Summary
在诊断和治疗局部晚期甲状腺癌时，计算机辅助三维重建的应用可以提供有关肿瘤范围和解剖特征的额外信息，从而协助风险评估和手术计划。
Abstract
局部晚期甲状腺癌的诊断和治疗具有挑战性。挑战在于肿瘤范围的评估和个体化治疗计划的制定。三维（3D）可视化在医学领域有着广泛的应用，尽管在甲状腺癌中的应用有限。我们之前将 3D 可视化应用于甲状腺癌的诊断和治疗。通过数据收集、3D建模和术前评估，我们可以获得有关肿瘤轮廓的3D信息，确定肿瘤浸润的程度，并进行充分的术前准备和手术风险评估。本研究旨在证明 3D 可视化在局部晚期甲状腺癌中的可行性。计算机辅助三维可视化是准确的术前评估、开发手术方法、缩短手术时间、降低手术风险的有效方法。此外，它还有助于医学教育和医患沟通。我们相信，3D可视化技术的应用可以改善局部晚期甲状腺癌患者的预后和生活质量。
Introduction
甲状腺癌是中国第七大常见恶性肿瘤1，手术是最重要的治疗方法2,3。肿瘤完全切除与局部晚期甲状腺癌患者的高生存率和良好的生活质量密切相关 3,4;然而，这种类型的切除术具有挑战性。颈部包含重要的器官和组织，如气管、食道和颈总动脉。晚期甲状腺癌的切除风险更大，难度更大，因为这些肿瘤靠近颈部和纵隔的重要器官和大血管5,6。因此，充分的术前评估是必要的。
目前，在临床环境中广泛使用的计算机断层扫描 （CT）、磁共振 （MRI） 和彩色多普勒超声提供了二维 （2D） 视图，这限制了对肿瘤体积、边界以及与重要周围结构的关系的评估 7,8。在外科医生将 2D 图像转换为 3D 空间之前，需要丰富的临床经验和有效的试错。计算机辅助3D可视化可以利用2D成像创建更直观的3D模型，可用于术前规划和治疗方案选择，从而使医患沟通更加直观，减少医患分歧。尽管该模型提供了 3D 可视化，但它是无形的。这种 3D 引导的术前评估和准备可以缩短手术时间并降低手术风险。3D 方法已广泛用于肝胆外科、骨科以及口腔颌面外科 9,10。在甲状腺癌中，3D可视化目前用于辅助超声诊断和手术计划的制定11,12,13,14,15。
因此，我们认为3D可视化可以方便地应用于局部晚期甲状腺癌的诊断和治疗。这种可视化方法包括 CT 采集、计算机辅助 3D 建模和使用 3D 模型的术前评估。3D 模型可用于确定手术难度、手术风险和潜在的术后功能状态。外科医生可以进行详细的医患沟通、制定手术计划以及相应的手术准备16.此外，这种方法可以在不增加患者创伤的情况下对患者进行充分的术前评估，降低手术风险并提高患者满意度。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
本研究方案经四川省肿瘤医院伦理委员会批准（批准日期：2019年9月27日）。所有涉及人类参与者的程序都是根据机构和国家研究委员会的道德标准以及 1964 年赫尔辛基宣言及其后来的修正案进行的。术前获得所有患者的书面知情同意书。
1. 纳入和排除标准
- 如果出现以下情况，则纳入患者：（1） 他们患有经病理证实的甲状腺癌并需要手术治疗;（2）局部肿瘤浸润广泛，如T3-T4（美国癌症联合委员会TNM分期，第八版），或转移性病灶侵犯气管、食管、大血管等重要结构;（3）他们及其家庭成员自愿参加计算机辅助三维可视化;（4）他们没有麻醉禁忌症。
- 如果患者未接受手术治疗，则将其排除在外。
2. 影像采集
- 使用 256 层螺旋 CT 系统获得患者的平片和增强 CT（包括静脉期和动脉期）图像。扫描参数如下：120 kV、120 mA、512 x 512 矩阵、0.625 mm 层厚、150 HU 阈值和 10-20 s 动脉扫描延迟。
- 以DICOM格式从CT系统获取扫描数据。
3. 计算机辅助3D建模
