年来，腹腔镜手术具有微创、安全、快速康复的优势，在临床中广泛使用，已成为直肠癌根治术的首选手术方式［3］。在行腹腔镜直肠癌根治术时，难以在腔镜下局限的视野中对IMA及其分支进行定位与分离，然而对IMA的准确解剖是直肠癌D3根治术中非常关键的一步，IMA分支的不同类型会直接影响术者对其血管结扎位置的判断与处理以及第三站淋巴结的清扫，同时也与吻合口缺血及术后复发等有着密不可分的联系。因此，在术前了解清楚IMA的解剖特点及其变异情形对腹腔镜直肠癌手术是至关重要的。

表2 三维重建IMA的手术应用评价Tab 2 Evaluation of the surgical application of three-dimensional reconstruction of IMA

在行腹腔镜直肠癌根治术时，对IMA的处理有两种方式：（1）高位结扎，即在IMA的起始部进行结扎，完全切断LCA的血流［14］；（2）低位结扎，即在IMA发出LCA后再结扎，保留LCA的血供。近年来，大量临床研究表明在行直肠癌根治术时，在术中彻底清扫第三站淋巴结并保留LCA进行低位IMA结扎术能在改善患者预后，减少复发率的同时，保障剩余结肠肠段的供血，促进吻合口的愈合，降低吻合口漏等术后并发症的发生率［15-17］。因此，非常有必要在术前明确IMA的分支分型，帮助术者进行术前决策，指导术者在术中安全准确地裸露IMA根部至LCA起始部的血管段，完成保留LCA的IMA低位结扎术。为进一步明确直肠癌患者IMA的解剖特点及变异情况，本研究把患者的CT等影像学数据导入Mimics软件并进行IMA三维重建。经统计分析发现在IMA分支的4种类型中，Ⅰ型和Ⅲ型是相对比较常见的类型，而Ⅳ型则比较少见，仅占7.1%，各种分型的比例与既往的研究是相一致的［18-19］。此外，本研究还发现IMA的分支分型与IMA根部至LCA（LCA缺如型则为SA）起始部的距离存在相关性，也就是说，如果要行保留LCA的直肠癌根治手术，IMA分支分型不同的患者需要裸化IMA的平均距离是不一样的，其中，I型患者所需要裸化的血管长度最短。通过Mimics软件的三维重建技术可以在术前预测IMA的分支分型；通过测量IMA根部到腹主动脉分叉的距离可以帮助术者在术中定位IMA根部；并通过测量IMA根部至LCA分支处的直线距离可以帮助术者在术中定位LCA，有助于术者进行术前规划、术中决策，降低手术的误伤率及手术时间。

为评估利用Mimics软件进行三维重建在临床上的使用价值，本研究纳入了30例患者参加前瞻性队列研究，每组各15例。其中，对于观察组的患者，术者需在术前基于患者CT等影像学数据利用Mimics软件进行IMA三维重建并制定个性化的手术方案。结果表明，与对照组相比，利用三维重建技术进行术前规划能起到术中导航的作用，帮助术者在术中对IMA及LCA进行快速定位，进而明显缩短术者的手术总时长。通过观察重建后的IMA的三维图像，术者可以在术前明确患者的IMA及其分支的解剖特点，彻底清扫IMA根部的第三站淋巴结并缩短术者的术中探查时间，减少患者术后引流管渗出量，进而加快患者胃肠功能的恢复。此外，通过统计学分析比较还发现观察组和对照组的吻合口漏以及肠梗阻等术后常见并发症的发生率并没有显著的差异，这可能是因为本研究的样本量太少造成差异不明显，因此在后续的研究将会加大样本量的研究对比，进一步明确三维重建技术对直肠癌D3根治术后恢复的辅助价值。

通过Mimics软件行IMA三维重建技术具有便捷、无创、经济等优势，能帮助术者在术前准确把握腹腔血管，尤其是IMA的解剖特点和变异情况，为腹腔镜直肠癌根治术中的第三站淋巴结的清扫提供解剖依据，有助于术者的术中决策。由于本研究是单中心的研究，样本量较小、随访时间也不长，因此，术前辅助技术的长期临床价值有待进一步临床验证。总而言之，采用Mimics软件进行IMA三维重建可以明显缩短手术时间，并在术中提供重要的决策信息，使患者的受益最大化，在临床上具有广泛的应用前景。