3D 技术在肺段切除术中的临床应用

目前肺癌是我国乃至全世界恶性肿瘤中发病率和死亡率最高的癌症[12]。随着胸外科影像学技术的进步和高清晰度计算机断层扫描技术(CT)在肺癌高危患者中的应用,胸外科医生在临床实践中遇到越来越多的肺周围小病变。目前对于 Ⅰ 期非小细胞肺癌(NSCLC)患者而言,肺叶切除联合纵隔淋巴结取样或清扫仍然是首选的治疗手段。但随着患者年龄增长、基础疾病发生率增加、心肺功能下降,有些患者不再适合行肺叶切除,而选择创伤更小的亚肺叶切除(肺段切除和肺楔形切除)。1973 年,Jensik 等[3]报道了使用肺段切除术治疗肺癌,文章发表后引发了一场关于早期 NSCLC 最佳手术方法的争论。解剖性肺段切除术与肺叶切除术在肿瘤预后上是否具有可比性,结合 Zhang 等[4]和 Bao 等[5]的两项 Meta 分析结果表明,对于外周直径<2.0 cm、Ⅰ 期 NSCLC,解剖性肺段切除结合系统的肺门和纵隔淋巴结清扫能够获得满意的治疗效果。与此同时,一些回顾性研究[67]表明,小尺寸(直径<2.0 cm)ⅠA 期 NSCLC 的节段切除可能具有与肺叶切除术相当的预后和局部复发率。

1   肺段切除术的优势及技术难点

传统肺叶切除术切除范围较大,可能对肺功能造成损伤,术后并发症随之增加,而且相对于患有慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺气肿、心功能不全等肺功能较差的患者或老年患者而言,很难耐受。对于不能耐受肺叶切除的患者,应优先考虑亚肺叶切除(肺段切除和肺楔形切除)。目前普遍认为亚肺叶切除(肺段切除和肺楔形切除)可以保留更多健康的肺组织,从而保留更多的肺功能,加快患者术后康复和改善术后生活质量,尤其是对于有肺叶、亚肺叶切除史,年龄较大以及并发其它疾病的患者,亚肺叶切除术更适合。根据美国国立综合癌症网络(NCCN,Version 7. 2019)[8]针对 NSCLC 行亚肺叶切除(肺段切除和肺楔形切除)的具体适应证如下:(1)肺功能差或因其它重要合并症而不能耐受肺叶切除术;(2)周围型结节直径≤2.0 cm,且符合以下标准之一:组织学类型为单纯原位癌;CT 显示结节的磨玻璃成分≥50%;影像学检查监测证实结节倍增时间>400 d。如今在个体化医疗和精准医学的推动下,精准肺段切除或联合肺段切除成为近年来讨论的焦点[9],尽管目前越来越多的研究结果表明肺段切除术是治疗小尺寸早期 NSCLC 的手术选择之一,但是由于肺段切除手术的技术复杂性,使得很多胸外科医生望而却步。胸腔镜肺段切除术的技术难点包括确定结节的位置、确定目标结构、保留节段间静脉、划分节段间界限、确定手术边缘等。常见的肺节段切除术有舌段切除术、左肺上段切除术和基底段切除术,这一系列节段切除术的技术类似于肺叶切除术,但一般认为胸腔镜下肺段切除比肺叶切除困难,除了担心局部复发率、死亡率和手术安全性之外,反对胸腔镜肺段切除术的潜在争论还包括并发症的发生率较高、淋巴结清扫不充分,其中肺段局部解剖结构的复杂性和周围血管及支气管的变异,以及胸外科医生对肺段局部的 3D 解剖关系不熟悉,是导致手术高度复杂的主要原因。根据 Nagashima 等[10]使用 3D 计算机断层扫描支气管血管成像(3D-CTBA)分析右肺上叶支气管血管形态的变化情况显示:肺静脉的变化情况分为 4 种类型,其中最常见的是前+中央静脉型,为 219 例(83.2%)。而前静脉类型为 23 例(8.8%),比以前报告中的结果显著降低。此外还发现了一些新的变化情况,19 例(7.2%)支气管出现 B(1)或 B(2)分支缺陷型支气管,比之前发现的患病率更高。

