3D技术在结直肠肿瘤诊疗中的应用

武英欣 韩明帅 张俊勇，2

1.山东第一医科大学（山东省医学科学院）临床与基础医学院，山东 济南 250024；2.山东第一医科大学附属省立医院消化内科，山东 济南 250021

结直肠肿瘤的患病率在世界范围内不断增加，该病受遗传、环境和生活方式等多种因素影响，早期通常无明显的临床症状，晚期治疗手段有限，死亡率高，目前已成为全球最普遍、最易发的肿瘤之一［1-3］。近年来3D技术迅猛发展，在临床诊疗方面应用愈加广泛，3D技术在临床中的应用可大致分为2个方面，即3D成像技术与3D打印技术。与传统的二维成像相比，3D技术在疾病诊断及治疗方面显示出巨大的优势及潜力，3D技术的应用使疾病的诊疗更加全面、准确，使人们对疾病有了多层次、多角度的直观了解。

3D成像是计算机断层扫描（computerized tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的自然演变，将二维图像经过计算机图像处理技术重建为直观、立体的三维图像，并可在计算机屏幕或头戴式显示器上构建出可视化和可操作的虚拟图像［4-5］，3D成像在结直肠肿瘤方面的应用可分为两大类：与传统内窥镜技术相结合和基于影像学图像的三维重建。与传统内窥镜技术结合能立体地显示胃肠道肿瘤形态，为内镜医师提供更加准确的空间感知。尽管结肠镜仍然是结直肠肿瘤诊断的金标准，但作为一项侵入性检查，有出血及穿孔等风险，3D技术与影像学结合模拟传统的结肠镜检查，显示出一定的优势，包括其微创、非侵入、较高的灵敏度、不需要镇静和恢复时间短等［6］。

3D打印技术，也被称为增材制造或快速成型技术，已成为公认的一项革命性技术创新，是基于3D成像的进一步发展，在20世纪80年代被首次描述［7］，它使得虚拟图像转变为可触碰的实物，主要包括建模和打印2个部分。3D打印的模型通常使用计算机辅助设计包、3D扫描仪或普通数码相机制作［8］，通过在计算机控制下连接材料来创建一个物理的3D对象［9-11］，现被广泛应用于各个工业领域，同时也是生物医学领域的一项重大的技术创新，在医学领域受欢迎的主要原因在于其能够根据患者制作特定的解剖结构，通过如CT和MRI等辅助检查获得患者解剖图像的二维图像［12］，设计并制造出可视化、可触摸的3D立体实物模型，进而为患者制定个性化的诊疗方案。这项技术实现了从2D平面图像到3D立体实像的转变。目前该技术已在肝胆外科、头颈外科、骨科及血管外科等领域成熟应用［13-16］。在结直肠肿瘤的诊疗中也具有广泛的应用，主要包括术前计划、组织模型和教育工具等。

1 3D成像在结直肠肿瘤中的应用

1.1 基于CT/MRI的虚拟结肠镜检查

虚拟结肠镜检查（virtual colonoscopy examination，VC），也称为计算机断层扫描结肠成像（computed tomography colonography，CTC），是一种基于CT的微创检查，使用二维和三维计算机重建来模拟传统的结肠镜检查。CTC主要目的是检测结直肠息肉和肿瘤，由于其微创性，不需要镇静和恢复时间短，相比传统的结肠镜检查有潜在优势［6］。Aschoff等［17］总结了CTC适用于不能耐受或拒绝结肠镜检查以及需要对狭窄病变近端结肠评估的患者，发现CTC对结肠癌和 ＞ 10 mm息肉的检测具有94%的灵敏度和97%的特异性。Zhou等［18］研究发现，CTC对结肠切除术前肿瘤定位有高敏感性，其敏感性和准确性分别为100%和92.58%。Kim等［19］调查了1 050例CTC筛查阴性患者5年内结直肠癌（colorectal cancer，CRC）发病率，经过5年随访，结果显示5年内只有1例有症状的CRC出现，这表明在CTC筛查阴性后5年内，临床表现为CRC的情况很少见，常规CTC筛查间隔5年是合适的。王立亮等［20］指出，CRC术前评估中应用CTC的价值较高，该研究中38例CRC患者手术治疗前均给予CTC检查，结合手术病理分析CTC检查的准确性，结果显示CTC临床分期中T分期总准确率为92.1%，N分期总准确率为78.9%，M分期总准确率为92.1%，病理分期与CTC分期有高度一致性。Souza等［3］研究指出，MRI结肠造影对 ＞ 10 mm的息肉敏感性为84%，并且扩散加权成像具有更好的灵敏度和准确性，对评估CRC的术前TNM分期和术后随访具有更大的潜力，可视为CTC的替代诊疗方案。Frøkjær等［21］对疑似克罗恩病的患者进行了基于MRI的虚拟小肠镜检查，相较于传统的肠灌洗术，可以很好地展示整个小肠病理学特征，患者不适感低并且没有辐射暴露。以上研究表明，基于CT、MRI的三维重建技术对于结直肠肿瘤的定位及临床分期与诊治提供了极大的帮助。

