三维可视化技术在精准肺切除术中的应用进展

胸腔镜肺外科技术在近 15 年发展迅速并在全球普及，已逐渐成熟并成为早期肺癌外科治疗的首选^[1-2]。早期肺癌肺段切除或亚肺叶切除在最大限度切除病灶并保护肺功能的同时，也取得了良好的长期预后^[3-4]。随着精准肺切除概念的深入，在肺叶切除向亚肺叶切除发展的过程中，对术者在目标肿瘤的定位，以及目标肺叶、肺段、支气管、动静脉及其分支、切缘的解剖辨认方面有着更高的要求^[5]。

解剖学上肺段支气管与相应动脉伴行，而肺静脉走行于肺段之间构成潜在的段间平面。由于患者发育的个体化，支气管及肺血管在解剖学位置上可能存在变异，术中血管损伤导致出血等危急情况的发生仍给胸外科医生带来了不小的挑战。此外，术中结节定位困难或不能扪及则间接地增加了手术难度。为了减少术中可能出现的风险、准确定位结节以提高手术的安全性并实现精准切除，三维（three-dimensional，3D）可视化技术应运而生并蓬勃发展。这项数字化技术在口腔科、骨科、肝胆外科等的应用颇为广泛，尽管目前在胸外科的应用也日益增多，但仍缺乏多中心、大数据的临床应用研究。

在胸外科处理肺部肿瘤方面，3D 可视化技术将胸部 CT 平扫、增强 CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、CT 血管造影（CT angiography，CTA）等作为原始数据，通过计算机后处理得到构建后的 3D 成像并可以进行数据分析及模拟，通过相应操作可以对术区支气管、血管的毗邻关系透视化显示。相较于解剖图谱、手术视频等二维视窗在大脑中的抽象记忆，这项技术使术者、患者对术区局部空间的理解更加透彻、直观、具体，改善患者术前紧张心态，也有利于术前规划和沟通^[6]。本文将对肺结节、气道、血管的 3D 可视化应用进行综述，以期进一步促进该技术在胸外科的应用。

1   肺结节定位的三维可视化

肺结节的准确定位一直是胸外科医师不断探索的课题，目前 CT 引导 Hookwire 定位仍是最常用的方法^[7]。术前 CT 引导下经皮肺穿刺美兰定位、留置弹簧圈或 Hookwire 定位等技术可能存在医源性损伤、美兰弥散、留置标记物脱落、辐射暴露等问题，对定位过程中患者的配合、操作医师的熟练程度和定位后的术前间隔时间有较高的要求；术中胸腔镜下直接观察胸膜凹陷或脐征、手指或器械触摸定位等则过于依赖主观经验。虽然有文献^[8]指出距肺表面 2 cm 以内≥7 mm 的结节均可扪及，但对于术前未做穿刺定位或定位失败的患者，在患侧肺萎陷的情况下可能会造成结节切除不全或失败，从而扩大切除范围造成较大的肺功能损失和延长手术时间；电磁导航气管镜定位、荧光定位等由于造价昂贵，不利于推广应用。这些方法对结节归属于哪个肺段以及安全切除范围的确定并不十分准确^[9]。

Zhang 等^[10-11]利用 Bio3D 软件对患者术前的 CT 进行 3D 重建，确定肺结节位置及胸壁解剖标志，应用 3D 打印技术为每例患者量身定做尼龙材质的定位导航模板，简化了 CT 引导下 Hookwire 定位过程，减少了辐射暴露次数，并且定位效果和安全性并不逊于常规 CT 引导，有望打破经皮穿刺定位肺结节对 CT 扫描的依赖。有文献^[12-13]介绍了虚拟辅助肺测绘（virtual-assisted lung mapping，VAL-MAP）技术，该技术将术前 3D-CT 和虚拟支气管镜检查相结合使标记更精确，通过透视引导支气管镜注入靛蓝胭脂红染料可降低出血或空气栓塞的风险，并且多次注射染料可增加胸膜标记的准确性，帮助外科医生在看不见或无法触及小结节的情况下也能成功切除病灶。刘宇健等^[14]利用显影纱布中的显影带以 1 cm 的宽度相互交织，制成 10 cm×10 cm 的网格硅胶垫，将定位硅胶垫放置于预估的结节体表投影部位，利用 Mimics 软件重建定位硅胶垫及肺结节的相对位置，证明基于体表网格和 3D 重建的肺小结节定位技术是安全、可靠的，降低了 CT 引导下经皮肺穿刺定位发生血气胸的风险。

3D 可视化技术利用计算机软件依据二维 CT 图像建立 3D 模型，能直观、准确地显示肺结节的具体位置及形态，具有很高的应用价值并且前景广阔，避免术前定位的副损伤，确保病灶切除的准确性，提高患者治疗的依从性。

