Summary
국소 진행성 갑상선암을 진단하고 치료할 때 컴퓨터를 이용한 3차원 재구성을 적용하면 종양 범위 및 해부학적 특성에 대한 추가 정보를 제공하여 위험 평가 및 수술 계획을 지원할 수 있습니다.
Abstract
국소 진행성 갑상선암의 진단과 치료는 까다롭습니다. 문제는 종양 범위를 평가하고 개별화된 치료 계획을 수립하는 데 있습니다. 3차원(3D) 시각화는 의학 분야에서 광범위하게 응용되고 있지만 갑상선암에는 제한적으로 응용되고 있습니다. 우리는 이전에 갑상선암의 진단 및 치료를 위해 3D 시각화를 적용했습니다. 데이터 수집, 3D 모델링 및 수술 전 평가를 통해 종양 개요에 대한 3D 정보를 얻고, 종양 침범 정도를 결정하고, 적절한 수술 전 준비 및 수술 위험 평가를 수행할 수 있습니다. 이 연구는 국소 진행성 갑상선암에서 3D 시각화의 타당성을 입증하는 것을 목표로 했습니다. 컴퓨터 지원 3D 시각화는 정확한 수술 전 평가, 수술 방법 개발, 수술 시간 단축 및 수술 위험 감소를 위한 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 또한 의학 교육 및 의사-환자 의사 소통에 기여할 수 있습니다. 우리는 3D 시각화 기술의 적용이 국소 진행성 갑상선암 환자의 결과와 삶의 질을 향상시킬 수 있다고 믿습니다.
Introduction
갑상선암은 중국에서 7번째로 흔한 악성종양이며1 수술이 가장 중요한 치료 방법이다 2,3. 종양의 완전한 절제는 국소 진행성 갑상선암 환자의 높은 생존율과 좋은 삶의 질과 밀접한 관련이 있다 3,4; 그러나 이러한 유형의 절제술은 쉽지 않습니다. 목에는 기관, 식도, 총경동맥과 같은 중요한 장기와 조직이 있습니다. 진행성 갑상선암의 절제술은 이러한 종양이 목과 종격동의 중요한 장기와 큰 혈관에 근접해 있다는 점을 고려할 때 훨씬 더 위험하고 어렵다 5,6. 따라서 적절한 수술 전 평가가 필요합니다.
현재 임상 환경에서 널리 사용되는 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명(MRI) 및 컬러 도플러 초음파는 2차원(2D) 보기를 제공하여 종양 부피, 경계 및 중요한 주변 구조와의 관계에 대한 평가를 제한합니다 7,8. 외과의가 2D 이미지를 3D 공간으로 변환하기 전에 상당한 임상 경험과 효율적인 시행착오가 필요합니다. 컴퓨터 지원 3D 시각화는 2D 이미징을 사용하여 수술 전 계획 및 치료 계획 선택에 사용할 수 있는 보다 직관적인 3D 모델을 생성함으로써 의사-환자 커뮤니케이션을 보다 직관적으로 만들고 의사-환자 의견 불일치를 줄일 수 있습니다. 이 모델은 3D 시각화를 제공하지만 무형입니다. 이 3D 가이드 수술 전 평가 및 준비는 수술 시간을 단축하고 수술 위험을 줄일 수 있습니다. 3D 접근법은 간담도 수술, 정형외과, 구강악안면 수술에서 널리 사용되어 왔다 9,10. 갑상선암에서 3D 시각화는 현재 초음파 진단 및 수술 계획 수립을 지원하는 데 사용됩니다 11,12,13,14,15.
