三维重建技术在胃肠疾病中的应用进展

金紫薇 肖 焘

CT、MRI等影像学技术可获得人体组织器官的二维断层图像，是目前诊断疾病的主要方法。然而，二维断层图像仅局限于表达人体某一切面的解剖信息，医师借助二维图像只能凭借其临床经验估测病灶的大小、形态，以及判断病灶与周围组织器官的毗邻关系，容易误诊、漏诊。随着计算机图像处理技术的快速发展，三维重建技术逐步趋于成熟，通过对人体组织器官二维数据的三维重建，能够更为精确地观察病灶的形态和位置，大大提高了疾病诊断的准确率。目前，三维重建技术已被广泛应用于胃肠疾病的诊断和治疗，如胃癌的术前分期、诊断与治疗，胃良性疾病的诊断，以及部分肠道疾病的诊断和治疗。以下对三维重建技术在胃肠疾病中的应用进展进行综述。

1 三维重建技术概述

随着影像学技术的不断发展，CT或MRI自带的图像三维重建技术已被广泛应用于临床诊断和治疗。三维重建是指在计算机操作下对三维物体进行处理分析所建立的计算机数学模型[1]，医学图像的三维重建是指借助计算机图像处理技术，将断层扫描后生成的二维图像数据重建成人体组织器官的三维立体模型，进而可从不同角度观察病灶并对其进行诊断[2]。三维重建的主要后处理成像方式包括多平面重建(multi-planar reconstruction，MPR)、最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)、表面遮盖显示(shaded surface display，SSD)、容积再现技术(volume rendering technique，VRT)、虚拟内窥镜(virtual endoscopy，VE)技术和曲面重建(curved planar reformation，CPR)。

三维重建能清晰真实地反映病灶位置及其与周围组织和器官的解剖关系，有利于临床医师根据病灶部位的解剖学特点制订个体化治疗方案。目前，三维重建技术已被广泛地用于普外科、骨科、颌面外科、整形外科的术前诊断、手术方案设计、术后随访等领域，提高了疾病的诊断准确率和治疗成功率。

2 三维重建技术在胃疾病诊断和治疗中的应用

CT是各类胃疾病的重要影像学诊断方法，基于CT断层扫描数据形成的三维重建技术能在影像中清晰地显示胃壁各层精细的解剖结构，据此可对病灶周围的血管和淋巴组织受侵犯情况进行判断。因此，三维重建技术已被广泛应用于胃恶性肿瘤、胃炎性疾病和胃底静脉曲张疾病的诊断和治疗。

2.1 三维重建技术与胃癌 胃癌是较常见的消化道恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率均较高[3]。胃癌患者的预后与肿瘤分期密切相关，早期胃癌患者的术后5年生存率>90%，进展期胃癌患者的术后5年生存率<30%[4]。因此，降低胃癌患者死亡率最有效的措施是早诊断、早治疗。近年来，三维重建技术已在胃癌的术前分期、诊断和治疗中体现出独有的优势，成为胃癌诊断和治疗的重要辅助技术。

2.1.1 三维重建技术与胃癌术前诊断 临床上胃癌的诊断工具有胃镜(包括超声内镜)、CT等。当前，胃镜检查仍是明确诊断胃癌的必需检查，其能确定肿瘤位置，可取组织标本进行病理学检查。三维重建技术作为一种新的辅助诊断技术，与CT扫描结合能清晰地显示胃壁、胃腔内外病变和肿瘤范围，在胃癌的定位、定性和定量诊断中发挥优势。有研究[5]报道，CT仿真内镜(CT virtual endoscopy，CTVE)可充分显示胃壁黏膜面和肿瘤组织的浸润情况；通过VRT可观察肿瘤、肿瘤与周围组织和脏器的关系，以及浆膜外间隙有无受累。

