影像辅助设备在穿支皮瓣移植术前血管定位中的作用

张 智， 杨晨松， 孙贵新

(同济大学附属东方医院创伤外科，上海 200120)

穿支皮瓣指以管径细小(穿过深筋膜后直径≥0.5 mm)的穿支血管供血的，包含皮肤或皮下组织的轴型皮瓣。目前学界一般认为穿支皮瓣研究的始于1989年Koshima等[1]报道的以腹壁下动脉为蒂、不带腹直肌的皮瓣。1994年，Allen等[2]应用腹壁下动脉皮瓣行乳房再造，并提炼出穿支皮瓣(perforatorflap)这一术语。因其自身携带穿支血管，拥有持续稳定的血供，易成活，同时可以降低供区组织损伤及并发症，穿支皮瓣已逐渐成为组织缺损重建的首选方法之一。穿支皮瓣移植有带蒂转移和游离移植连两种应用形式。经历30余年的发展，目前常用的穿支皮瓣有腹壁下动脉穿支皮瓣、臀上动脉穿支皮瓣，多用于自体乳房再造；股前外侧穿支皮瓣(anterolateral thigh flap, ALT)适用于手外科、头颈、颅面外科的修复重建；胸背动脉穿支皮瓣用于躯干和肢体的创面覆盖；腓肠内侧穿支皮瓣多用于下肢的创面覆盖。

2003年，Geddes等[3]认为切取穿支游离移植皮瓣的供区应具备4个条件： (1) 术前能预知供区存在恒定的血管供应；(2) 至少存在1条较大的穿支血管，动脉穿过深筋膜后其口径仍足以进行显微外科吻合(≥0.5 mm)；(3) 向深层解剖分离能获得足够的血管蒂长度；(4) 供区皮肤直接拉拢缝合后没有过大的张力。带蒂转移时虽无需吻合血管，也要保证有足够的血管蒂长度以将皮瓣转移至受区。因此穿支皮瓣移植的关键在于术前穿支血管的精确定位。然而穿支血管的管径、数目、走形以及位置等方面存在很大的变异，限制了其应用。以ALT为例，Kimata等[4]对74例ALT进行研究，有5.4%未发现穿支血管的存在。Chen等[5]对277例股前外侧穿支血管的研究中发现23.6%的穿支血管起源存在变异。

目前检测穿支血管的设备及技术繁多，各有利弊，尚无“金标准”可寻，本文主要目的是总结近年来各种辅助设备在皮瓣移植术前血管定位、走形、评估血流动力学指标中的应用，为更好的进行术前穿支皮瓣的设计，减少手术时间和难度，提高手术的成功率，加速患者康复提供可行的方法。

1 手持多普勒超声(hand-held Doppler sonography， HHD)

通过多普勒探头发射超声以及检测反射超声来记录红细胞的运动、判断血管的位置，在体表有回馈信号的地方用笔标记。1975年首次被用于皮瓣手术的血管定位[6]。根据要测量穿支的深度及直径选择不同的探头，最常的为8MHz和10MHz的探头。Yu等[7]对100例股前外侧皮瓣的研究中，对所有对象分别采用8MHz和10MHz的探头，8MHz和10MHz探头的灵敏度、特异性、阳性预测率、阴性预测率分别为100%、0%、89%、-；91%、55%、94%、43%。且精准度随着体重指数增加而下降。在皮瓣设计时应谨慎参考HHD结果，因其并不总是精确的。王俊方等[8]研究旋股外侧动脉降支穿支皮瓣时发现，对于细小的穿支血管，与周围皮下静脉血流信号区分度小，导致定位出现较大偏差。

HHD的优点在于无创、费用较少、体积小便于携带、易于执行检查，对探头消毒处理后可用于术中检查。缺点是HHD只能用于穿支体表定位，8 MHz的探头只能探测深度为20 mm的穿支血管，当皮肤和皮下组织的厚度超过这个数值时，检测的可靠性就会降低[7]，不适合用于肥胖患者。HHD无法得知穿支管径大小、走形、血管蒂长度及来源，且不能生成血管系统及其周围解剖结构的三维图像，以便以后存储和检索，使得手术中难免会扩大切口探查穿支，增加供区损伤，延长手术时间。

2 彩色多普勒超声(color Doppler sonography, CDS)

