基于计算机的虚拟三维重建技术在精准肺段切除中的应用评价

于伟杰，麦苏德·马合木提，居来提·艾尼瓦尔，伊力亚尔·夏合丁

(新疆医科大学第一附属医院胸外科，新疆 乌鲁木齐)

0 引言

中国是肺癌高发区，其发病率以及死亡率均居于疾病首位，已成为我国因肿瘤死亡的主要病因。据报道，2015 年中国癌症新发例数292.9 万例，其中肺癌有78.7 万例，约占26.8%。约233.8 万例死于癌症，其中与肺癌相关约63.1 万例，约占26.9%[1]。近年来，随着低剂量螺旋CT(Low dose spiral CT)的普及和使用，和全民对体检的重视以及健康意识的增强，都使得肺小结节在人群中的检出率逐渐上升[2]，其中以磨玻璃结节(ground-glass nodule，GGN)为代表的肺小结节，据有关文献显示，约75%的磨玻璃结节经病理证实为恶性肿瘤[3]。对于影像学提示结节最大直径≤1cm，因此类结节较小，或实性成分较少，术前经CT 引导穿刺明确病理难度大[4]。所以依照现有治疗指南，手术切除病病变在治疗的同时也可以明确疾病。

肺段切除发展史：解剖性肺段切除术是指切除有病变的肺组织，而保留该肺叶其余肺组织的手术[5]。在1939 年，Churchill 和Belsey 首次报道在治疗支气管扩张症的病人时使用了肺段切除。在1972 年，日本学者Noriaki Tsubota 对肺段切除术进行了一系列改进，并认为治疗早期肺癌的标准术式将会是肺段切除甚至亚肺段切除[6]。在1973 年，Jensik[7]报道使用解剖性肺段切除治疗肺癌，1995 年，Ginsberg[8]等人认为肺段切除只可用于肺功能较差的患者，并且有较高的复发率和更差的长期生存率。1999 年，Takizawa 将行肺段切除术后的患者肺功能与行肺叶切除术后的患者做了对比，认为肺叶切除术后患者所损失的肺功能要远远大于解剖性肺段切除术后患者[9]，在2005 年，Okada 在一项回顾性研究中，在治疗最大径≤2cm 的早期周围型肺癌病人时分为两组，分别行肺段切除和肺叶切除，两组病人的5 年生存率虽然略有差异，但差异无统计学意义[10]。在2012 年，Schuchert 进行一项研究表明：术后病理为早期非小细胞肺癌Ia 期的患者，接受肺段切除术后患者与接受肺叶切除术后患者的复发率与5 年生存率无明显差异[11]。Yendamuri 在2013 年一项研究中表明，对于早期的非小细胞癌患者，行肺段切除术的病人在总生存率方面有明显优势。所以在临床医师中，越来越多人认为在治疗Ia 期，或者肺功能较差的病人可使用解剖性肺段切除术[12]。近年来随着相关研究的深入， 越来越多的人对此种手术方式表示认可，故逐渐成为了替代肺叶切除术的一种选择。美国国家综合癌症网(NCCN)及我国制定的非小细胞肺癌临床诊疗指南中指出解剖性肺段切除适应症[13-14]：(1)患者高龄，年龄≥75 岁，FEV1 占预计值＜50%，心血管或其他合并症无法耐受肺叶切除者；(2)CT 提示为肺内周围型非侵袭性病变，位于肺外侧三分之一，且病变小于2cm；(3)并具有以下任何一特征：病理证实为单纯原位腺癌，CT 随访一年以上高度怀疑为恶性肿瘤，磨玻璃成分≥50%，影像学查证倍增时间大于400d；(4)结节数量较多，如位于不同肺叶可同期手术，已行肺叶切除术后的新发结节；(5)术前完善PET-CT 后未提示未见肺门淋巴结转移或纵隔淋巴结转移。因肺段存在大多数结节位于肺实质内、术中定位困难，且肺段解剖及术中变异对医师解剖知识要求高，故需要术者具有良好解剖知识或使用辅助引导。

正因为个体之间存在解剖变异，传统二维CT 图像无法明确以及当肺小结节距离胸膜≥20mm 时术中定位困难，在一定程度上影响肺段切除。故术前经计算机经行解剖三维重建成为近几年术前定位、了解患者肺部解剖的热点。3D-CTBA通过不断(术前三维肺、支气管、血管重建：three dimensional computed tomography bronchography and angiography)的发展，本技术已应用于术前评估，精确定位，明确解剖结构等多方面。本文就基于计算机的虚拟三维重建技术的应用进展及未来发展趋势进行探讨。

1 基于计算机的虚拟三维重建技术(3D-CTBA)概述

1.1 基于计算机的虚拟三维重建技术(three dimensional computed tomography bronchography and angiography)