2   肺结节鉴别诊断的三维可视化

随着人们对个人健康的重视程度日益增加以及胸部 CT 在体检中的普及，肺结节检出率呈上升趋势。为了分析不同性质的孤立性肺结节在影像学有何表现，杨亮亮^[15]对 134 例孤立性肺磨玻璃结节进行回顾性分析，得出结节直径、血管集束征、胸膜凹陷征、分叶征是判断结节良恶性的独立影响因素。但由于多数结节的影像学特征不明显，存在“异病同影或同病异影”的现象，因此肺结节的定性成为影响治疗的重要因素。目前临床上应用广泛的纤维支气管镜检查、肺穿刺活检、痰脱落细胞学检查等对肺结节进行术前定性的效果有限。术前如何相对准确地定性肺结节，是临床医生亟待解决的问题。肺结节在 3D 空间的体积增加多不对称，因此 3D 重建处理后观察更为精准和客观^[16]。由于 3D 可视化技术可以重建出肺结节的立体形态，对肺结节在二维平面可能重叠的征象加以区分，因此能较好地避免横断面判断的误差，更加清晰地显示结节细微的影像表现，在肺结节的定性方面提供更多的影像学依据，有利于制定患者进一步的治疗方案^[17]。

姜云飞等^[18]以 50 例孤立性肺结节患者为研究对象，利用 EBW4.5 软件对 CT 图像进行 3D 重建后处理，并联合应用支气管超声下经引导鞘肺活检术（endobronchial ultrasound transbronchial lung biopsy with guide sheath，EBUS-GS-TBLB）对结节活检，比较二者联合与常规 CT 平扫诊断孤立性肺结节的准确性，认为 CT 气道 3D 重建对结节的血管集束征、分叶征、胸膜凹陷征等的显示明显优于胸部 CT 平扫；二者联合应用明显提高了恶性结节的诊断阳性率。李达等^[19]的研究中，120 例孤立性肺结节患者依次进行增强 CT 扫描和基于最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）的 CT 数据 3D 打印，并行手术治疗，对比两种方法对孤立性肺结节良恶性的诊断价值，得出了 CT 数据 3D 打印在诊断准确率、灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值等方面优于 CT 增强扫描。许定华等^[20]利用多平面重建（multiplanar reformation，MPR）技术分析了 115 例患者肺结节的图像特征，同样得出了 MPR 技术在肺结节定性的灵敏度、特异度、准确率、阳性预测值及阴性预测值等方面优于多层螺旋 CT（multi-slice spiral CT，MSCT）增强扫描。

虽然 3D 可视化技术在一定程度上提高了肺结节鉴别诊断的准确性，也表现出了优于 CT 增强扫描的诸多优势，但仍存在些许局限：（1）需要影像科或胸外科医生进行最终审校，效率有待提高；（2）医生工作量的加大可能造成肺结节性质的误判；（3）最终仍要依靠有创性检查如胸腔镜下活检进行肺结节定性，对良性结节的患者造成创伤。因此随着主观的 3D 可视化技术与客观的基于深度自我学习的计算机辅助诊断（computer-aided detection，CAD）技术的不断发展，两者联合应用有望改善术前肺结节的精准诊断问题^[21-22]。

3   支气管、血管的三维可视化

由于部分结节与其所在目标肺段、支气管、血管在 X 线或 CT 扫描时无法准确评估，因此专家共识建议应用 3D 可视化技术进一步精准评估，这项技术对术者对目标切除区域的解剖结构及空间位置关系的理解和对策是有益的^[23]。

众所周知，肺段支气管可能存在一定概率的解剖变异，从而准确识别肺段支气管成为了降低术后肺功能损伤、实现精准肺切除手术的重要环节。Tane 等^[24]利用 Synapse Vincent 图像分析系统将 74 例胸腔镜肺段切除术患者和 74 例胸腔镜肺叶切除术患者的术前和术后 6 个月的胸部 CT 数据进行 3D 重建，依据重建气道的方向、直径来计算支气管通气面积，比较目标肺叶、残余肺叶和对侧肺叶的体积，得出了切除范围越大残余肺功能下降越多、胸腔镜肺段切除术较肺叶切除术更好地保留了肺功能的结论。