따라서 3D 시각화는 국소 진행성 갑상선암의 진단 및 치료에 편리하게 적용될 수 있다고 생각합니다. 이 시각화 방법에는 CT 획득, 컴퓨터 지원 3D 모델링 및 3D 모델을 사용한 수술 전 평가가 포함됩니다. 3D 모델은 수술 난이도, 수술 위험 및 잠재적인 수술 후 기능 상태를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 외과의는 의사-환자 간의 상세한 의사소통, 수술 계획 수립 및 그에 상응하는 수술 준비에 관여할 수 있다16. 또한 이 방법은 환자에 대한 적절한 수술 전 평가를 제공하고 수술 위험을 줄이며 환자 외상을 증가시키지 않으면서 환자 만족도를 향상시킬 수 있습니다.
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Protocol
이 연구 프로토콜은 쓰촨 암 병원 윤리위원회의 승인을 받았습니다(승인일: 2019년 9월 27일). 인간 참가자와 관련된 모든 절차는 기관 및 국가 연구 위원회의 윤리 기준과 1964년 헬싱키 선언 및 이후 개정 사항에 따라 수행되었습니다. 수술 전에 모든 환자로부터 서면 동의서를 받았습니다.
1. 포함 및 제외 기준
- (1) 병리학적으로 확인된 갑상선암이 있고 수술적 치료가 필요한 경우 환자를 포함합니다. (2) T3-T4(American Joint Committee on Cancer TNM 병기 결정, 8판)와 같은 광범위한 국소 종양 침윤이 있거나 전이성 병변이 기관, 식도 및 큰 혈관과 같은 중요한 구조를 침범한 경우; (3) 본인과 가족 구성원이 컴퓨터 지원 3D 시각화에 자원합니다. (4) 마취에 대한 금기 사항이 없었다.
- 외과적 치료를 받지 않은 환자는 제외합니다.
2. 이미징 획득
- 256층 나선형 CT 시스템을 사용하여 환자의 일반 및 강화 CT(정맥 및 동맥기 포함) 이미지를 얻습니다. 스캐닝 매개변수는 120kV, 120mA, 512 x 512 매트릭스, 0.625mm 층 두께, 150HU 임계값 및 10-20초 동맥 스캔 지연입니다.
- CT 시스템에서 DICOM 형식으로 스캔 데이터를 얻습니다.
3. 컴퓨터 지원 3D 모델링
- 데이터를 3D 시각화 소프트웨어로 가져옵니다(그림 1A).
- 열기 버튼을 클릭하여 DICOM 형식의 환자 데이터가 포함된 문서를 선택합니다. 데이터를 소프트웨어로 가져옵니다.
- 원본 데이터에 이미지 노이즈가 많이 포함된 경우 가우스 평활화를 위해 데이터를 처리합니다(그림 1B). 마우스 오른쪽 버튼으로 데이터를 선택한 다음 Gaussian Smoothing 버튼을 클릭합니다.
- 목표 부위(가슴과 목)의 다양한 구조물을 개별적으로 재구성합니다.
- 다른 모델(예: 피부와 뼈)을 선택합니다(예: 피부와 뼈)를 재구성할 구조에 따라 소프트웨어에서 선택합니다(그림 2A).
- CT에서 재구성된 구조를 기반으로 Color(색상), Maximum Threshold(최대 임계값) 및 Minimum Threshold(최소 임계값)를 설정합니다(그림 2B). 뼈와 피부에 대해 서로 다른 임계값을 설정합니다. 관찰된 미리보기 효과에 따라 상한 및 하한 임계값을 조정합니다(그림 2C).
- 계산 버튼을 클릭하여 예비 3D 모델 재구성을 완료합니다(그림 2D).
- 분할된 데이터를 수정합니다.
- 혈관, 피부 및 뼈와 같은 구조의 분할 데이터를 얻은 후(그림 3A-C) Smoothing Algorithm 버튼을 사용하여 분할된 데이터를 최적화하고 재구성된 톱니 가장자리가 실제 조직과 일치하는지 확인합니다.
- 그런 다음 원클릭 탐색 버튼을 사용하여 2D 및 3D 이미지(그림 3D)를 찾고 분할 효과가 정확한지 확인합니다. 펜 또는 브러시 도구를 사용하여 잘못된 레이어를 수정합니다(그림 3E).
