计算机辅助三维可视化在局部晚期甲状腺癌治疗中的应用

摘要

在局部晚期甲状腺癌的诊断与治疗中，计算机辅助三维重建技术的应用可提供有关肿瘤范围和解剖特征的额外信息，从而有助于风险评估和手术规划。

摘要

局部晚期甲状腺癌的诊断和治疗具有挑战性，其难点主要在于对肿瘤范围的评估以及个体化治疗方案的制定。三维（3D）可视化技术在医学领域具有广泛的应用，但在甲状腺癌中的应用仍较为有限。我们此前已将3D可视化技术应用于甲状腺癌的诊断与治疗中。通过数据采集、三维建模和术前评估，可以获得肿瘤轮廓的三维信息，明确肿瘤侵犯范围，并进行充分的术前准备和手术风险评估。本研究旨在验证3D可视化技术在局部晚期甲状腺癌中的可行性。计算机辅助的3D可视化可作为准确术前评估、手术方案制定、缩短手术时间及降低手术风险的有效手段。此外，该技术还可促进医学教育和医患沟通。我们认为，3D可视化技术的应用有望改善局部晚期甲状腺癌患者的治疗效果和生活质量。

引言

甲状腺癌是中国第七大常见恶性肿瘤¹，而手术是最主要的治疗手段^2,3。对于局部进展期甲状腺癌患者，肿瘤的完整切除与较高的生存率和良好的生活质量密切相关^3,4；然而，此类切除手术具有较大挑战性。颈部包含气管、食管和颈总动脉等重要器官和组织。由于晚期甲状腺癌病灶常邻近颈部及纵隔的重要器官和大血管，其切除手术风险更高、难度更大^5,6。因此，充分的术前评估十分必要。

目前，临床广泛使用的计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和彩色多普勒超声检查仅能提供二维（2D）图像，这限制了对肿瘤体积、边界及其与周围重要结构关系的评估^7,8。外科医生需要具备丰富的临床经验，并经过大量反复尝试，才能将二维图像转化为三维空间认知。计算机辅助的三维可视化技术可利用二维影像构建更为直观的三维模型，用于术前规划和治疗方案选择，从而提升医患沟通的直观性，减少医患分歧。尽管该模型实现了三维可视化，但仍缺乏实体感。这种基于三维模型的术前评估与准备可缩短手术时间，降低手术风险。目前，三维可视化技术已在肝胆外科、骨科以及口腔颌面外科中得到广泛应用^9,10。在甲状腺癌领域，三维可视化技术目前主要用于辅助超声诊断及手术方案的制定^{11,12,13,14,15}。

因此，我们认为三维可视化技术可便捷地应用于局部晚期甲状腺癌的诊断与治疗。该可视化方法包括CT图像采集、计算机辅助三维建模以及利用三维模型进行术前评估。三维模型可用于判断手术难度、手术风险以及术后可能的功能状态。外科医生可据此开展详细的医患沟通、制定手术方案并进行相应的术前准备¹⁶。此外，该方法可为患者提供充分的术前评估，降低手术风险，提高患者满意度，且不会增加患者创伤。

方案

本研究方案已获得四川省肿瘤医院伦理委员会批准（批准日期：2019年9月27日）。所有涉及人类受试者的操作均遵循机构及国家科研伦理委员会的伦理标准，以及1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订版本的规定。所有患者在手术前均签署了书面知情同意书。

1. 纳入与排除标准

1. 如果患者符合以下条件，则纳入研究：（1）经病理确诊为甲状腺癌且需要接受手术治疗；（2）存在广泛的局部肿瘤浸润，例如T3-T4期（美国癌症联合委员会TNM分期第八版），或转移病灶已侵犯气管、食管及大血管等重要结构；（3）患者及其家属自愿接受计算机辅助三维可视化技术；（4）无麻醉禁忌证。
2. 若患者未接受手术治疗，则予以排除。

2. 成像采集

1. 使用256层螺旋CT系统获取患者的平扫及增强CT图像（包括静脉期和动脉期）。扫描参数如下：120 kV，120 mA，512 × 512矩阵，0.625 mm层厚，150 HU阈值，动脉期扫描延迟时间为10–20秒。
2. 以DICOM格式从CT系统中获取扫描数据。