相对于已经广泛应用的胸腔镜肺叶切除术,胸外科医生想要掌握胸腔镜肺段切除术就需要对肺段的局部解剖有更深层次的认识。首先,由于肺段的脉管存在解剖变异,其中肺段静脉的变异多于肺段动脉,而肺段动脉的走行往往和气管相伴,尤其是当小叶间裂分离不完全时,肺血管的解剖变异使肺段切除更加困难。因此,了解肺段静脉的分支类型相对而言是更加重要的。由于节段性静脉结合在肺段内,根据其分支类型不同,手术入路也不同。Fourdrain 等[11]利用 CT 血管造影和 3D 重建技术,评估了 Ⅰ 期 Ⅱ 期肺癌胸腔镜肺叶切除术患者的肺动脉树及其解剖变异,然而关于肺段的局部解剖变异可参考的资料很少,为了确保肺段切除手术的准确性和安全性,尤其是在肺叶间致密粘连或不完全裂的情况下,我们需要在分割血管和支气管的任何分支之前确认其正确性,这是决定手术成败与否的关键,否则术中对肺段解剖的误判可能导致严重的并发症,如术中出血、迟发性肺梗死或坏死等。其次,在术中要确定结节的位置、确定目标结构、保留节段间静脉、划分节段间界限、确定手术边缘。因此,识别节段间平面以及计算肿瘤与节段间平面之间的距离对于胸外科医生进行肺段切除时非常有用。这就要求胸外科医生在术前尽可能地掌握肺段脉管系统的解剖情况,还要求术者具有一定的手术经验,对肺段局部支气管血管形态有完整的认识,包括对罕见的解剖变异和对个体解剖的充分了解,这样方可避免术中因为不可预知解剖变异而带来的手术风险。

2   传统 2D 技术的劣势

随着当今社会经济的发展,CT 越来越普及。因此,在 CT 引导下经皮肺穿刺定位活检,再结合纤维支气管镜、纵隔镜、超声支气管镜(EBUS)、正电子发射计算机断层显像(PET-CT)等技术,使得胸外科医生对于肺部病灶的病理性质、与周围组织的位置关系在术前就有了清晰的认识,这些是患者术前评估的基础。胸外科医生经常使用这些信息建立一个心理模型来评估肺结节的可切除性,以及预测在手术过程中任何可能的技术困难和风险。然而相对于一个直径≤2.0 cm 的肺结节而言这些技术所提供的帮助是有限的,在 2D 屏幕上的图像很难解释手术视野中重要结构之间的完整解剖关系。因为这些图像都是以 2D 的形式存在于术者的大脑中,需将连续的 2D 平面图像在头脑中进行 3D 重建,形成立体图像,从而分析判断肺占位性病变的具体情况,做出手术规划。这种建立在人脑的抽象的 3D 重建需要具备熟练的 2D 图像阅片基础,并结合一定数量的胸外科手术实例,不断调整和储备,经过长时间的经验积累才能形成。这种存在于人脑中的重建的立体图像具有临时性和不稳定的特点,很难永久、真实地呈现在整个治疗团队面前,并且每个胸外科医生头脑中重建的图像模型与实际情况符合的程度不尽相同,其准确性与手术者的经验水平密切相关。