定义：利用断层扫描、核磁共振等技术获得数据，将不同层面的影像资料导入计算机软件中，经计算机软件对连续序列进行处理，通过软件算法实现三维立体效果表现；目前已在整形外科、普通外科、骨科等诸多手术科室广泛应用[15-17]。近年来国内外胸心外科专业医师将该技术应用于精准肺段切除手术中，取得良好效果[18]。作用：3D-CTBA 可帮助临床医师节省人脑对二维图像加工为三维图像的程序，同时避免了在此过程中可能出现的错误。间接实现了从人脑加工图像转为电脑加工图像的转变。首先其未对患者本人造成任何创伤，且小结节的位置可以利用软件，调整视角，从冠状位、矢状位等多角度全面观察，并可通过坐标轴随意分割和重建，或者单独或组合显示某部位结构，在术前了解肺内解剖结构。因肺段切除范围要求切缘与病变之间的距离大于2 厘米才可尽可能降低复发，所以主刀医师可在术前应用三维重建模型进行模拟手术方案，实行虚拟手术切除，为实际手术提供可靠的个体化手术方案。手术方案其中也包括测量肿物与周边组织的距离，选择要离断或保存的支气管，动脉，静脉[19]，从而确保足够的切除范围。Chen-Yoshikawa 在对病人行术前三维重建后，发现不同个体之间存在解剖差异[20]。因此，此项技术的运动可为针对不同患者制定独特的手术方案提供了依据。张书新、Kurenov 利用三维重建后的模型，为患者及其家属进行手术预演，介绍手术方案，有利于术前与患者家属的沟通，也有助于术前综合评估手术风险，为不同患者制定不同的个性化方案，从而挑选最适合的最佳手术方案[21]。吴卫兵等报道使用其自行开发的 Deepinsight 软件重建肺血管、支气管用来辅助复杂胸腔镜下肺段切除术。孙超等报道使用mimics三维重建软件进行支气管血管重建模型用于胸腔镜肺段切除术[22]。目前新一代的三维重建软件，可以快速半自动地重建出肿瘤、肺动静脉、支气管树和肺实质，术前虚拟手术，测量肿瘤和手术切缘之间的距离，确保足够的手术切缘，并指导术中解剖的识别

2 术前3D-CTBA 在解剖性肺段切除中的应用

该技术可以直观的呈现肺部血管和支气管解剖结构，小结节与周围组织的毗邻关系，将复杂的血管走形展现在主刀医生眼前，有助于评估手术难度，针对不同患者制定不同手术规划，提高了手术的可操作性和安全性。并且在重建结构中，医生可根据重建结果直接判定肿物性质。其主要应用如下：

2.1 识别解剖结构

由于存在个体之间差异，传统CT 所呈现出二维结构不利于术者了解肺内解剖结构。而三维重建技术可以完美的弥补通过二维图片来评估病情时所带来的的困难，提供大量有用信息。重建模型后，可以通过调整角度，从冠状位、矢状位等多平面了解小结节位置，也可以运用软件，对重建后的模型通过坐标轴进行任意切割和重建，或者目标器官的透明度和不同的颜色设定可通过软件被控制从而单独或联合显示各部分结构，使术前直视患者肺内血管走形、汇合，及血管的变异情况，全面的呈现肺内肿物与周围组织的毗邻关系。Hagiwara[23]对124 例拟行胸腔镜手术患者构建三维重建模型，从而得出大量二维图像无法提供的信息，尤其是血管变异及走行。NCCN 指南中提出满足肺段切除要求切缘距离病变的部位应大于或等于2cm 才可以降低术后复发率，故可通过3D-CTBA 测量肿物与周边组织的距离，并根据小结节与动静脉的密切程度，明确手术安全切除范围，选择要离断或保存的支气管、动脉，静脉。是否要扩大肺段切除范围得以在术前明确。从而评估手术难易程度。

2.2 病变及段间平面的确定

由于大多数的肺小结节位于肺实质内，如主刀医师在术中通过触诊定位或者通过器械滑行定位病灶的失败率较高[24]。部分患者因无法准确定位而导致中转开胸、甚至手术失败，据文献报道，因无法准确定位而中转开胸率达46%。因此，行手术前明确肺小结节所在位置显得尤为重要。目前，虽有很多方法来定位肺结节，如电磁导航支气管镜下穿刺定位技术，CT 引导下经皮穿刺 Hookwire、弹簧圈定位法，CT 引导下经皮穿刺液体材料注射定位法：如包括碘油、医用胶、亚甲蓝、吲哚菁绿等[25-27]。然而，上述方法并不能完全解决结节的肺段归属问题。此外，由于许多肺段解剖变异，优势肺段常出现，其体积明显大于正常肺段。传统的解剖学观点及二维CT很容易误判结节所在的肺段。如果未能正确判断，切除病灶后，虽然病灶被一并切除，但与肺楔形切除无差别，并且未能最大程度的保护肺功能。而在三维重建图像上，通过识别段间静脉，根据结节与支气管、血管的空间关系，明确结节所在肺段，依据段间静脉确定段间平面。