알림: 3D 모델링은 모든 구조의 분할 데이터를 얻은 후에 이루어집니다.
4. 수술 전 평가
- 3D 모델을 보고 확대, 회전, 조직 투명도, 분리 기능과 다양한 구조의 조합을 사용하여 종양의 부피와 위치, 종양과 인접 조직 간의 관계에 세심한 주의를 기울입니다. 예를 들어, 총경동맥, 식도, 기관에서 종양 침범 정도를 관찰합니다.
- 3D 모델 평가를 기반으로 외과적 절제의 범위, 절제 후 기능 장애 정도, 수술 후 보조 치료 계획을 결정합니다. 효과적이고 직관적인 의사-환자 커뮤니케이션을 구현하여 환자의 기대를 충족시키고 외과의의 치료 계획을 설명합니다.
5. 수술
- 수술 전 계획과 종양 및 영향을 받은 주요 장기에 대한 수술 중 관찰에 따라 종양을 제거합니다.
- 복구 계획이 없는 경우 수술 후 보조 요법을 위해 수술 중 라벨링으로 종양 감소 수술을 수행합니다.
- 절제술로 인한 결함을 수리하고, 수술 계획 및 수술 중 상황에 따라 필요에 따라 기능적 재건을 수행합니다.
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Representative Results
2017년 12월부터 2021년 7월까지 국소 진행성 갑상선암 환자 23명을 대상으로 3D 모델링을 진행했습니다. 이 23명의 환자 중 4명은 수술 위험성으로 인해 수술 대상에서 제외되었고, 나머지 19명은 3D 모델링에 따른 수술로 치료되었다(표 1). 19명의 환자는 모두 국소 갑상선암을 앓고 있었으며, 이 중 14명은 최초 진단을 받았고, 16명은 호흡곤란의 정도가 다양했으며, 18명은 목에 큰 종양(원발성 갑상선 종양 또는 전이성 림프절)이 있어 주변 조직을 침범했다. 수술 후 병리학적 평가에서 11명의 환자가 분화성 갑상선암, 2명은 갑상선 수질암, 5명은 미분화 또는 잘 분화되지 않은 갑상선암, 1명은 랑게르한스 세포 조직구증을 동반한 갑상선 유두암으로 밝혀졌다. 수술 전 3D 모델링을 사용하여 의사와 환자의 효율적인 커뮤니케이션을 촉진했습니다. 모든 수술이 성공적으로 끝났고, 수술 후 회복은 순조로웠으며, 수술 전후 사망자는 없었습니다.
다음 하위 섹션의 증례 보고서에서 설명한 바와 같이, 3D 모델은 종양과 혈관, 기관 및 식도 사이의 관계를 결정하는 데 있어 수술 전 CT 및 수술 중 관찰에 비해 뚜렷한 이점이 있습니다. 또한 종양 침습의 존재 및 범위에 대한 정확한 정보를 제공합니다.
샘플 사례 프레젠테이션
우측 쇄골상에 종괴가 생겨 1개월간 입원한 50세 남성의 수술 전 천자 생검 세포학적 분석 결과 갑상선 유두암이 발견됐다. CT 혈관 조영술은 상흉골 포사, 상종격동 및 우측 경추에 있는 여러 림프절의 융합을 제안했습니다. 우측 상완두정맥과 우측 내경정맥의 하부 부분을 종양으로 감싸는 단계; 우측 내부 경정맥의 국소 협착; 오른쪽 쇄골하 동맥의 변위 및 국소 협착; 그리고 종양에 대한 오른쪽 총경동맥의 인접성, 그 지점에서 흉막의 아래쪽 침범.