- 将数据导入3D可视化软件（图1A）。
- 单击 “打开 ”按钮以选择包含DICOM格式的患者数据的文档。将数据导入软件。
- 如果原始数据包含大量图像噪声，则处理数据以进行高斯平滑（图1B）。用鼠标右键单击数据，然后单击 “高斯平滑” 按钮。
- 分别重建目标区域（胸部和颈部）的不同结构。
- 根据要重建的结构，在软件中选择 不同的模型 （例如，皮肤和骨骼）（图2A）。
- 根据CT上的重建结构设置 颜色， 最大阈值和 最小阈值 （图2B）。为骨骼和皮肤设置不同的阈值。根据观察到的预览效果调整上限和下限阈值（图2C）。
- 单击 “计算 ”按钮以完成初步的3D模型重建（图2D）。
- 修改分段数据。
- 获得血管、皮肤和骨骼等结构的分割数据后（图3A-C），使用“平滑算法”按钮优化分割数据，并确保重建的锯齿边缘与真实组织相匹配。
- 然后，使用 一键导航 按钮定位2D和3D图像（图3D），并确定分割效果是否准确。使用 钢 笔或 画笔 工具修复不正确的图层（图3E）。
注：3D建模是在获得所有结构的分割数据后实现的。
4.术前评估
- 查看 3D 模型，并使用放大、旋转、组织透明度和分离功能以及各种结构的组合密切关注肿瘤体积和位置以及肿瘤与邻近组织之间的关系。例如，观察颈总动脉、食管和气管中肿瘤的浸润程度。
- 根据3D模型评估确定手术切除范围、切除后功能障碍程度、术后辅助治疗方案。实施有效和直观的医患沟通，以满足患者的期望并解释外科医生的治疗计划。
5. 手术
- 根据术前计划和术中观察肿瘤和受影响的重要器官切除肿瘤。
- 在没有修复计划的情况下，进行术中标记的术后辅助治疗的肿瘤缩小手术。
- 修复切除引起的缺损，并根据手术计划和术中情况进行必要的功能重建。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
2017 年 12 月至 2021 年 7 月，23 例局部晚期甲状腺癌患者接受了 3D 建模。在这 23 例患者中，4 例因手术风险而被排除在手术之外，其余 19 例患者在 3D 建模后接受手术治疗（表 1）。所有 19 例患者均患有局部晚期甲状腺癌，其中 14 例为初始诊断，16 例为不同程度的呼吸困难，18 例为颈部大肿瘤（原发性甲状腺肿瘤或转移性淋巴结）已侵入周围组织。术后病理评估显示，11例患者为分化型甲状腺癌，2例为甲状腺髓样癌，5例为未分化或低分化甲状腺癌，1例为甲状腺状癌伴朗格汉斯细胞组织细胞增生症。术前使用3D建模促进了高效的医患沟通。所有手术均顺利完成，术后恢复顺利，无围手术期死亡。
正如下一节的病例报告所述，在确定肿瘤与血管、气管和食管之间的关系方面，3D 模型与术前 CT 和术中观察相比具有明显的优势。此外，它还提供有关肿瘤侵袭的存在和范围的准确信息。
案例展示
一名 50 岁男性因右锁骨上窝肿块入院 1 个月，术前穿刺活检细胞学分析提示甲状腺状癌。CT血管造影提示胸骨上窝、纵隔上部和右侧颈根多发淋巴结融合;右头臂静脉和右颈内静脉下段与肿瘤的包裹;右颈内静脉局部狭窄;右锁骨下动脉移位和局部狭窄;右颈总动脉与肿瘤相邻，胸膜从该点向下受累。
考虑到肿瘤涉及的大量血管，该患者选择开始靶向治疗（盐酸安罗替尼）。7个周期靶向治疗后CT血管造影复查发现，与基线相比，胸骨上颅窝和右侧颈根纵隔上部多发融合淋巴结变小;右锁骨下动脉和右颈总动脉与肿瘤之间的空间略大（图4）;右头臂静脉粘连减弱。
利用 CT 数据，手术团队完成了计算机辅助 3D 建模（图 5）。3D模型的多维评估显示，肿瘤已经侵入了右颈内静脉，必须切除，并且需要切除右侧锁骨下静脉的一部分壁， 并通过 直接缝合保持通畅。未观察到肿瘤侵犯右颈总动脉或头臂干。靶向治疗后，右侧锁骨下动脉仍然移位并显示持续的肿瘤浸润，这意味着该动脉有术中损伤的风险。确定可以进行术中血管壁修复或自体血管重建。未观察到明显的气管或食管侵犯。