2.3 复杂小结节的三维重建定位

肺内任何部位都可以出现肺小结节，其中大部分位于肺段的中心，少数结节可以位于肺段的边缘区域。当病变与相邻段间静脉的最小距离≤病变直径，称之为段间结节[28]。传统处理段间结节的方式为扩大肺段切除，即切除靶肺段时跨越段间交界，切除部分相邻肺段，以保切除段间结节。此种手术方法实质上为肺段切除加相邻肺段的楔形切除，如对于位置较深的病变，手术切除效果较差。吴卫兵等对于符合段间结节的病人使用其自主研发的“deeppinsight”软件重建肺、支气管、血管和病变部位，运用术前3D-CTBA 在胸腔镜行胸腔镜下肺亚段切除。首先确定是否符合段间结节，再进行准确定位，其次设计手术规划，最后进行手术切除。据现有诸多报道，术前完善3D-CTBA 较传统二维CT 对手术具有更优的指导效果。

2.4 术前模拟肺段切除和制定手术方案

术前应用3D-CTBA 可在术前明确有无变异解剖结果。为达到肺段切除要求，明辨有效切除范围。应用三维重建进行设计手术方案，实行虚拟手术切除，为不同患者选择合适的手术路径，确保切除效果，避免复发，为患者制定不同的治疗方案，为患者选择最适合的针对性手术方案[29]。

2.5 国内与国外应用对比

我国在该领域研究相比国外相关国家起步较晚。美国于1991 年便开始了可视人计划。2000 年，2002 年，韩国和日本分别开始启动研究。之后，德国、英国、法国等欧洲国家也相继开始研究，相比较我国开始较晚[30]。三维重建技术的应用主要在于骨、肝胆外科手术和术前指导胸腔镜下肺段切除术在胸外科手术中的应用，例如:可用肋骨标记皮肤，肺结节在体表相对于投影位置的精确显示，以便制定手术计划和指导准确的胸腔镜下手术切除病变。然而国外将三维重建与模拟虚拟手术以及虚拟切除结合在一起，用于在术前制定解剖性肺段切除的方案、模拟肺段切除及评估手术难度、术中导航等的方面。相对比，我国三维重建应用范围较为狭窄，主要用于指导解剖性肺段切除及普通外科中肝脏手术。然而，从国内实际出发，3D-CTBA 技术与胸腔镜技术的结合加快了我国微创外科在胸外科手术领域的发展。

3 3D-CTBA 应用延伸

余晓伟等使用3D-CTBA 联合3D 胸腔镜，使主刀医师在手术过程中操作感更像传统开胸手术，操作器械更加顺利，简化手术流程，使过程更加精准，降低手术相关操作，减少误伤，术中出血亦相应减少。

4 局限性

CT 三维重建技术必须基于传统增CTA(CT 血管造影)的基础上实现，对于某一类患者，例如合并有严重的过敏性疾病或过敏体质，在注射造影剂后可能导致严重过敏症状的患者。甲亢以及严重的肝肾功能损害的患者并不适用。此类患者如术前需要明确病变位置，则需要现有的传统定位方式。在应用中，对原图像进行加工处理需要一定时间，并且在术前经CT 三维重建和手术设计规划后，如不能及时手术，则容易造成图像记忆遗漏。即使经3D-CTBA 技术处理后，操作者可以直观了解肺的实际解剖结构。但在手术过程中，三维重建后的图形内容结果与实际解剖结构仍有差异，不能百分百的显示肺内解剖结构，识别率还有待提高，也因此必须根据实际情况自主选择可行的手术方式。同时，术中因单肺通气使病变肺组织处于萎陷状态，与术前三维重建结果有明显差异。因此，需要主刀医师具备丰富的手术经验，才能明确小结节所在的靶肺段。在现有相关文献中可以得出，CT 三维重建也因其不能为主刀医生在术中提供有效信息成为此项技术一大短板[31]。

5 小结

3D-CTBA 因其自身优越性，越来越受到患者及医疗人员的认可。也因其自身目前所面临的一些问题，相关技术也得到研发以用来弥补其不足。例如，虚拟现实技术(Virtual Reality Technology，VR)技术，以及由其所延伸出的混合现实技术，和3D 打印技术，已在医学的多个领域进行运用，可为术者提供术前评估，制定手术方案，以及术中引导，弥补了部分CT 三维重建部分功能上的缺陷。相信通过数字化影像的发展，并在人工智能的帮助下，越来越多的技术可以相互弥补，也使技术更好的服务于患者，带领胸外科向更加精准的时代迈进。