종양에 침범된 혈관의 수가 많다는 점을 고려하여, 이 환자는 표적 치료제(안로티닙 염산염)로 치료를 시작하기로 결정했습니다. 표적 요법을 7회 시행한 후 CT 혈관 조영술로 재검사한 결과, 기준선과 비교했을 때 우측 경추의 상흉골 포사와 상종격동의 여러 융합 림프절이 약간 작아진 것으로 나타났습니다. 우측 쇄골하 동맥과 우측 총경동맥 및 종양 사이의 공간이 약간 더 커졌습니다(그림 4). 그리고 오른쪽 상완두정맥의 유착이 감소했다.
수술팀은 CT 데이터를 사용하여 컴퓨터 지원 3D 모델링을 완료했습니다(그림 5). 3D 모델의 다차원적 평가 결과, 종양이 우측 내경정맥을 침범하여 절제해야 했으며, 우측 쇄골하정맥 벽의 일부를 제거하고 직접 봉합을 통해 개통을 유지해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 우측 총경동맥 또는 상완두부 몸통으로의 종양 침범은 관찰되지 않았다. 표적 치료 후 우측 쇄골하 동맥은 변위된 상태로 남아 있었고 지속적인 종양 침범을 보였는데, 이는 이 동맥이 수술 중 손상의 위험이 있음을 의미합니다. 수술 중 혈관벽 복원 또는 자가 혈관 재건술을 시행할 수 있는 것으로 확인되었습니다. 명백한 기관 또는 식도 침범은 관찰되지 않았다.
수술 중 대량 출혈 및 우측 상지 기능 장애의 가능성에 관한 것을 포함하여 수술 전 적절한 의사 소통 후 환자는 수술을 받기로 동의했습니다. 우측 내경정맥을 절제하고, 수술 중 우측 상완두정맥 벽의 일부를 제거했다. 측벽은 이후 수리되었습니다. 수술 중 우측 쇄골하 동맥이 파열되었고, 우측 내경정맥을 이용한 가교 수복술이 시행되었습니다(그림 6).
수술 후 병리학은 림프절 전이를 동반한 유두암(T3bN1bM0, I기)을 소견하여 환자를 높은 재발 위험에 빠뜨렸다. 수술 후 갑상선 자극 호르몬 억제와 방사성 요오드 요법이 권장되었습니다. 약 1개월 후, 수술 후 우측 상지의 부종은 해소되었고, 우측 쇄골하동맥은 막히지 않은 상태로 유지되었습니다.
그림 1: 데이터 가져오기 (A) DICOM 파일 형식의 데이터는 열기 버튼(빨간색 화살표)을 클릭하여 3D 시각화 소프트웨어로 가져옵니다. (B) 원본 데이터에 이미지 노이즈가 많이 포함된 경우 가우시안 스무딩(빨간색 화살표)을 위해 소프트웨어의 오른쪽 메뉴에서 처리됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 소프트웨어 재구성. (A) 소프트웨어 재구성 모듈의 임계값 알고리즘을 통해 재구성할 부분이 선택됩니다. (B) 최대 임계값 및 최소 임계값 이 색상 (노란색 화살표)과 함께 설정(빨간색 상자)됩니다. (C) 상한 및 하한 임계값이 조정됩니다(빨간색 상자). (D) 계산 버튼(빨간색 화살표)을 클릭하여 예비 3D 모델 재구성을 완료합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 수동 수정. (A-C) (A) 혈관, (B) 피부 및 (C) 뼈를 포함한 구조의 분할 데이터를 얻습니다. (D) 원 클릭 탐색 버튼(빨간색 상자)은 2D 및 3D 이미지(노란색 화살표)를 찾는 데 사용됩니다. (E) 분할 효과의 정확도를 조사합니다. 또한 펜 또는 브러시(노란색 화살표) 도구를 사용하여 잘못된 레이어를 수정합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 샘플 케이스의 CT 이미지. CT 검사 결과 오른쪽 쇄골하 동맥(빨간색 화살표)이 종양으로 둘러싸여 있을 가능성이 있음이 밝혀졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 수술 전 평가. (A,B) 3D 모델은 우측 내경정맥(검은색 화살표)을 둘러싸고 우측 상완두정맥(흰색 화살표)의 벽을 침범하는 종양을 보여줍니다. (C) 우측 쇄골하 동맥은 종양에 의해 침범된 상태로 남아 있습니다(그림 5C에서 검은색 삼각형 기호로 표시됨). 