经过充分的术前沟通，包括关于术中大量出血和右上肢功能障碍的可能性，患者同意接受手术。术中切除右颈内静脉，切除部分右头臂静脉壁;侧壁随后被修复。术中，右锁骨下动脉破裂，并使用右颈内静脉进行桥接修复（图6）。
术后病理学提示状癌伴淋巴结转移（T3bN1bM0，I 期），使患者处于复发的高风险中。建议术后促甲状腺激素抑制和放射性碘治疗。约1个月后，右上肢术后肿胀消退，右锁骨下动脉通畅。
图 1：导入数据。 （A） 通过单击 “打开 ”按钮（红色箭头），将 DICOM 文件格式的数据导入 3D 可视化软件。（B） 如果原始数据包含大量图像噪声，则在软件的右侧菜单中进行处理以进行高斯平滑（红色箭头）。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 2：软件重构。 （A） 选择将通过软件重构模块的阈值算法进行重构的部分。（B） 设置了最大阈值和最小阈值（在红色框中），以及颜色（黄色箭头）。（C） 调整上限和下限阈值（在红框中）。（D） 单击“计算”按钮（红色箭头）以完成初步的 3D 模型重建。请点击这里查看此图的较大版本.
图3.手动校正。（空调）获得结构的分割数据，包括（A）血管、（B）皮肤和（C）骨骼。（D） 一键导航按钮（在红色框中）用于定位 2D 和 3D 图像（黄色箭头）。（E）检查分割效果的准确性。此外，钢笔或画笔（黄色箭头）工具用于更正不正确的图层。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4：样本病例的 CT 图像。 CT 显示右锁骨下动脉（红色箭头）可能被肿瘤包裹。 请点击这里查看此图的较大版本.
图5：术前评估。 （A，B） 3D 模型显示肿瘤包裹在右颈内静脉（黑色箭头）并侵入右侧头臂静脉壁（白色箭头）。（C）右锁骨下动脉仍然被肿瘤侵犯（由图5C中的黑色三角形符号表示）;右颈总动脉或头臂干无肿瘤侵犯。请点击这里查看此图的较大版本.
图 6：手术。 （A）右颈总动脉（黑色箭头）受到良好保护，而右颈内静脉和锁骨下动脉（黑色三角形）被肿瘤侵犯（黑框）。（B）术中切除右颈内静脉，切除部分右头臂静脉壁。完成右锁骨下动脉袖状切除术（白色箭头）。（C） 使用右颈内静脉进行桥接修复（白色三角形），而使用迷走神经修复右侧喉返神经（白色箭头）。 请点击这里查看此图的较大版本.
表 1：接受 3D 可视化的 19 名患者的人口统计学和临床数据。 缩写：3D=三维;PTC = 甲状腺状癌;SCC = 鳞状细胞癌;MTC = 甲状腺髓样癌;PDTC = 低分化甲状腺癌;FTC = 滤泡性甲状腺癌。 请按此下载此表格。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
对于复发性和转移性分化型甲状腺癌 （DTC），手术治疗仍是首选17.DTC 和 R0 切除术患者的 5 年疾病特异性生存率为 94.4%，显著高于 R1 切除术患者的 67.9 %2。实现颈部疾病控制对于提高患者的生活质量和疾病特异性生存率至关重要4.甲状腺髓样癌主要通过手术治疗。因此，肿瘤完全切除在分化型甲状腺髓样癌18中具有重要意义。
对于有明显症状的患者，如呼吸困难和咯血，无法完全切除，局部姑息性手术可以为后续治疗创造最佳条件12。因此，手术在甲状腺癌广泛局部浸润的情况下具有价值。然而，颈部几个重要结构的侵袭，如气管、食管、颈总动脉等，决定了肿瘤完全切除的可能性;随后可以考虑对治疗计划和术后生活质量进行充分的术前评估。在术后治疗前对残留肿瘤的可能性进行术前评估也有助于肿瘤控制5.