1.2 与内窥镜结合的3D成像技术

随着对3D成像技术认识的深入，与内窥镜结合逐渐应用于结直肠肿瘤的诊疗中，Matsumura等［22］使用3D成像处理器连接单眼内窥镜系统与传统的内窥镜结合使用，使用3D眼镜和3D显示器可以轻松查看3D图像，能更精确地描绘出胃肠道肿瘤的形态，为内窥镜医师提供准确的空间感知。Refai等［23］开发了适合标准内窥镜尺寸的原型3D光学扫描仪，安装在内窥镜仪器上，可以显著提高结肠镜检查的准确性和成功率，减少手术时间，可以为结直肠肿瘤的早诊早治提供帮助。但该设备目前仅在离体动物模型进行了测试，需要更多研究验证该设备在临床诊疗中的适用性。Nomura等［24］设计并报道了在普通内窥镜镜头上安装1个新开发的与原有镜头相同尺寸的3D内窥镜，系统可以将2D模式与3D模式互相切换，可同时获取2D与3D图像标本，并通过使用该设备行内窥镜黏膜下剥离术（endoscopic submucosal dissection，ESD）获得切除的组织标本。通过比较2D模式与3D模式切除的组织标本及图像标本发现，3D内窥镜显著提高了胃肠道浅表肿瘤的诊断置信度水平。Higuchi等［25］发现，3D内窥镜在胃肠道浅表肿瘤的形态及范围识别等方面优于传统内窥镜（P＜ 0.001）。Nam等［26］评估得出，新型3D成像胶囊内镜在临床应用中不但能测量病变大小及获取组织，而且能重建小肠的三维结构，与传统胶囊内镜相比，能获取更多的信息。综上，3D成像与内窥镜的结合使病变特征更加明确，为疾病的诊治提供了更多的信息。

2 3D打印技术在结直肠肿瘤中的应用

2.1 制定个性化术前评估和手术方案

在复杂的结直肠肿瘤治疗方面，目前3D打印技术主要同CT或MRI等二维图像技术结合，作为辅助检查手段来对疾病进行更完备的诊疗与术前计划，吴宸等［27-28］通过收集结直肠肿瘤患者全腹部增强CT或增强MRI扫描获取二维图像信息，使用计算机三维建模软件将患者的CT或MRI图像重建为三维立体图像，再利用3D打印设备打印出病变部位生理模型，与仅使用影像学二维图像等辅助检查进行比较，结果表明3D打印技术可以很好地重建肿瘤与邻近组织、血管及重要脏器的毗邻关系，能够更直观地展示肿瘤的解剖学定位，使术前评估更加完善，实际上3D打印所获得的模型与术中探查情况基本一致。Kontovounisios等［4］通过建立严格的骨盆解剖分割标准，结合盆腔MRI扫描得到了可靠的3D模型，将其应用于手术计划、术前分期，提高了手术安全性和准确性。Chen等［29］将同意接受腹腔镜手术的右半结肠癌患者随机分为3组，其中一组进行3D打印肠系膜血管，一组进行CT三维重建肠系膜血管图像，另一组为对照组，结果显示，3D打印肠系膜血管组能明显缩短手术时间［（138.4 ± 19.5）vs.（154.7 ± 25.9）、（177.6 ± 24.4）min，P =0.035 和P ＜0.001）］，并且明显减少术中出血量［（83.1 ± 16.2）vs.（112.2 ± 33.8）、（128.9 ± 26.7）mL，P=0.043和P =0.001）］，提高手术的安全性。综上，通过3D打印技术打印出的生理模型能让我们更直观了解患者病变部位的解剖结构与毗邻关系，为手术方案的制订提供更精准的依据，能够预测评估术中可能出现的情况及风险，减少手术时间及术中出血量，协助医生制定更加安全的手术方案。

