数字化三维重建技术在指导腹主动脉旁淋巴结切除术中的应用

单莉 刘萍 陈春林 陈兰 林艳 李晓玲 陈斌 王张林 韩妍

妇科肿瘤包括卵巢癌、子宫内膜癌、宫颈癌等常涉及盆腔和腹主动脉旁的淋巴结切除，淋巴管是妇科肿瘤的主要转移途径［1］。淋巴结切除术对于妇科肿瘤的分期、识别复发高危因素、生存预后，能否从化疗或放疗中获益都是非常重要的［2］，其关键步骤是识别血管及其毗邻结构，尤其是针对变异血管的辨认。腹部大血管损伤并不常见却具有致命性，术前正确判断病情、仔细明确手术区域血管的解剖、规范操作可有效预防和减少医源性血管损伤［3］。对于腹腔镜下的淋巴结切除术，一是缺乏触觉，二是术野狭窄，增加手术难度和风险，如果术前可对实施手术对象的腹主动脉与下腔静脉及其分支的结构、形态和立体空间关系充分认识，可更为有效地在术中对异常状况做出决策，从而提高腹主动脉旁淋巴结切除术的精准度和效率。数字化三维重建技术在外科领域的应用，将为包括人体器官数字化模型建立、虚拟手术导航、临床操作技能培训等研究提供新的平台，而在体血管数字化三维重建技术构建的三维模型立体直观可任意角度旋转观察和测量，为手术的精准实施提供精确详实的个性化解剖学数据及指导基础。

资料和方法

一、研究对象

选取2012年9月至2014年5月因各种原因在南方医科大学南方医院妇科住院并行腹盆腔CTA检查的患者251例，年龄在25～72岁，平均43.98岁。

二、方法

1．数据采集:德国西门子公司双源CT(SOMATOM Definition)，优维显 (370 mgl/mL，德国先灵广州药业有限公司)及双筒高压注射器。扫描条件:管电压120 kV，管电流320 mA，层厚5 mm。检查前禁食4～6 h，余未予特殊处理。患者取仰卧位，扫描范围从第十二胸椎上缘至股骨上段。先行常规平扫 (平扫期)，再应用对比剂示踪法 (bolus tracking)，选择感兴趣区 (region of interest，ROI)动态监测CT值，设定当ROI内CT值达到120 Hu时自动触发扫描 (动脉期)，设定35 s后再重复扫描一次(静脉期)。将各期图像插值处理至层厚为1.0 mm，并存储备份。

2．模型构建:参照陈春林等［4］的报道，将上述CTA数据集以DICOM格式导入Mimics 10.0(Materialise公司，比利时)软件中。先用平扫期数据集构建出骨盆三维模型并存为STL格式，再和动脉期数据一起导入Mimics中，通过布尔减法运算(Boolean Operation)算出动脉血管网的蒙罩，从而得出腹盆腔动脉血管网的数字化三维模型［4－5］并存为STL格式文件，与骨盆STL文件同时导入静脉期Mimics中，经再次布尔运算，得出静脉血管网的蒙罩，经3D计算后得出腹盆腔静脉的三维模型，通过软件自带的导出 (Export)功能导出动静脉血管网的图片并保存。

3．模型的配准融合:将构建好的动脉三维模型与静脉三维模型的STL文件同时导入Mimics软件中，进行配准融合，获得整体的动静脉的数字化三维模型。

4．模型测量:对构建出的腹主动脉及下腔静脉血管数字化三维模型进行观察测量分析。按照Querleu等［5］提出的妇科肿瘤淋巴结切除三、四级水平的定义，应用坐标定位法准确测量腹主动脉右侧壁与下腔静脉左侧壁之间在肾动脉水平距离 (a)和肠系膜下动脉水平的距离 (b)，以及髂总动脉分叉点与左右髂总静脉汇合点之间的上下距离 (c)。并按照10 mm间距为一类进行分类统计。