值得注意的是，三维重建技术在早期胃癌的诊断中具有明显优势。早期胃癌是指局限于胃的黏膜层和黏膜下层的肿瘤组织，无论其有无淋巴结转移。虽然传统的CT检查对于判断胃癌浸润程度和有无淋巴结转移不够精确，但相较于超声内镜，CT因具有非侵入性的特点更易为患者所接受，且三维重建技术大大提高了CT对早期胃癌的诊断水平。文献[6]报道多排螺旋CT(multi-detector CT，MDCT)胃造影能够生成多种三维图像(如VE技术、SSD)协助诊断，提高了早期胃癌诊断率和T分期的准确率，是一项具有临床应用前景的技术。邢亚楠等[7]研究发现，行多层螺旋CT(multi-slice spiral CT，MSCT)在动脉期、平衡期和门脉期三期扫描结合三维重建，可动态观察病灶和血管的强化过程，有利于显示胃壁层次，区分淋巴结和血管，提高了胃癌术前T、N分期的准确率。邵华等[8]研究发现，MSCT结合MPR与单纯的MSCT横断面图像相比，能提高胃癌T分期的准确率，明确腹腔内转移灶，有利于对晚期胃癌M期的判定。姜智允等[9]采用双源CT双能量扫描技术融合三维重建技术，对获得的多组衍生序列进行定量分析，显著提高了早期胃癌的诊断准确率，并能鉴别转移淋巴结与非转移淋巴结，提高了N分期的准确率，从而实现更精准的术前分期。

2.1.2 三维重建技术与胃癌治疗 当前，胃癌的治疗仍以手术为主，腹腔镜技术已被广泛应用于胃癌根治术中。腹腔镜胃癌根治术的基本原则是充分切除原发病灶和胃周可能转移的淋巴结，保证足够的胃切缘，并合理选择淋巴结的清扫范围，以尽可能保证肿瘤的R0切除(即显微镜下无肿瘤残余)[10]。由于胃周血管多，且与淋巴结的解剖学关系密切，应用腹腔镜技术行胃癌根治术具有一定难度，学习曲线较长。有研究[11]结果显示，在胃癌手术前行双源CT增强扫描和腹腔血管三维重建，明确胃周血管的位置、解剖学特点及其变异情况，做好详细的手术预案，可明显缩短手术时间。可见，三维重建技术有助于术者缩短腹腔镜胃癌根治术的学习曲线，并确保手术效果。

2.1.3 三维重建技术与胃癌术后随访 进展期胃癌术后容易复发，传统CT轴位图像的空间分辨率低、立体感差，难以早期鉴别术后复发病灶。有研究者在胃癌患者术后随访时行CT扫描联合三维重建，通过VRT和SSD重建残胃的形态，经CTVE观察胃腔内的情况，再行MPR观察吻合口与周围脏器的关系，判断周围器官有无病变发生；结果显示，三维重建对吻合口胃壁增厚、肿瘤侵犯范围和淋巴结转移的检出率均显著高于传统CT轴位图像[12]。因此，将CT三维重建应用于胃癌术后随访能够早期发现复发病灶，并从多角度、多方位评估病变程度，尽早制订合适的治疗方案，改善患者预后。

2.2 三维重建技术与胃良性疾病

2.2.1 三维重建技术与胃炎的诊断 胃炎是由多种病因引起的胃黏膜急性或慢性炎症，是最常见的胃良性疾病。慢性胃炎与胃癌的发生密切相关，临床上多采用胃镜和活组织检查(简称活检)诊断胃炎，但限于其为有创性检查，患者对胃镜检查的依从性较差；胃炎的CT影像学表现为胃皱襞和胃壁增厚，易与肿瘤相混淆。因此，三维重建技术有望成为胃镜以外的重要诊断补充技术，早期的胃CT三维成像仅限于SSD，但SSD仅显示胃壁表面的信息，对黏膜细节情况显示不佳。随着三维重建技术的发展，VE技术提供的图像可显示黏膜细节，能够更准确地评估黏膜病变信息，且具有可重复性的优势。因此，三维重建技术在胃良性疾病的诊断方面有着广阔的应用前景。

2.2.2 三维重建技术与胃底静脉曲张诊断 胃底静脉曲张是指胃底静脉呈串珠样、息肉样或团块样的改变，通常由门静脉高压所致。Matsumoto等[13]对30例胃底静脉曲张患者分别行三维螺旋CT血管造影和常规血管造影，结果显示两者均有良好的显影效果；有4例患者的胃后静脉或胃短静脉在三维螺旋CT血管造影上清晰可见，而在常规血管造影上未见。上述结果表明，三维螺旋CT血管造影对胃底静脉曲张具有诊断价值，且无侵入性，能够有效识别胃的血管及其变异情况。