3   3D 重建技术在胸外科中的应用

如今 3D-CTBA、多排螺旋计算机断层扫描技术(MDCT)以及 3D 图像渲染技术的出现使得我们可以将 2D 图像转换为 3D 图像[1213]。目前 3D 技术已广泛应用于医学领域,包括骨科、整形外科、额面外科、口腔科、心外科、肝胆外科、泌尿外科等[1420]。在胸外科领域,3D 重建技术在肺段切除术的应用在国内已经达成相关共识。如今对肺节段解剖的 3D CT 可以确定肺部肿瘤在解剖节段内的位置,并辅助预测手术边缘。与传统的 2D 图像相比,3D 技术显示的磨玻璃影(ground-glass opacity,GGO)病灶和肺解剖结构可以提高胸腔镜肺段切除术的安全性和准确性。所以 3D 技术能有效地应用于胸外科肺叶和肺段切除术(图 1[2122]。南京医科大学附属第一医院胸外科报道了 3D-CTBA 在胸腔镜肺段切除和亚肺段切除术前评估的应用价值,并且开发了一种基于锥形原理将肺段从肺叶中分离出来的方法[23]。虽然胸外科医生也可以在无 3D 技术辅助的情况下完成肺段切除手术,但是有了 3D 技术的辅助可以更精确地直观感知病灶的位置和形状。临床实践中由于肺结节的磨玻璃成分及其存在于肺实质的深层位置,术中难以触诊及定位肺小结节。目前存在多种定位方法,如 CT 引导下的勾丝定位、弹簧圈、亚甲蓝、肺表面解剖标记定位、超声定位、术中红外线扫描等,上述方法定位方法各有其优势,但过程相对繁琐,而且定位的成功率和并发症风险跟术者的经验、患者配合的程度密切相关,这些定位方法适合用于靠近肺外周的结节或拟行肺楔形切除术的患者。如今针对肺 GGO 的肺段切除术前和术中的双定位是目前发展的趋势,但对于靠近肺野中央、心脏、大血管等重要器官的病灶时操作风险性较高,一般不适合穿刺定位,同时术中触诊、红外线定位范围表浅,超声定位易受气体干扰也无法定位。相关文献[24]表明肺段间区域结节约占肺结节的 30%,与肺结节的大小无关,普通 2D CT 难以精确定位,而且上述方法均不能完全解决结节的节段性归属问题。随着 MDCT 的发展促使重建肺的 3D 图像成为可能,从操作者的角度可以看到血管和支气管结构,因此,它可用于术前定位和术中导航,手术过程中能够准确划分所有目标结构、保留节间静脉、完整切除目标实质、保证手术切缘,这对于进行肺段切除是非常有用的。复旦大学附属中山医院胸外科团队[25]对查出肺 GGO 患者进行了解剖性肺段切除术前 3D 模拟,该团队认为 3D 术前模拟相对于单纯依靠 CT 扫描进行术前模拟,在精确度上更具有优势,可显著缩短手术时间(111 min vs. 139 min,P=0.03)。术前 3D 图像能够有效地进行术前模拟、手术规划、定位病灶位置、确定病灶切缘、预测术中可能存在任何的风险,甚至可以将 3D 立体图像进行 360° 旋转,多层次、多角度观察,在相关软件的技术辅助下还可直接测量血管、支气管与 GGO 病变的 3D 关系及距离,进行术中导航[26],避免了不必要的肺组织解剖,而且省去了术中寻找和辨别肺段静脉血管的时间,从而缩短手术时间[27]、减少术中出血量、提高手术成功率。图1 3D 重建技术在胸外科中的应用

a:右肺分段;b:右肺上叶:S1、S2、S3;c:左肺分段,中心型占位;d:左肺中心型占位图选项

4   3D 打印技术在胸外科中的应用

目前虚拟的 3D 重建图像仍然只是在电脑屏幕上展示,缺乏在手术时处理结构的灵活性,不能给医师带来更好的主观感受和触觉感受。因此,能否将电脑屏幕里的 3D 重建图像 3D 打印成实体模型带入手术室进行手术规划,这就成为了我们所关心的问题。相关资料显示 3D 打印技术诞生于 20 世纪 90 年代,最初应用于制造业、工程及航空航天模型设计等领域。近几年来,3D 打印技术已经在医学领域得到了广泛的应用,特别是在手术模拟、术前预演、手术辅助工具的开发等方面。中南大学湘雅第二医院胸外科团队[27]将 3D 定制的碳纤维假体用于肉瘤切除后的胸骨重建。这种新型的胸骨重建手术不但取得了满意的效果,而且消除了金属植入物带来的不良影响。中国人民解放军陆军军医大学团队[28]报道了 3D 打印植入物应用于胸壁重建,这种 3D 打印技术可以帮助进行术前预演、手术计划,利用该技术进行的 3D 打印植入物制造与传统植入物相比,具有提高手术精度和疗效,减少出血、疼痛等并发症的优点。由 George 团队[29]进行的关于 3D 打印模型在复杂胸部肿瘤术前规划中的实用性和可重复性的研究表明 3D 打印的模型具有足够的准确性和临床上可忽略的可变性。3D 打印的模型还可以应用于胸外科年轻医师临床教学培训过程中,以不同的角度、层次去观察肺组织解剖结构,促进对肺部肿瘤的发生机制、病理过程、临床表现及治疗过程的理解,在知识与技能、理论与实践之间架起了沟通的桥梁。此外,先进的 3D 打印模型提供了一种前瞻性的工具,为胸外科医生更好地就疾病与患者及其家属的沟通创造了有利条件。