CDS的工作原理与HHD 相同。通过将B超图像和血管内血流图像叠加形成彩色多普勒超声血流图像，可以在测量血流动力学参数及血管直径的同时显示血管周边的组织。1994年，Hallock[9]首次使用CDS进行术前穿支探查与定位。Lethaus等[10]对45例ALT研究发现，CDS对穿支血管的灵敏度和阳性预测率分别为97.9%和100%，然而HHD为90.5%和80.4%。与术中确定穿支位置相比，CDS的测量误差为(6.1±4.0) mm，HD的测量误差为(14.3±9.6) mm，CDS的检查结果更为精确可靠。王杨剑等[11]的研究表明，CDS术前测量的血管外径与术中相比，无统计学差异。杨琴等[12]用CDS对64例行穿支皮瓣修复术患者进行术前供区探查，发现动脉穿支从主干发出部位及其走形于超声下均可显示，术中探查所见优势穿支与术前结果的吻合率为92.1%，得出CDS可以准确指导穿支皮瓣术前选择的结论。CDS能够测量穿支血管的血流动力学参数。术后1周，成活穿支皮瓣的收缩期峰值流速较术前显著提高[13]，术后皮瓣部分坏死组的整体血流量明显低于全部成活组[14]，通过对于术前术后皮瓣穿支动脉流量变化对判断皮瓣的预后有一定帮助。CDS具有无创，费用低，操作便捷，能够测量血流动力学，有利于在基层医院推广等优点。缺陷在于不能提供完整血管解剖的二维或三维图像，无法为术中提供实时的影像资料。

3 三维超声造影(three-dimensionalcontrastenhan-cedultrasonography, 3D-CEUS)

3D-CEUS技术是在三维超声成像的基础上，应用二代超声造影剂SonoVue的血流示踪作用，增强组织器官内血流的散射信号强度，以提高超声对组织器官的细微结构分辨能力和局部组织血流信号的检测能力，并反映血流灌注情况[15]。高频2D和3D超声成像可有效探查到内径≥0.5 mm的微细穿支血管，并能准确显示其解剖位置、走行、长度及管径，并可测量血流动力学参数，3D较2D超声可更准确地显示穿支血管的走行方式、长度及分支情况[16]。Gao等[17]对20例接受以锁骨上动脉胸部分支皮瓣重建颈面部的患者术前进行CDS和CEUS检查，两者特异性都为100%，CEUS的灵敏度及阴性预测率(100%、100%)均比CDS(80%、60%)高。Su等[18]对32例患者进行术前3D-CEUS检查，准确率100%，无假阴性和假阳性结果，该技术对选择受体血管也有帮助。

CEUS有以下优点： (1) 费用少；(2) 微创；(3) 在提供血管三维成像同时可以提供血流动力学信息。缺陷在于： (1) 对操作者水平要求高；(2) 检 查时间较长，有时长达1 h，会降低患者依从性[18]；(3) 虽然造影剂Sono Vue不良反应发生率小，但仍值得警惕[19]。

4 计算机断层扫描血管造影(computed tomog-raphy angiography, CTA)

CT是用X线对被检测对象具体部位一定厚度的层面进行扫描，并将接收的透过该层面的X线经过数/模转换后，形成CT图像。静脉注入对比剂后，可行CTA检查，通过计算机重建，形成立体血管影像。CTA可以分辨直径≥0.3 mm的穿支血管[20]。

2006年，CTA最早应用于腹壁下动脉穿支皮瓣乳房再造中[21-22]： 在72名患者术前CTA识别穿支血管均在术中证实，未出现假阴性或假阳性的情况。2008年，ROZEN等[20]首次将CTA用于ALT的术前定位与设计。Yang等[23]将32位接受ALT移植患者分为两组，1组用CTA进行术前规划，测量穿支血管口径、长度，走形等参数，在体表标记穿支投影点进行血管定位及皮瓣设计，术后皮瓣并发症率为12.5%且没有严重并发症；另1组接受传统ALT移植术，术后皮瓣并发症率为56.3%，说明术前用CTA行血管定位，能有效降低并发症发生率。Smit等[24]回顾性研究138例行腹壁下动脉穿支皮瓣移植术患者，接受CTA术前血管定位组平均手术时间为(264±62) min，接受CDS术前定位组平均手术时间为(354±83) min，CTA可以明显减少手术时间。但是上述两个结论仍需要更高级别证据的支持。进行CTA检查所耗费的时间远远少于超声和MRA。基于这些因素，CTA是最常用术前评估方法。

CTA的缺点有： (1) 其使用的碘化造影剂有3%的过敏率[25]，碘化造影剂的使用与肾毒性有关，特别是对有肾功能衰竭、血管疾病和糖尿病等危险因素的患者[26]。(2) 虽然有学者开发的迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)技术可以在不牺牲图像质量的情况下减少60%CTA放射剂量[27]，但是使患者暴露在不必要的辐射下，仍有增加致癌率的风险。(3) 不能测量血流动力学参数。

5 磁共振血管造影(magnetic resonance angiog-raphy, MRA)