3 三维重建技术在肠道疾病诊断和治疗中的应用

3.1 三维重建技术与肠梗阻病因诊断 肠梗阻是一种常见的急腹症，起病急，病情发展快，尽早明确其病因是成功治疗的关键。MSCT三维重建技术操作简单，能从任意方向观察肠管的形态、结构特点和走行，判断梗阻位置及其与周围组织的关系；该技术可用于明确肠梗阻的病因，尤其对肿瘤性病变引起的肠梗阻的性质判断具有优势，越来越受到临床医师的认可[14]。吴彪等[15]研究发现，MDCT提高了z轴空间分辨力，可实现各向同性分辨力，使各向同性分辨力的成像能在任意角度重建图像，也可从一个容积扫描中选择不同的平面或方向成像，且不影响图像质量，结合MPR形成高质量的三维图像，较好地显示肠腔的形态和病灶情况；口服泛影葡胺后行MDCT检查，病灶显示更为清晰。

3.2 三维重建技术与肠套叠诊断 肠套叠是指一段肠管和与其相连的肠系膜被套入与其相邻的肠管内[16]。成人一般发生继发性肠套叠，CT影像学表现具有一定的特征性。发生肠套叠时肠管在腹腔内盘绕，CT的原始轴位图像难以显示其全貌，需从不同方位观察其走行、解剖结构和病理变化等。MDCT联合MPR可从不同的方位对套叠的肠管，以及肠系膜的病理学和解剖学改变进行观察，从而明确肠套叠的类型和病因[17]。

3.3 三维重建技术与炎症性肠病诊断 克罗恩病是一种常见的肠道炎症性疾病，明确炎症病变的位置、范围和严重程度是治疗的关键。通过三维重建技术获得的肠管影像空间分辨率高，可更准确地显示小肠的炎症情况。Knuesel等[18]采用三维MRI小肠造影(magnetic resonance enterography，MRE)鉴别炎症性小肠壁与正常小肠壁；在增强显影早期，炎症性肠壁对钆的摄取显著增多，故可对炎症所在肠段实现有效显影。

3.4 三维重建技术与肠道肿瘤的诊断 胶囊内镜是一种胶囊形状的内镜，对原因不明的消化道出血和克罗恩病具有较高的诊断价值[19]，但其难以鉴别假阳性肿块。近年来，有学者对胶囊内镜二维视频中一些片段的各个帧进行三维重建，显著提高了胶囊内镜鉴别肿块性质的准确率[20]。此外，在对Peutz-Jeghers综合征进行诊断时，利用经肛门充气对小肠行螺旋CT检查并结合MPR和CTVE重建图像，可观察肠腔内病变的数量、大小和形态，该方法在小肠内气体充盈条件下诊断肠道隆起性病变具有重要价值[21]。

3.5 三维重建技术与肠外瘘的治疗 肠外瘘是一种严重的胃肠外科疾病，可引起大量消化液的丢失，导致严重电解质紊乱和各种营养障碍发生。有学者对肠瘘瘘管行造影后再行CT扫描和三维重建，依据三维重建数据制造三维打印瘘管支架用于治疗肠外瘘，能有效控制并减少患者经瘘口流失的肠液量[22]。

3.6 三维重建技术与结直肠肿瘤的治疗 结直肠癌是胃肠道常见的恶性肿瘤，目前多采用以腹腔镜下手术切除为主的综合治疗，术前明确血管与肿瘤的位置是选择手术方式和肿瘤切除范围的关键。MSCT血管造影三维重建能较好地显示腹腔肠系膜的主要血管，有助于术前明确血管的变异情况。杜乃亮等[23]对52例行腹腔镜下结直肠癌根治术的患者行术前MSCT血管造影三维重建，肠系膜主要血管的显示率为100%，包括肠系膜上动脉、回结肠动脉、右结肠动脉、中结肠动脉、肠系膜上静脉、肠系膜下动脉、左结肠动脉和肠系膜下静脉。另有研究[24]发现，对于高度肥胖的患者，因其肠系膜存在致密的脂肪组织，较难观察病灶处的解剖结构，利用三维重建图像进行术前模拟和术中导航，有助于精确识别肿瘤与血管间的解剖关系。在腹腔镜左半结直肠手术中，通过观察三维重建血管的解剖学形态、走行，有助于确定肠系膜下动脉、乙状结肠动脉、肠系膜下静脉的位置[25]；在腹腔镜结直肠癌根治术前，进行三维血管重建评估肠系膜下动脉的分支，对于保留左结肠动脉以降低吻合口漏的发生率和确保淋巴结的清扫完全至关重要[26]。有学者将图像融合(CTA与CT结肠造影图像融合成血管与肠的三维图像)应用于腹腔镜右半结肠癌结肠系膜切除术，并对图像融合与常规CT扫描的结果进行评估；结果显示，图像融合组可准确融合不同时相血管的VRT图像，立体、直观地描述手术区域动静脉的解剖关系和变异情况，手术时间和术中出血量均显著少于常规CT扫描组，淋巴结清扫数目显著多于常规CT扫描组，且无吻合口漏的发生；常规CT扫描组吻合口漏的发生率为2.5%[27]。高世彤等[28]将MSCT三维重建技术应用于结直肠原发性黏液腺癌的诊断，其显示病变的准确率为100.00%，显示肿瘤供血血管的准确率为100.00%，显示淋巴结转移的准确率为80.77%，显示肿瘤浆膜层浸润的准确率为96.30%，显示远处转移的准确率为72.73%。由此可见，MSCT通过三维重建技术不仅能较好地显示腹腔血管及其变异情况，对结直肠癌的诊断具有较高的灵敏度和特异度，且有助于明确病变与周围结构的关系、腹腔淋巴结转移情况和远处转移情况，并提高手术的安全性。