目前，颈部局部晚期甲状腺癌通常使用彩色超声、CT 和 MRI 进行评估，并辅以纤维喉镜检查和食管镜检查，以评估喉、气管和食管的腔内受累程度5。彩色超声、CT 和 MRI 产生 2D 图像，这些图像在肿瘤体积和侵袭的可视化方面受到限制。这些 2D 图像的评估需要广泛的临床培训和技能。即使由专业的成像医师和经验丰富的外科医生评估此类图像，仍然存在局限性和不确定性。
近年来，数字3D可视化技术在医学上得到了积极应用，3D可视化目前广泛应用于肝胆管结石、胆囊癌、胰头癌、腹膜后肿瘤等10,19。与传统的 2D 图像相比，使用旋转和选择性透明度来揭示肿瘤组织和器官的 3D 模型的全面回顾可以更好地了解肿瘤与周围组织之间的关系。使用这样的3D模型，可以制定和实践手术计划，从而减少术中出血，加速术前准备，并提供个体化治疗。
术前三维模型有助于明确术中组织切除的范围、任何可能的残留肿瘤以及可能的术后器官功能，有利于医患沟通，以及确保患者的最佳预后和生活质量。例如，呼吸困难是局部晚期甲状腺癌患者的常见症状。呼吸困难与喉返神经、喉和气管肿瘤侵犯的关系必须在术前评估4.浸润程度的差异可以决定是否需要气管切开术和永久性气管切开术6.不同的手术直接影响患者的术后发音、音质和呼吸方式20.对肿瘤边界的准确术前评估有助于保护言语和呼吸功能，同时确保肿瘤完全切除。由于 CT 或 MRI 不能有效判断气道壁浸润的深度，因此 3D 模型是这些成像方式的良好补充工具。颈总动脉损伤甚至会导致死亡。3D模型可以证明肿瘤和血管之间的关系。基于这种关系，可以暂停手术，也可以准备人造血管。
在局部晚期甲状腺癌中，3D 可视化有几个优点。对于需要术后修复气管和骨骼的患者，三维模型可用于术前手术模拟、术中手术导板制作和术后修复方案的制定。此外，3D可视化可以与混合虚拟现实和其他技术一起使用，用于实时术中导航，从而允许3D模型与患者的实际解剖结构重叠。
尽管3D可视化技术显示出有希望的临床结果，但仍有一些局限性有待克服。3D 建模的估计成本约为 410 美元。不同的软件公司收取的费用可能略有不同，这增加了患者的成本。此外，3D 建模中还有一个学习曲线。目前，3D 可视化基于从 CT、MRI 和彩色超声等 2D 技术获得的数据。当肿瘤与周围组织之间的对比度不足时，边界图像可能不够准确，并且可能无法清晰显示一些小结构。
综上所述，三维可视化技术在局部晚期甲状腺癌的诊治、肿瘤可切除性和侵袭范围的评估、切除修复的规划、患者潜在功能损伤的评估等方面具有重要价值。这项技术可以帮助患者了解他们的病情以及相关的手术风险和预后。此外，它可以缩短医生早期职业生涯的学习曲线。然而，本研究中的样本量较小，缺乏长期随访结果。为了解决3D可视化技术在临床应用中的局限性，有必要进行进一步的研究。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者没有致谢。
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 |
References
- Zheng, R., et al. Cancer incidence and mortality in China, 2016. Journal of the National Cancer Center. 2 (1), 1-9 (2022).
- Haugen, B. R., et al. 2015 American thyroid association management guidelines for adult patients with thyroid nodules and differentiated thyroid cancer: The American thyroid association guidelines task force on thyroid nodules and differentiated thyroid cancer. Thyroid. 26 (1), 1 (2016).
- Haddad, R. I., et al. Thyroid carcinoma, Version 2.2022, NCCN Clinical practice guidelines in oncology. Journal of the National Comprehensive Cancer Network: JNCCN. 20 (8), 925-951 (2022).
- Wang, L. Y., et al. Operative management of locally advanced, differentiated thyroid cancer. Surgery. 160 (3), 738-746 (2016).