三、统计学方法

采用SPSS13.0软件进行统计学分析，计量资料以均数±标准差表示，计数资料以频数和构成比表示。

结 果

本研究成功构建251例患者的腹主动脉、下腔静脉、左右髂总静脉、左右髂总动脉的数字化三维模型，其中2例存在腹主动脉与下腔静脉的变异，一例表现为左下腔静脉，一例表现为双下腔静脉，详见文献报道［6］。有11例数据采集范围不够，只能重建出腹主动脉分叉上2 cm以下的盆腔血管，其余238例均可构建出上述动脉及肠系膜下动脉的数字化三维模型，其中只有177例构建出肾动脉的数字化三维模型。腹主动脉右侧壁和下腔静脉左侧壁间距离在肾动脉水平、肠系膜下动脉水平以及腹主动脉分叉与左右髂总静脉汇合点上下间距的最大值，最小值及均值等一般统计情况，详见表1。按照间距差10 mm进行分类，均分为五个类型，在肾动脉水平 (n=177)按照上述分类标准，最多见类型为1～2 cm组，共94例，占53.10%(如图1a);紧贴类型 (即a≤0 cm组)，共6例，占3.40%(如图2b);最少见类型为 a＞3 cm组，共 2例，占1.10%;详见表2。在肠系膜下动脉水平 (n=238)按照上述分类标准，最多见类型为0～1 cm组，共141例，占59.20%(如图1b);紧贴类型 (即b≤0 cm)，共10例，占4.20%(如图2b);最少见类型为b＞3 cm组，共1例，占0.40%;详见表3。在髂总动脉分叉点至左右髂总静脉汇合点上下间距 (n=249)按照上述分类标准，最多见类型为2～3 cm组，共118例，占47.40%(如图1c);紧贴类型也是最少见类型为c≤0 cm组，共7例，占0.80%(如图2c);详见表4。

合计 177 100

表3 肠系膜下动脉水平腹主动脉右侧壁与下腔静脉左侧壁间距 (b)分类情况

表4 腹主动脉分叉点与左右髂总静脉汇合点上下间距(c)分类情况

讨 论

一、血管空间位置关系研究方法的演变

以往对于人体血管解剖结构形态的展现都是二维模式，且多通过尸体标本研究。其不足之处，一是难以获取数目可观的样本量;二是尸体标本血管随着周围组织的变化而发生位置、形态变化，难以反映正常生理状态下血管的位置及解剖形态。

二维平面的空间位置不容易确定，需依赖阅读者的空间想象才能将之转换为可据以确定手术方式的三维空间信息，而这有时与现实情况相距较大［7－8］。多排螺旋CT二维图像分辨率高，所构建的血管三维模型可视性强，有助于发现异常血管结构，不同时相的交叠可以区分动静脉［9－12］。三维重建的模型可以旋转、放大，获取任意平面的解剖关系，以及血管主干及其属支的存在与缺乏［13－14］，使术者对手术解剖的理解程度要高，对2D尸解图谱及断层图谱的理解和认识要清晰。我们根据CTA拆薄至1mm层厚的二维影像，对腹主动脉旁淋巴结切除术相关的主要血管，应用mimics软件在计算机上进行三维重建，以3D的形式清晰展现了活体腹主动脉与下腔静脉及其分支、属支的结构、形态及立体空间关系。依据Querleu等［5］在2008年提出的妇科肿瘤腹膜后淋巴结切除术分为四级，其中二级上界是髂总动脉分叉以下，三级上界是肠系膜下动脉水平以下，四级上界是肾静脉水平以下。应用所建3D模型，在肾动脉水平、肠系膜下动脉水平对腹主动脉、下腔静脉间距离及腹主动脉分叉点与左右髂静脉汇合点间距离进行测量、分类，拟于术前为手术者提供一个详实、生动的手术区域相关血管的空间结构关系。