우측 총경동맥 또는 상완두부 몸통에 종양 침범이 없습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 수술. (A) 우측 총경동맥(검은색 화살표)은 잘 보호되어 있는 반면, 우측 내경정맥과 쇄골하동맥(검은색 삼각형)은 종양(검은색 상자)에 의해 침범되어 있습니다. (B) 우측 내경정맥을 절제하고, 수술 중에 우측 상완두정맥 벽의 일부를 제거합니다. 우측 쇄골하 동맥 소매 절제술이 완료되었습니다(흰색 화살표). (C) 우측 내경정맥을 이용한 가교 수복술(백색 삼각형)을 시행하는 반면, 우측 재발성 후두신경은 미주신경(백색 화살표)을 이용하여 수호한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 3D 시각화를 받은 환자 19명의 인구 통계 및 임상 데이터. 약어: 3D = 3차원; PTC = 갑상선 유두암; SCC = 편평 세포 암종; MTC = 갑상선 수질암; PDTC = 잘 분화되지 않은 갑상선 암종; FTC = 여포성 갑상선 암종. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
재발성 및 전이성 분화 갑상선암(DTC)의 경우 여전히 수술적 치료가 선호된다17. DTC 및 R0 절제술 환자의 5년 질환별 생존율은 94.4%로 R1 절제술 환자(67.9%)보다 현저히 높습니다2. 목의 질병 조절은 환자의 삶의 질과 질병별 생존율을 높이는 데 매우 중요하다4. 갑상선 수질암은 주로 수술로 치료합니다. 따라서 완전 종양 절제술은 분화 갑상선암과 수질암에서 매우 중요하다18.
호흡곤란, 객혈과 같은 명백한 증상이 있어 완전한 절제가 불가능한 환자의 경우, 국소 완화 수술은 후속 치료를 위한 최적의 조건을 제공할 수 있다12. 따라서 갑상선암이 국소적으로 광범위하게 침윤된 경우 수술이 가치가 있습니다. 그러나 기관, 식도, 총경동맥 등과 같은 목의 몇 가지 중요한 구조물의 침범은 완전한 종양 제거 가능성을 결정합니다. 이는 치료 계획과 수술 후 삶의 질에 대한 적절한 수술 전 평가를 가능하게 하는 것으로 간주될 수 있습니다. 수술 후 치료에 앞서 잔여 종양의 가능성에 대한 수술 전 평가도 종양 조절에 도움이 된다5.
현재 목의 국소 진행성 갑상선암은 일반적으로 컬러 초음파, CT 및 MRI를 사용하여 평가하며, 섬유후두경 검사와 식도 내시경을 병행하여 후두, 기관, 식도의 내강 침범 정도를 평가한다5. 컬러 초음파, CT 및 MRI는 종양 부피와 침습을 시각화하는 데 한계가 있는 2D 이미지를 생성합니다. 이러한 2D 이미지를 평가하려면 광범위한 임상 교육과 기술이 필요합니다. 이러한 이미지가 전문 영상 의사와 숙련된 외과의에 의해 평가되는 경우에도 한계와 불확실성이 남아 있습니다.
최근 디지털 3D 시각화의 개발은 의학에서 활발히 채택되고 있으며, 3D 시각화는 현재 간담낭결석, 담낭암, 췌장두암, 후복막 종양10,19에 널리 사용되고 있습니다. 기존의 2D 이미지와 비교했을 때, 종양 조직과 장기를 드러내기 위해 회전 및 선택적 투명도를 사용하여 3D 모델을 종합적으로 검토하면 종양과 주변 조직 간의 관계를 더 잘 이해할 수 있습니다. 이러한 3D 모델을 사용하여 수술 계획을 수립하고 연습할 수 있으므로 수술 중 출혈을 줄이고 수술 전 준비를 가속화하며 개별화된 치료를 제공할 수 있습니다.