- Shindo, M. L., et al. Management of invasive well-differentiated thyroid cancer: an American Head and Neck Society Consensus Statement. AHNS Consensus Statement. Head & Neck. 36 (10), 1379-1390 (2014).
- Li, X., Song, Q. Principles and strategies in surgical management of differentiated thyroid cancer invading upper areodigestive tracts. Chinese Journal of Otorhinolaryngology. Head and Neck Surgery. 52 (06), 478-480 (2017).
- Yamanaka, J., Saito, S., Fujimoto, J. Impact of preoperative planning using virtual segmental volumetry on liver resection for hepatocellular carcinoma. World Journal of Surgery. 31 (6), 1251-1257 (2007).
- Fang, C., et al. Efficacy of three dimensional visualization technique assisted hepatectomy for the treatment of primary liver cancer. Chinese Journal of Surgery. 53 (8), 574-579 (2015).
- Gong, Y., Mao, X., Yang, B., Jiang, Q., Yin, B. Application progress of digital medicine in orthopedic surgery. Chinese Journal of Joint Surgery (Electronic Edition). 2, 266-270 (2018).
- Study Group of Pancreatic Surgery in Chinese Society of Surgery of Chinese Medical Association, Pancreatic Committee of Chinese Research Hospital Association, Digital Medicine Branch of Chinese Medical Association, Digital Medicine Committee of Chinese Research Hospital Association. Expert consensus of precise diagnosis and treatment for pancreatic head cancer using three-dimensional visualization technology. Chinese Journal of Surgery. 55 (12), 881-886 (2017).
- Lyshchik, A., Drozd, V., Reiners, C. Accuracy of three-dimensional ultrasound for thyroid volume measurement in children and adolescents. Thyroid. 14 (2), 113-120 (2004).
- Yi, Y. S., et al. Comparison of two- and three-dimensional sonography for the prediction of the extrathyroidal extension of papillary thyroid carcinomas. Korean Journal of Internal Medicine. 31 (2), 313-322 (2016).
- Han, R. J., et al. Comparisons and combined application of two-dimensional and three-dimensional real-time shear wave elastography in diagnosis of thyroid nodules. Journal of Cancer. 10 (9), 1975-1984 (2019).
- Cai, N., et al. Application of thyroid three-dimensional reconstruction for endoscopic thyroidectomy. Journal of Laparoscopic Surgery. 17 (6), 408-411 (2012).
- Chen, Y. B., et al. Application of computer-aided design (CAD) and three-dimensional (3D) visualization technologies in the diagnosis and treatment of refractory thyroid tumors. Cancer Management and Research. 12, 6887-6894 (2020).
- Zanon, M., et al. Three-dimensional virtual planning for nodule resection in solid organs: A systematic review and meta-analysis. Surgical Oncology. 38, 101598 (2021).
- Chinese Society of Clinical Oncology (CSCO) diagnosis and treatment guidelines for persistent/recurrent and metastatic differentiated thyroid cancer working group. Chinese Society of Clinical Oncology (CSCO) diagnosis and treatment guidelines for persistent/recurrent and metastatic differentiated thyroid cancer 2018 (English version). Chinese Journal of Cancer Research. 31 (1), 99-116 (2019).
- Chinese Thyroid Association, Chinese College of Surgeons, Chinese Medical Doctor Association, the Society of Thyroid Cancer of China Anti-Cancer Association, Chinese Research Hospital Association Thyroid Disease Committee. Expert consensus on the diagnosis and treatment of medullary thyroid carcinoma (2020 edition). Chinese Journal of Practical Surgery. 40 (9), 2012 (2020).
- Chinese Society of Digital Medicine, Liver Cancer Committee of Chinese Medical Doctor Association, Clinical Precision Medicine Committee of Chinese Medical Doctor Association, Digital Intelligent Surgery Committee of Chinese Research Hospital Association. Clinical practice guidelines for precision diagnosis and treatment of complex liver tumor guided by three-dimensional visualization technology (version 2019). Journal of South Medical University. 40 (3), 297-307 (2020).
- Scharpf, J., et al. Comprehensive management of recurrent thyroid cancer: An American Head and Neck Society consensus statement: AHNS consensus statement. Head & Neck. 38 (12), 1862-1869 (2016).