5   3D 技术的现状

一般情况下术前通过 3D-CTBA 获取图像资料,输入计算机,应用相应的 3D 重建软件进行 3D 重建甚至可以进行 3D 打印。大多数常用的软件程序基本都需要耗时数小时进行图像处理来获取 3D 重建图像,但由于目前相关软件的技术不断进步,大部分过程是自动化的。目前市场上重建软件种类繁多,常见的有 Deep insight、Mimics、Osirix 等,各有各的优势,我们目前广泛采用的是 Mimics 软件(materialise magics materialise software,Leuven,Belgium),依据术前高分辨增强 CT 扫描结果进行重建,所以 CT 结果的质量尤为重要,直接影响到重建的准确性。其次,检查过程中患者更深的呼吸及更长的屏气时间,可以使得终末细支气管充气更明显,提高气管重建的准确度。增强 CT 图像最好在动脉期进行捕获,这样可以与静脉分辨更加清楚。通常由于患者 CT 扫描过程中配合不好,血管末端造影欠佳,肺裂隙显示不佳,以及由于 CT 图像质量或实质扭曲(如肺部炎症、肺纤维化等)造成的气道可视化差,那么后期需要操作人员进行手动修改,技术人员应当熟练掌握肺部解剖,能够甄别软件重建过程中造成的小动静脉的混乱。这一系列的过程既要有相应的设备支持,还需要熟练掌握一定的 3D 重建软件操作技能,而且 3D 技术重建结果与术中真实情况会不会有所偏差,这些都是我们所关注的问题。2003 年,日本 Watanabe 等[30]发表的一项研究表明通过 MDCT 获得的 3D 肺血管造影(3D-CTPA)提供了肺血管的精确术前信息,其中 98%(84/86)的肺动脉分支被成功识别,识别中缺失的两条分支为小血管,实际直径<1.5 mm。因此,认为 3D-CTPA 导航可能具有提高手术安全性和降低手术发病率的潜力。2015 年,美国匹兹堡大学医学中心[22]运用最新研发的 3D CT 技术,回顾性评估 41 例 Ⅰ 期 NSCLC 患者行肺段切除术或肺叶切除术的术前 CT 图像,该软件基于图像的重建是以细支气管为核心,完成肺解剖节段的自动重建。在 3D 重建的基础上估计预期的手术面积和肺节段体积,得出了该技术适用于肺段切除术前评估的结论,进一步说明 3D 技术在术前规划和手术决策方面的优势。

6   3D 技术的不足与展望

虽然现在 3D 技术对于肺段切除术而言是一种突破性工具,但并不是所有患者都可以使用 3D 技术。而且除了实用性之外,一项技术的准确性和再现性是其能否得到广泛应用的主要因素。即使在术前获得了真实的 3D-CTBA 图像,在不了解肺段局部支气管血管解剖变异类型及其发生频率的情况下,术前的图像仍与术中实际解剖不完全一致,有时难以一一对应,因为术前胸部 CT 扫描时肺是处于充气状态和正常位置,而胸腔镜下手术侧的肺则是塌陷的。因此肺段血管和支气管在两种不同情况下的行走路径是有所差异的。这些差异对于胸外科医生而言通过经验的积累是可以感知的。虽然现有的重建软件也能够满足肺组织重建的基本要求,但是对于外科医生而言,重建图像的准确性、再现性以及获取图像所需的时间是最重要的。因此能否将术中肺组织的塌陷所造成的 3D 重建与术中情况的差异考虑在内,研发更加快捷、精度和智能化程度更高的 3D 重建软件,从而为手术操作人员提供更大的安全感,带来更加良好的主观感受和触觉感受。其次,3D 技术在应用的过程中需要专门的计算机医疗技术人才的参与,但是目前还没有专门针对 3D 技术医疗人才的培养。此外,3D 打印模型所需的材料、时间以及 3D 打印机的购买成本和维护成本是使用 3D 打印技术的主要限制,其中打印模型所需要的材料是使 3D 打印技术无法得到广泛应用的关键原因。因此,研发廉价的 3D 打印材料、改进 3D 打印机技术、缩短 3D 打印所需的时间势在必行。随着科学技术发展,3D 技术会得到进一步的开发创新,我们相信这些问题都可以得到很好的解决。如今个体化医疗和精准医学观念的不断深入人心,以及医学影像技术和外科手术技术的不断提高,我们有理由相信精准肺段切除术在未来将会更加频繁地应用于胸外科患者中。因此,3D 技术在胸外科应用前景广泛。

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