磁共振成像是将人体放在磁场中，人体氢原子核在一定条件下吸收射频电磁波的能量，产生磁共振现象。MRA是利用磁共振成像技术中由于流动血液的MR信号与周围静止组织的MR信号差异而建立图像对比度的一种技术，无需引入造影剂。然而不使用对比剂的MRA无法对细小穿支血管显影[28]。1993年，Prince等[29]首次应用顺磁性对比剂对比增强MRA，使血管成像质量明显改善。1994年，Ahn等[30]首次将增强MR影像应用于横行腹直肌肌皮瓣的术前定位中。

MRA近年来主要应用于腹部穿支皮瓣乳房重建，在一些研究中心已经取代CTA成为首选术前定位方式[31]。Swanson等[32]的研究表明，MRA对于腹壁下动脉穿支皮瓣的术前定位的准确度与CTA相比，并无统计学上差异。王挺等[33]对60例ALT移植患者进行术前检查，发现CTA、MRA在成像质量上无显著性差异，但是MRA的空间分辨率不如CTA，扫描时间控制不理想时，在动脉显影峰值时可能出现静脉影干扰从而影响成像质量。

相比于CTA检查碘造影剂3%的过敏率，CE-MRA的钆造影剂的过敏率只有0.07%[25,34]。MRA使患者避免了非必要的放射线暴露。然而某些安装了心脏起搏器或金属假体的患者不能接受MRA检查。对于肾功能不全的患者，钆造影剂可能会引起肾源性系统纤维化[35]。相比于CTA的高分辨率，MRA只能识别直径1 mm及以上的血管[20]。

6 数字减影血管造影(digital subtraction angi-ography， DSA)

DSA是将造影前后获得的数字图像减影，在减影图像中消除骨骼和软组织结构，使低浓度的造影剂所充盈的血管在减影中显示出来。

DSA多用于腓骨游离皮瓣，也有在腹直肌肌皮瓣中的应用。赵振华等[36]对45例行ALT移植术患者术前分别行MRA、CTA和DSA的检查，结果发现3组间对于旋股外侧动脉分型、降支起源和穿支管径与术中相比，差异无统计学意义，3组间手术成功率与术后并发症发生率也无统计学意义。DSA的优点是能清楚连续显示血管腔内解剖及动脉粥样硬化改变，必要时可以进行血管内治疗。相比与MRA、CTA，DSA不能显示血管周围软组织的解剖结构，图像为二维血管减影图像，不能进行三维重建。DSA同样要使用碘造影剂，有与CTA相似的碘造影剂相关风险，且DSA的放射量大于CTA，操作时也需要考虑辐射剂量。DSA为有创操作，有穿刺点出血、血肿的风险，穿刺点有4.5%的机会形成假性动脉瘤[37]。

7 红外成像(infrared thermography)

自然界中高于绝对零度(-273 ℃)的物体都向外散发热辐射。红外成像装置通过接收辐射的红外线，并按其能量高低转换为展示温度分布的热像图。血管丰富处体温较周围高，体温的升高会产生更多的热辐射。研究表明，血管走形处温度普遍比周围皮肤高1 ℃以上[38]。

红外成像可以在术前准确定位血管位置，在热成像图上以“亮点”或“亮线”显示。徐伟华等[39]对31例四肢皮肤软组织缺损患者进行穿支动脉定位，多普勒血流探测仪的准确率为73.1%，红外线热成像的准确率为92.1%，且热成像发现的最具活力穿支点通过术中证实准确率为100%，而多普勒为80.6%，具有明显统计学意义。许甜甜等[40]对40例游离ALT移植患者研究，发现热成像、高频彩色多普勒在术前有效穿支数量及位置的符合率为97%。红外成像在腹壁下动脉穿支皮瓣及头面部皮瓣等也有成功应用。红外成像能即时反映0.1 ℃的温度变化，“冷挑战”后可以较清晰的显示直径小于0.5 mm的穿支血管热源[40]，定位精度小于1 cm[41]。

红外热成像的优点： (1) 成本低，操作简单；(2) 非侵入性、无放射性、无需注射造影剂；(3) 能够实时显示血流灌注情况。红外热成像的缺点： (1) 只适用于观察表浅的血管，深部血管仍需要超声或血管造影检查；(2) 无法测量血流动力学、血管形态学；(3) 对环境温度要求较高，以减少环境温度对体表温度的影响；(4) 采集图像前要先进行“冷挑战”，使患者不舒服。

此外，红外热成像应用于术中和术后时，可以及时灵敏的反应皮瓣温度变化，有助于检测皮瓣血运，及时发现早期血运障碍[38]。

8 增强现实(augmented reality, AR)