与肺叶切除术相比，早期肺癌如磨玻璃影（ground-glass opacity，GGO）所属的肺段解剖变异更多，准确识别肺段解剖变异是外科医生需要面临的挑战。Xue 等^[25]的研究借助 3D Slicer 软件 3D 重建了 36 例患者的 CT 数据，每例患者重建仅需 10～15 min，对比仅依据 CT 扫描行电视辅助胸腔镜手术（video-assisted thoracic surgery，VATS）解剖性肺段切除术患者的临床资料，认为 3D 重建可以直接测量血管、支气管与 GGO 病变的 3D 关系及距离，有效把握手术切缘，提高了 VATS 肺段切除术的安全性和准确性。Liu 等^[26]利用 Mimics 软件对普通 CT 进行 3D 重建，证实 3D 打印和 3D-CT 在VATS肺段切除术中具有同等的效果且均优于常规 CT 组，术前模拟使用 3D 打印评估肺血管和支气管分支模式使VATS肺段切除术更为安全和高效。

对于位置相对特殊的段间结节，精确识别并解剖肺段血管及相邻肺段支气管是手术成功的关键。Wu 等^[27]利用 3D 重建支气管造影和血管造影技术（three-dimensional computed tomography bronchography and angiography，3D-CTBA）准确定义段间结节，以受累段间静脉为中心，将相邻的两个肺亚段作为一个切除单元，证实 3D 重建引导下的胸腔镜联合亚段切除能保留更多的肺实质，并能保证安全的切缘，是一种相对理想的手术方式。李波等^[28]将混合现实技术（mixed reality，MR）和 3D-CTBA 技术相结合，通过术中佩戴 MR 眼镜实时指导胸腔镜下联合肺段/亚段以及肺段联合亚段切除术，得出了相似的结论。

术中可能出现的并发症如血管损伤出血发生率为 2.9%～9.2%，其中以肺动脉及其属支损伤最为常见且危急^[2]。由于存在个体化差异，术前及术中对解剖变异的正确辨认，对明确术区血供情况、规避手术风险、保证手术安全具有重要意义，因此准确的术前规划尤为重要。Smelt 等^[29]对比了影像学技术如 CT、MIP、3D 重建体渲染（volume rendering）与 3D 打印技术在胸外科术前规划中肺动脉识别方面的作用，认为 3D 打印技术可能更具优势。She 等^[30]应用 3D-CTBA 技术确定肺结节的位置及其与周围血管和支气管的关系，辨别解剖变异，设计合理的术前规划和策略，术中结合 3D 电视辅助胸腔镜手术（three-dimensional video-assisted thoracic surgery，3D-VATS）获取 3D 手术视野，相比于传统二维电视辅助胸腔镜手术（two-dimensional video-assisted thoracic surgery，2D-VATS）减少了术中及术后并发症，使手术过程更流畅。

对于同侧二次手术患者，因前次手术对患侧解剖结构的破坏、胸腔不同程度粘连，致使再次手术难度和风险增加，利用 3D 可视化技术可以将病灶及目标术区支气管、血管的相对位置关系进行重建，有利于术者对目标区域的解剖辨认，提高手术安全性。

4   小结与展望

尽管 3D 可视化技术的应用在肺部手术微创化道路上起到了里程碑式的作用，但传统静态的 3D 可视化技术存在以下不足：（1）3D 重建对患者检查时所得图像有一定的要求，因胸部增强 CT 等检查需要患者做吸气屏气的配合，如果源图像因患者配合不佳出现伪影、屏气不足出现远端小气道含气不良或造影剂注入人体的时相把握不适宜等影响像素分布，那么后期处理重建的支气管、血管势必会出现误差，影响重建质量；（2）肺的体积随着呼吸运动而改变，患者检查屏气时肺属于相对静止状态，而术中单肺通气后出现患侧肺萎陷，可能偏离正常的解剖位置；同时不同软件对肺段的划分可能不同，因此重建后的模型不能完全对应术中目标空间的实际感观^[31]；（3）3D 重建后的模型仍在二维视窗显示，尽管可以通过平移、旋转、放大、缩小等交互式体验进行调控，但仍缺乏实体感觉，需结合 3D 打印技术或实体模型来实现对整体空间的建立和理解^[26,32]；（4）3D 可视化软件具有一定的操作难度，部分软件不针对个人用户且价格高昂，限制了其在更多临床中心的应用。

为了打破传统 3D 可视化软件只能形成静态模拟的局限，Tokuno 等^[33]开发了一款 RPM（resection progress map）软件，这款软件可以根据患者特定的 CT 数据半自动生成虚拟动态图像，能够快速且准确地反映术中肺牵拉、切除等形变后的动态变化，可以实时指导手术进程。

未来对比度更高的造影剂的应用和影像采集技术的革新，以及计算机后处理软件的更新，对 3D 重建图像的质量将产生积极作用。3D 打印技术的平民化和高效化的研究，以及虚拟现实技术与 3D 可视化技术相结合，亦能加强术者对目标区域的整体感观，应用前景广阔，未来将进一步推动精准肺切除的发展。

利益冲突：无。

作者贡献：岳阳负责撰写和修改文章；辛华对文章的相关内容进行指导、审阅和修正。