2.2 制造结直肠肿瘤体外组织模型

3D打印技术在研究结直肠肿瘤的组织工程领域发挥重要作用，可作为结直肠肿瘤体外培养的模型制作工具。Chen等［30］研究中使用3D打印和细胞重塑技术创造了具有生理环境且实验室可控的体外结直肠肿瘤3D组织模型，在3D打印支架上培养出肿瘤微环境并允许细胞发生粘附、干细胞化、增殖和血管化等一系列过程，发现活化的基质细胞过表达了多种肿瘤相关标志物并重塑了细胞外基质，通过与动物体内肿瘤模型对比，体外3D肿瘤组织的代谢信号和恶性转化与在体内观察到的肿瘤基本相似。另外该研究发现，3D肿瘤组织模型表现出了高耐药性的生理活性，这种模型不但有利于肿瘤生物学的研究和癌症个体化治疗的发展，也为体外培养的肿瘤耐药性筛选提供了新的思路。Burkholder-Wenger等［31］设计了一种由藻酸盐、明胶甲基丙烯酰和纤维素纳米晶体组成的混合纳米墨水，将这种物质与3D打印基板结合，然后打印内皮细胞和CRC细胞，制造出了CRC的生物模型。Sbirkov等［32］建立了一种经济实惠、灵活度高且可重复利用CRC的3D生物打印模型，并引入了改进的临床前疾病模型，用目前最常用的3种CRC化疗药物（5-氟尿嘧啶、奥沙利铂和伊立替康）测试该生物模型，发现该生物打印模型总体耐药性增加。以上研究表明，通过3D打印的肿瘤生物模型与体内肿瘤更接近，具有高度的生理特性，为肿瘤信号转导、基因表达、血管生成及耐药性等的研究提供路径，从而为临床个体化治疗提供思路。

2.3 3D打印技术可作为教育工具应用于结直肠肿瘤

3D打印技术在教育和培训领域也做出了重要的贡献。通过3D打印技术制造的模型被认为是高质量和高效率的教育工具。Bangeas等［33］在住院医师培训中比较了3D打印模型与常规CT、MRI胶片的教育作用，发现3D打印模型与常规CT、MRI胶片相比，更容易让住院医师了解病变，提高术前规划的准确性，进而有效地优化治疗策略。同时该研究认为，利用3D打印的解剖模型，能够以更好、更有效的方式进行操作，这些模型可以用于教育目的，与实体模型相比，它更方便处理且成本低。根治性器官切除是治疗肿瘤的金标准，Guler等［34］在此基础上，评估具有CT图像的3D打印肿瘤患者模型是否有助于住院医师制定适当的器官切除手术计划，住院医师通过对患者的感知与CT图像和3D打印模型进行5种不同肿瘤手术情景比较，发现3D打印模型可使住院医师更好地理解肿瘤病理学及解剖学并帮助改进手术计划，对于判断手术方案，与CT二维图像相比，3D打印模型在视觉评估方面更有优势，例如明确肿瘤空间位置及毗邻关系、指导手术路径，为患者选择最佳的根治性治疗方案。在评估骶前肿块时，3D打印模型对肿瘤及其毗邻关系的感知明显优于CT［35-38］。以上研究表明，3D打印技术既可以作为培训教育工具，为患者病变部位结构提供真实的场景设置，又能够真实客观反映肿瘤患者病理与解剖，为住院医师和手术团队提供了一个全面了解手术过程的培训平台。

3 总结与展望

3D成像及3D打印技术在结直肠肿瘤的诊治应用中有着重要的贡献，3D成像对结直肠肿瘤的准确定位及临床分期有极大优势，且具有安全、无痛、非侵入性的优点，可作为不能耐受或拒绝结肠镜检查患者的最佳选择，3D成像与内窥镜的结合使肿瘤有了立体、直观的展现，带给了操作者精确的空间感知，提高了结直肠肿瘤诊断的准确性。对于3D打印技术来说，它不单是基于3D成像的创造性进步，更是将虚拟变为现实的突破，无论是作为辅助检查来制定完备的术前计划，还是作为研究结直肠肿瘤组织学的体外培养模型以及作为消化道肿瘤教学的培训工具，都证明了其有着广泛的应用价值。3D成像及3D打印技术日益展现出巨大的发展空间以及不可替代的重要作用。三维立体、可视化以及实操性强的技术代表着未来的发展方向。从二维图像到三维实物的转变，相信数字智能技术在结直肠肿瘤的诊治中还会有更多的进步。

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