수술 전 3D 모델은 수술 중 조직 절제의 범위, 가능한 잔여 종양 및 수술 후 가능한 장기 기능을 명확하게 정의하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 의사와 환자 간의 의사 소통에 유리할 뿐만 아니라 환자의 최상의 예후와 삶의 질을 보장하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 호흡곤란은 국소 진행성 갑상선암 환자에게 흔한 증상입니다. 호흡곤란과 재발성 후두 신경, 후두 및 기관의 종양 침범의 관계는 수술 전에 평가해야 합니다4. 침습 정도의 차이에 따라 기관절개술과 영구기관절개술이 필요한지 여부가 결정될 수 있다6. 다양한 수술은 환자의 수술 후 발음, 목소리의 질, 호흡 스타일에 직접적인 영향을 미친다20. 종양 경계에 대한 정확한 수술 전 평가는 완전한 종양 절제를 보장하면서 언어 및 호흡 기능을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다. CT 또는 MRI는 기도 벽 침범의 깊이를 효과적으로 판단하는 데 사용할 수 없기 때문에 3D 모델은 이러한 영상 양식에 대한 좋은 보완 도구입니다. 총경동맥 손상은 사망에 이를 수도 있습니다. 3D 모델은 종양과 혈관 사이의 관계를 보여줄 수 있습니다. 이 관계를 바탕으로 수술을 중단하거나 인공 혈관을 준비할 수 있습니다.
국소 진행성 갑상선암에서 3D 시각화는 몇 가지 장점이 있습니다. 수술 후 기관과 뼈 수리가 필요한 환자의 경우 3D 모델은 수술 전 수술 시뮬레이션, 수술 중 수술 가이드 플레이트 제작 및 수술 후 수리 계획 수립에 유용합니다. 또한 3D 시각화는 하이브리드 가상 현실 및 기타 수술 중 실시간 탐색 기술과 함께 사용할 수 있으므로 3D 모델을 환자의 실제 해부학과 겹칠 수 있습니다.
3D 시각화 기술은 유망한 임상 결과를 보여주고 있지만 몇 가지 한계가 극복해야 합니다. 3D 모델링의 예상 비용은 약 US $410입니다. 소프트웨어 회사마다 약간 다른 수수료를 부과할 수 있으며, 이는 환자의 비용을 증가시킵니다. 또한 3D 모델링에는 학습 곡선이 있습니다. 현재 3D 시각화는 CT, MRI, 컬러 초음파와 같은 2D 기술에서 얻은 데이터를 기반으로 합니다. 종양과 주변 조직 간의 대비가 부적절하면 경계 이미지가 충분히 정확하지 않을 수 있으며 일부 작은 구조가 명확하게 표시되지 않을 수 있습니다.
결론적으로 3D 시각화 기술은 국소 진행성 갑상선암의 진단 및 치료, 종양 절제 가능성 및 침습 범위 평가, 절제 및 복구 계획, 환자의 잠재적 기능 손상 평가에 유용합니다. 이 기술은 환자가 자신의 상태와 관련 수술 위험 및 예후를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 초기 경력에서 의사의 학습 곡선을 단축할 수 있습니다. 그러나 이번 연구의 표본 크기가 작아 장기 추적 결과가 부족하다. 임상 응용 분야에서 3D 시각화 기술의 한계를 해결하려면 추가 연구가 필요합니다.
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Disclosures
저자는 공개할 것이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 인정하지 않습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Brilliance 256-layer spiral CT system | Philips Healthcare, Andover, MA, USA | N/A | Used for plain and enhanced CT imaging |
| 3D-Matic digital medical software application | Anhui King Star Digital S&T Co. Ltd. | N/A | Used for computer-aided 3D visualization reconstruction |
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