二、大血管空间解剖研究的意义

腹膜后系统的盆腔和腹主动脉旁淋巴结切除，是妇科恶性肿瘤手术治疗的重要内容，一是作出预后判断;二是指导术后辅助治疗的选择［15－16］。系统的腹主动脉旁淋巴结切除定义为完全切除从肾血管到髂总血管尾部中点间的腹主动脉和下腔静脉周围的脂肪和结缔组织，其标志就是上述血管鞘膜的完全、彻底的可视化，以及前纵韧带、椎体面、腰肌、骶前的完全暴露，并能清晰辨识卵巢血管的起源、肠系膜下动脉、腰动脉及静脉属支［17］，其主要并发症是腹膜后血管损伤出血［18］，在腹部外科手术中大血管损伤伤情凶险，由于腹主动脉及下腔静脉解剖位置及作用的特殊性，损伤后止血困难，尤其是下腔静脉，处理不当可导致失血性休克，病死率较高［18］。如果存在血管的解剖结构变异，如相对位置、弯曲、宽度、长度等，而不伴人体功能改变时，更易增加术中血管损伤的的几率［20］。所以要精确完成腹主动脉旁淋巴结切除术，术者除需具备一定的手术技巧经验，术前对腹主动脉和下腔静脉结构及周围空间毗邻关系的特殊化、个性化、真实化的理解，对于术中识别变异、避免血管损伤有积极的指导作用。

我们利用CTA影像和计算机软件重建腹盆腔大血管三维模型，进行虚拟解剖测量。在肾动脉水平，由测量结果可以看到，腹主动脉与下腔静脉间距离最常见的类型集中于0～1 cm和1～2 cm，间距大于1 cm更多见，此水平两血管重叠类型少见。在腹膜后腹主动脉旁高位淋巴结切除术中的操作，空间距离相对安全，但要注意淋巴切除术时操作入路方向，避免肾静脉、下腔静脉的损伤。在肠系膜下动脉水平，二者最常见的距离类型集中在0～1 cm段，表明在此水平，腹主动脉与下腔静脉的位置相对于肾动脉水平是更为接近，重叠类型不少见，术前对解剖结构的了解能够在腹主动脉旁低位淋巴结切除术中最大可能地避免下腔静脉的损伤。至髂总动脉分叉点，最多见类型为2～3 cm段，而紧贴类型也是最少见类型，仅7例，占本组数据0.80%，此区相对安全，但如果术前能识别变异情况，术中则可进行预案，主动决策，减少不必要的手术步骤，避免损伤，减少出血。所以Matsuki及Kumano等建议在胃切除术前通过三维重建明确胃部血管解剖有助于两组外科医生精确制定手术计划，并在遇到解剖变异时减少手术并发症的发生［21－22］。

术前腹盆腔大血管三维模型直观立体的观察、测量，让术者对于腹主动脉旁淋巴结切除手术区域的血管解剖结构、变异情况、毗邻关系有更加直观、详实、逼真、立体的感觉和认识，使术者避免寻找不存在的血管，有助于快速识别已经存在的血管及识别难于识别的血管［11］，腹腔镜手术中因为存在缺乏触觉和术野狭窄的问题，对于存在血管变异或是复杂解剖及肥胖患者，腹膜后血管的辨认困难，更需要术前对手术区域血管充分的认识［10，23］，以缩短术中因寻找血管或特定的解剖标记的时间，减少不必要的血管及脏器损伤的风险。

三、本研究的先进性及展望

目前尚未有研究描述腹主动脉与下腔静脉间的解剖测量关系用于指导手术的研究［24］。国内外学者对腹部大血管研究主要集中在分支变异及主动脉瘤等方面。虚拟解剖是一种新型非侵入性解剖技术，利用影像学技术借助计算机软件构建人体器官组织的三维立体图像，真实反映人体器官的解剖形态、结构和大小，提供丰富的图像信息。虚拟解剖测量，是通过对重建三维模型进行测量，获得长度、面积、体积和角度等精确解剖参数，得到活体数据［8］，改变了传统依靠手绘或照片解剖图谱学习模式，将单调的二维式解剖图谱由平面变为立体，由静态变动态，由单面变多面［25－27］，提供立体、直观、动态的组织解剖学基础，应用于临床辅助诊断、辅助手术设计、手术模拟，以及教学、临床培训等方面。

人体在体解剖形态包括血管、脏器、肿瘤等能在术前以3D方式呈现给外科医生，使医生不仅可以更为清晰、直观、任意视角了解手术区域的结构，而且能够根据手术目的规划手术入路、方式，缩短手术时间，预防手术损伤，提高手术质量。对于低年资医生，3D模型可提供更为直观，易于获取的培训载体。对于患者及家属，术前应用3D模型讲解、沟通术中可能的意外情况、并发症及预案措施，能够增加医患间的相互理解，减少医患纠纷。

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