4 总 结

近些年来随着CT探测器的发展，CT扫描时间大大缩短，运动伪影减少，重建的层厚越来越薄，三维重建获得的图像清晰接度近真实，为三维重建技术广泛应用于胃肠疾病的诊断和治疗奠定了技术基础。目前，三维重建技术被广泛应用于胃肠恶性肿瘤、胃肠黏膜炎症性疾病的诊断，且对肠梗阻和结直肠肿瘤的术前诊断助益颇多。三维重建结合血管重建、瘘管造影重建技术对胃肠手术预案设计和肠瘘行非手术治疗具有临床应用价值，受限于CT和MRI自带的图像后处理技术，三维重建技术仍存在一些问题。

第一，因三维重建技术本身存在的问题影响了疾病诊断的准确度，主要表现在两个方面。①真实性不足：首先，三维重建建立在二维影像的基础上，二维扫描图像质量不佳或二维图像转换至三维图像时产生的误差均会导致所重建的模型不准确，影响临床诊断；其次，对于VRT技术，图像色彩显示逼真的前提是伪彩的设置，若设置不恰当，图像易失真。②清晰度不高：首先，MPR、CPR立体感不强，SSD对于细节的显示不佳，只能显示器官的表面轮廓，无法显示其内部结构；其次，CTVE检查不能显示黏膜充血、水肿，且不易发现黏膜的细节(如轻微隆起)，若充气不足会降低图像的质量，导致误诊、漏诊；再次，CT阈值范围的选择影响重建图像的清晰度，甚至造成假阳性、假阴性结果。除了准确度问题，三维重建技术的重建速度较慢，重建出具体器官图像所花费的时间较长。

第二，三维重建技术对胃肠疾病的传统诊断技术(CT、内镜等)能起到一定的补充作用，但由于其本身存在局限性，使其用于胃肠疾病的诊断仍有不足。首先，三维重建技术对胃肠道的准备要求较高，部分肠梗阻患者因不能实现胃肠道的充分准备，肠管内的残余物易被误认为病变，从而影响诊断；其次，血管重建是三维重建技术在胃肠疾病诊断的关键环节，肿瘤压迫、淋巴结侵犯、静脉血栓等均可能导致血管显影不理想，造成误诊；再次，与胃肠钡餐造影相比，三维重建技术存在不能动态、实时观察胃肠道功能的缺陷；最后，与纤维内镜检查相比，三维重建技术无法实现活检和病理学检查，仅能通过影像学特征初步判断病灶的情况。上述问题可能有赖于信息技术的进一步发展来提供新的解决方案。

值得注意的是，当前一种以三维可视化、三维打印、虚拟现实为代表的复合数字技术已在临床诊断和治疗中崭露头角[29]。三维可视化技术与传统三维重建技术最大的区别为其可给器官进行色彩渲染，对组织结构进行拆分或整体组合，还可多角度旋转，进行不同程度的透明化处理，有助于术前诊断和辅助制订手术方案[30]，未来或许在胃肠疾病的诊断和治疗中具有良好的临床应用前景。

随着计算机处理技术的进步，以及影像设备成像速度和分辨率的提高，三维重建技术将迈向精细化发展方向，并在结合其他数字化新兴医学技术后，为胃肠疾病的诊断和治疗带来新的契机。