3. 计算机辅助三维建模

1. 将数据导入3D可视化软件（图1A).
   1. 点击 打开 单击按钮以选择包含患者数据的 DICOM 格式文件。将数据导入软件中。
   2. 如果原始数据包含大量图像噪声，则对数据进行高斯平滑处理（图1B）。用鼠标右键选择数据，然后点击 高斯平滑 按钮。
2. 分别重建目标区域（胸部和颈部）内的不同结构。
   1. 选择 不同的模型 （例如皮肤和骨骼）在软件中根据需重建的结构进行划分图2A).
   2. 设置 颜色, 最大阈值，以及 最低阈值 根据CT重建结构图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).
   3. 点击 计算 按钮以完成初步的三维模型重建（图 2D).
3. 修改分割后的数据。
   1. 一旦获得了血管、皮肤和骨骼等结构的分割数据（图3A- C），使用 平滑算法 优化分割数据并确保重建的锯齿状边缘与真实组织相匹配的按钮。
   2. 然后，使用 一键导航 按钮以定位 2D 和 3D 图像（图3D），并确定分割效果是否准确。使用 笔 或 刷子 用于修正错误图层的工具（图 3E).
      ​注意：三维建模是在获取所有结构的分割数据后完成的。

4. 术前评估

1. 查看三维模型，结合使用放大、旋转、组织透明度和分离功能以及多种结构组合，仔细观察肿瘤体积、位置及其与邻近组织之间的关系。例如，观察肿瘤对颈总动脉、食管和气管的侵犯范围。
2. 根据三维模型评估结果确定手术切除范围、切除后功能损伤程度以及术后辅助治疗方案。通过有效且直观的医患沟通，满足患者的期望，并向其说明外科医生的治疗计划。

5. 手术

1. 根据术前计划以及术中对肿瘤及受累重要器官的观察结果，切除肿瘤。
2. 在无修复计划的情况下，进行术中标识的肿瘤减灭手术，以供术后辅助治疗使用。
3. 修复切除术后造成的缺损，并根据手术计划及术中情况，必要时进行功能重建。

结果

2017年12月至2021年7月期间，共有23例局部晚期甲状腺癌患者接受了三维建模。在这23例患者中，有4例因手术风险较高而被排除手术，其余19例患者在完成三维建模后接受了手术治疗（表1）。所有19例患者均为局部晚期甲状腺癌，其中14例为首次确诊，16例存在不同程度的呼吸困难，18例颈部存在侵犯周围组织的大肿块（原发性甲状腺肿瘤或转移性淋巴结）。术后病理学评估显示，11例为分化型甲状腺癌，2例为髓样甲状腺癌，5例为未分化或低分化甲状腺癌，1例为伴有朗格汉斯细胞组织细胞增生症的乳头状甲状腺癌。术前使用三维建模有助于医患之间高效沟通。所有手术均顺利完成，术后恢复均平稳，围手术期无死亡病例。

如下一小节中的病例报告所述，三维模型在确定肿瘤与血管、气管和食管之间关系方面，相较于术前CT和术中观察具有明显优势。此外，它还能提供关于肿瘤浸润是否存在及其范围的准确信息。

病例示例
一名50岁男性因右侧锁骨上窝肿块入院治疗1个月，术前穿刺活检的细胞学分析提示为甲状腺乳...

讨论

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患者在接受R0切除后，5年疾病特异性生存率为94.4%，显著高于R1切除患者的67.9%²。实现颈部病灶的有效控制，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。髓样甲状腺癌主要采用手术治疗。因此，完全切除肿瘤在分化型甲状腺癌和髓样甲状腺癌中均具有重要意义¹⁸。

对于呼吸困难和咯血等临床症状明显且无法完全切除肿瘤的患者，局部姑息性手术可为后续治疗创造有利条件¹²。因此，在甲状腺癌广泛局部浸润的情况下，手术仍具有治疗价值。然而，颈部多个重要结构（如气管、食管、颈总动脉等）是否受侵犯，决定了肿瘤能否被完全切除，进而影响术前治疗方案的合理制定以及术后生活质量的评估。术前对术后治疗前是否存在残留肿瘤的可能性进行评估，也有助于实现更好的肿瘤控制^...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Brilliance 256层螺旋CT系统	飞利浦医疗，安多弗，马萨诸塞州，美国	N/A	用于普通和增强CT成像
3D-Matic 数字化医疗软件应用	安徽金星数码&T 公司有限公司	N/A	用于计算机辅助的三维可视化重建