3D重建及虚拟手术规划技术在肺结节定位、肺段血管支气管变异重建及手术中的应用

何 旭，沈春健，王程远，刘 晴

（1沈阳医学院附属第二医院胸心外科 辽宁 沈阳 110002）

（2沈阳医学院研究生院 辽宁 沈阳 110148）

目前，肺癌的发病率及死亡率均位居世界第一[1-2]，许多肺癌最初在影像学表现上都显示为肺结节，而随着临床医疗科技水平的日益提高和螺旋CT诊断技术在疾病筛查中的广泛应用，肺结节的临床检出率也呈现出逐年增多的趋势[3]。肺部结节属于临床心胸外科中很普遍，但较难确定良恶性的肺部疾病，一般情况下，肺结节一般被定义为影像学检查中直径≤30 mm，影像不透明、边界清楚、周围完全由含气肺组织所包绕，无肺不张、肺门淋巴结增大、胸腔积液等表现的肺部病灶[4]。一般情况下，肺结节患者可采取的治疗方法有[5]：①根据结节大小及影像学表现，定期进行随访；②采用穿刺针穿刺活检或支气管镜取组织活检来明确病理；③直接行外科手术，将结节切除。当患者的结节属于恶性或随访中认定恶性病变可能性较高时，一般推荐直接选用手术切除的治疗方式。随着现代医学技术与计算机技术的日益提高，医学图像三维重建技术已经成为计算机辅助外科的重要组成部分，在医疗领域中的应用也日益普遍和深入[6-7]，现已成为生命科学研究领域的热点之一。Mimics软件系统即数字化医学图像交互控制系统，是比利时Materialise集团所研发的一套介于医学与机械领域之间的三维图像处理与编辑的软件。我们将三维重建技术及虚拟手术技术运用于诊断为肺结节，并且恶性概率高或患者强烈希望通过外科手术进行彻底治疗的患者，通过手术病例的积累和归纳分析，为肺结节后续治疗提供更加便捷的治疗方法，提高患者手术效率，降低患者手术风险，为临床医生及患者提供更大的便利。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年6月—2020年6月在沈阳医学院附属第二医院实施胸腔镜下肺部分切除术的94例患者，分为试验组（n=38）与对照组（n=56）。试验组中男性21例，女性17例，平均年龄为（59.3±5.7）岁，术前使用3D重建及虚拟手术规划技术，后行常规手术。对照组中男性34例，女性22例，平均年龄为（60.9±7.2）岁，直接行常规手术。两组患者之间一般资料比较差异无统计学意义（P＞0.05），有可比性。见表1。

表1 病人的一般资料比较

纳入标准：①结节的最大直径≤30 mm；②胸腔镜下行单肺叶切除术或肺楔形切除术；③术前CT检查显示肺结节为单发，或虽然多发但在同一肺叶，可一并切除；④肺功能良好[第1 s用力呼气容积（FEV1）的实际值≥1.5 L或第1 s用力呼气容积/用力肺活量≥60%]，能耐受肺叶切除手术；⑤自愿参加并签署知情同意书者。排除标准：①肺结节多发且不在一个肺叶，需要切除的肺叶大于一个；②其他恶性肿瘤肺转移；③病理资料不全者；④胸腔镜手术转开放性手术。

1.2 方法

试验组患者先进行计算机断层扫描（CT），将所得图像导入Mimics软件，建造个体化肺小结节模型，再利用ProPlan软件进行虚拟手术操作，最后将虚拟手术操作经验应用于临床手术操作。术中患者取健侧卧位，行全身麻醉及双腔气管插管后，在腋后线第8肋间作一切口用以观察，行手术操作的切口则位于腋中线第5肋间，若肺结节的大小和位置适合行楔形切除术，则可先用腔镜的切割吻合器行肺的楔形切除，待术中病理回报后再根据结果决定是否行肺叶切除及淋巴结清扫。

对照组CT扫描后直接进行常规手术，步骤同试验组。

1.3 观察指标

①手术时间；②手术中总出血量；③术后常见并发症发生率；④住院时间；⑤术后胸腔引流量。

1.4 统计学方法

采用SPSS 26.0统计软件进行数据分析。计量资料以（）表示，行t检验；计数资料以频数（n）、百分比（%）表示，行χ²检验。P＜0.05则差异有统计学意义。

2 结果

2.1 术前3D重建

试验组患者均行3D重建及虚拟手术，术前3D重建结果及肺小结节模型如图1所示。

图1 3D重建结果及肺小结节模型

2.2 手术结果

试验组手术时间短于对照组，术中出血量少于对照组，术后引流量少于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05），且在住院时间和常见并发症的发生率上两组之间没有显著差异。试验组共出现了两例并发症，1例为切口感染，1例为心律失常，试验组常见并发症发生率为5.26%，对照组共有5例术后出现并发症，2例为切口感染，2例为心律失常，1例为肺不张，对照组术后常见并发症发生率为8.92%，两者之间的差异无统计学意义。