CTA虽有较高的准确性和灵敏度，为皮瓣设计提供三维的血管成像。但是其三维图像仍是在二维显示器上展示，不能提供直观的定位引导作用。AR通过追踪虚拟物品在真实环境中的三维坐标，以实现虚拟信息和真实环境的实时融合，并将融合后的场景呈现给用户，使用户能够通过自然的操作与虚拟世界进行实时交互。

为了达到将CTA图像与实际血管定位结合的目的,多将AR技术与CTA技术联合应用，先生成三维血管地图，然后通过投影或可穿戴设备达到图像融合的效果。2017年，Jiang等[42]率先用狗胸背动脉穿支进行了AR技术在穿支皮瓣移植方面的可行性研究，系统误差为(3.474±1.546) mm，能够满足穿支皮瓣移植的要求。2018年，Pratt等[43]利用微软的HoloLens眼镜完成了6例下肢皮瓣移植手术，均取得较好手术效果，手术时间相较于超声定位时短。还有学者利用智能手机和AR软件来实现增强现实的目的[44]。

AR能够将虚拟信息和真实环境高度融合，缩短定位时间。但目前的AR仍有不足： (1) 空间定位标记物可能会遮盖手术视野，影响手术操作。(2) 融合后的图像缺乏真实感。(3) 手术过程中皮肤等软组织移位会造成非侵入式标记物移位从而导致定位精度的改变，而侵入式标记对患者造成额外损害。

9 3D打印(three-dimensional printing)

随着商业3D打印技术的普及和成本的下降，3D打印技术在皮瓣移植方面也得到初步应用。将CT数据通过计算机软件转化为三维信息。2014年，Gillis等[45]报导了首例3D打印的穿支血管(胸廓内动脉穿支)的模型。DeFazio等[46]详细介绍了实现腹壁下动脉3D打印的过程，将患者特异性血管资料描绘到体表以辅助设计皮瓣。该研究还表明3D打印相比于CTA三维重建能更精确的反映腹壁下动脉的形态和穿支血管的位置，且有提高皮瓣移植成功率及手术效率、减少并发症的可能。Cho等[47]使用柔性乳胶材料3D打印重建头皮，以在修补20个月女童的复杂头皮缺损术前掌握皮瓣的活动及覆盖范围。结合穿支血管的确切位置，该技术能帮助术者更好地设计皮瓣，尤其是供区内有多支穿支血管的皮瓣，减少供区损伤，并且有缓解复杂重建手术中焦虑、降低并发症的可能。然而由于3D打印分辨率的问题，无法实现一些细小穿支血管的打印[45]。3D打印的速度也有待提高。

10 展 望

考虑到基层医院高级医疗设备不足及经济成本，HHD目前仍有广泛使用空间。CDS性价比高，定位穿支血管准确，能满足大部分手术要求，CDS可以分辨某些CTA难以区分的伴行穿支动静脉，对血管管径的测量精度优于CTA[48]，值得在基层推广应用。CTA精度高、用时短，可以构建三维视图，显示穿支走形及周围组织情况，是比较理想的术前定位方法，AR的应用也离不开三维视图的构建。但对于特定患者，如乳腺癌患者患第2种癌症的风险更大，伴有癌基因突变者容易同时罹患乳腺癌和卵巢癌[49]，因此乳腺癌术后寻求乳房再造者应尽可能避免腹部辐射。Cina等[31]认为，对于年轻女性、介意辐射和碘造影剂过敏或肾功能不全患者，MRA可以在腹壁下动脉皮瓣移植中代替CTA行术前定位检查。总体来说，MRA在术前评估穿支血管方面的准确性不如CTA，随着技术的发展，MRA精度的提高，未来MRA会在更多穿支皮瓣的定位中取代CTA，然而术前单一使用MRA评估穿支血管的有效性仍待进一步研究。

CTA、MRA三维重建图像原本只能在二维显示屏上观看，AR将图像融合后可提供直观、立体的引导作用。其发展给远程医疗提供了新的可能，影像、声音在两地医生间双向传输，同时指导医生还可以标注出重要结构和文字注释等，提高远程会诊的效率，实现医疗资源的合理分配。已有通过AR远程医疗完成复杂手部修复的报道[50]。AR能够提供术中实时可视化辅助，减少对术者经验的依赖，让低年资医生直观了解手术部位的解剖状况，血管位置，模拟手术过程。在穿支皮瓣应用方面，AR技术还应解决软组织形变对图像匹配和复合造成的影响。

3D打印在穿支皮瓣移植术前的应用较少，设备成本高昂、打印耗时久是一方面，另一方面穿支皮瓣是软组织，受限于打印材料，3D打印出的模型大多不易发生形变，不能很好地模拟软组织。如果材料学的发展使柔性打印材料成为，术前3D打印模型能准确的评估术中需要解剖血管蒂的长度，皮瓣的大小及形状设计，以达到更小的供区损伤的追求。