表2 两组手术结果各项指标比较

3 讨论

近年来，随着临床医疗科技水平的日益提高和螺旋CT诊断技术在疾病筛查中的广泛应用，肺结节的临床检出率也呈现出逐年增多的趋势。肺结节分为良性病变与恶性病变两类，良性病变一般有错构瘤、纤维瘤、脂肪瘤、肺炎、结核、肺动脉瘤、肺内淋巴结、肺不张等。恶性病变包括原发性肺恶性肿瘤和其他恶性肿瘤肺转移。原发性肺肿瘤则有肺腺癌、肺鳞癌、小细胞肺癌、类癌等类型[8]。

临床上区分肺部结节的良恶性主要依靠其影像学表现、血清中肿瘤标记物水平、CT引导下肺穿刺活检或支气管镜取组织做病理检查等[9]。临床上，肺结节的治疗是由患者活检的结果或临床和影像表现上属于恶性病变概率的高低来决定的，针对恶性的或恶性概率高的肺结节，手术切除是最有效的治疗方法[10]。

对医学图像进行三维重建的技术现已成为生命科学研究领域的热门话题。早于1993年，已有学者通过对图像进行三维重建来判断肿瘤与血管的关系[11]，医学三维数字可视化模型，就是在使用CT、MRI扫描等各种影像学技术获取人体组织内部结构的数据信息后，应用计算机图像学、图像处理技术与可视化技术，在计算机上展现其三维空间上解剖形态及内部结构的模型[12-13]，医学图像的三维重建和可视化彻底改变了以往的传统读片模式，即需要依靠想象构造三维结构，可以向医务人员提供传统方式无法获得的、富有空间感和真实感的三维空间解剖和内部结构信息。能提供传统二维图像所无法显示的信息，特别是在肺部血管重建方面，三维重建可以进行个体化血管重建，帮助了解肺动静脉的走行及变异，可有效避免术中损伤或误断动静脉，还可以通过虚拟手术的方法来优化手术方案，了解易损伤的血管，为外科手术提供一定的辅助作用[14-15]。

Mimics[16]软件系统介于医学与机械领域之间，可进行三维图像处理与编辑，软件系统功能已高度整合且容易使用，目前已经取得了食品及药物管理局的认证。Mimics软件有很多模板，基础模块就已经包括了图像导入、图像分割、三维可视化和图像配准等。Mimics软件可直接识别电子计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）或超声等二维序列图像数据，能直接读取DICOM、TIFF、Bitmap和JPEG等各种图像格式，无需进行任何前期处理或格式转化，也因此很大程度上避免了主观因素导致的数据信息丢失，同时可以快速、精确地建模，为临床诊疗提供了强有力的技术支持。Mimics软件对运行设备的配置需求相对较低，甚至在个人计算机上就可以完成大规模的数据运算操作，并且能快速提供计算机辅助设计、3D打印和有限元分析等多种文件格式以方便进行后续操作。医务人员了解Mimics软件的使用方法后，就可以自定义重建，重建个体肺结节模型，同时结合虚拟手术部分的功能来模拟病人手术的全过程，可以为临床手术操作带来极大便利。

肺结节术前定位的方法主要有钩线定位、微弹簧圈定位、医用胶定位、亚甲蓝定位、医用胶混合亚甲蓝定位等[17]，这几种方法定位的成功率都很高，且操作较简便，但因为都是有创的操作，所以会引起气胸、咯血等并发症发生，且并发症发生的概率较高，存在一定的风险[18-20]，而三维重建技术在术前就可以进行肺部动静脉及结节位置的重建，已经可以做到肺结节的无创定位，相比于有创定位，可避免发生气胸、咯血等并发症的发生，同时还减少了辐射暴露，且定位准确率也很高[21]。

本试验中术前行3D重建及虚拟手术组在手术时间短于直接手术组，术中出血量少于直接手术组，术后引流量少于直接手术组，差异均有统计学意义（P＜0.05）；在住院时间和常见并发症的发生率上两组之间没有显著差异。手术时间的明显缩短，一方面由于术前进行了3D重建及虚拟手术，能个体化地明确病人肺动静脉的走行及变异情况，同时术前虚拟手术演练使术者熟练度明显增加，节省了大量时间，另一方面肺结节的位置也进行了重建，结节所在部位及周围气管、血管的情况清晰明了，节省了术中寻找肺结节的时间。由于手术时间的减少，病人血管走行及变异也在术前明确，使得术中出血量明显减少。术中血管损伤少也相应减少了术后引流量。但在术后并发症的发生率上两组之间的差别无统计学意义，可能由于当前胸腔镜手术已经比较成熟，术后并发症发生率较低，也可能与病例数过少有关。

综上所述，术前使用三维重建技术（Mimics软件）对肺部结节所在肺叶的血管、支气管等进行重构，并术前进行虚拟手术演练，能够节省肺小结节切除所用手术时间，显著减少手术中出血量以及术后胸腔引流量，可以在肺结节切除术中发挥重要作用。