使用 3D 扫描和映射增强肿瘤边缘的通信

Summary

提出了一种新的癌症切除三维扫描和虚拟映射方法，旨在改善多学科癌症治疗团队之间的沟通。

Abstract

恶性肿瘤切除后，将标本送往病理学进行处理，以确定手术切缘状态。这些结果以书面病理报告的形式传达。目前的标准护理病理学报告提供了标本和边缘取样部位的书面描述，而没有切除组织的任何视觉表示。试样本身通常在切片和分析过程中被破坏。当最终病理报告得到确认时，这通常会导致病理学家和外科医生之间的沟通具有挑战性。此外，外科医生和病理学家是多学科癌症护理团队中唯一能够对切除的癌症标本进行可视化的成员。我们开发了一种3D扫描和标本映射协议，以解决这一未满足的需求。计算机辅助设计 （CAD） 软件用于对虚拟标本进行注释，清楚地显示墨迹和边缘取样的部位。多学科癌症护理团队的各个成员都可以使用该地图。

Introduction

肿瘤切除术的目标是完全切除癌症，手术切缘在显微镜下清除肿瘤细胞。在头颈癌中，手术切缘状态是最重要的病理危险因素¹。手术切缘阳性会使 5 年局部复发和全因死亡率的风险增加 >90%²。尽管近年来医疗技术和外科技术取得了进步，但头颈癌的阳性切缘率仍然很高³。对于局部晚期口腔癌，美国的阳性切缘率为 18.1%⁴。

对于头颈外科医生来说，为了确保完全的肿瘤切除，同时最大限度地减少对周围结构的破坏，通过冷冻切片分析（FSA）进行术中切缘取样。FSA 提供快速的术中病理学咨询，该咨询被广泛使用，是护理标准 5,6,7,8,9。将新鲜组织冷冻，切成薄片，放在载玻片上，并在患者仍处于麻醉状态时进行染色，以便立即进行解释。

头颈部肿瘤标本在准确评估切缘状态方面存在一些明显的挑战，包括头颈部癌症标本的解剖复杂性、头颈部区域广泛切除的最小储备，因为靠近重要结构，如眼睛、面部、重要的神经和脉管系统，以及切除标本中经常存在的多种组织类型（即 粘膜、软骨、肌肉、骨骼）^10,11。因此，基于标本的边缘分析方法需要加强外科医生和病理学家之间的沟通水平¹²。通常需要面对面的对话，以确保正确的标本方向和有关边缘的讨论。然而，这并不总是安全或可行的，因为它需要外科医生在患者处于全身麻醉状态时离开手术室 （OR），或者病理学家离开大体病理学实验室，从而中断他们的工作流程。此外，手术室和病理学实验室之间可能有很长的旅行时间，或者在某些情况下，病理学实验室可能完全不在现场。

FSA 后，将肿瘤标本固定在福尔马林中，并通过墨迹、切片和边缘取样进行正式处理。病理学家创建载玻片并在显微镜下进行解释，以创建最终的病理报告。对于复杂的头颈癌切除术，这通常需要 1-2 周。不幸的是，标本的处理通常会导致切除的癌症标本被破坏。这可能会造成进一步的混乱，因为最终的病理报告、多学科肿瘤委员会的讨论、辅助放射治疗计划以及在切缘阳性的情况下进行再切除，都必须在没有肿瘤标本及其病理处理的视觉记录的情况下进行。

为了解决这一临床未满足的需求，我们开发了一种 3D 扫描和标本映射协议，以加强外科医生、病理学家和多学科癌症护理团队其他成员之间的沟通。

Protocol

该协议在范德比尔特大学医学中心根据 IRB#221597 进行。患者在手术前书面同意对其手术标本进行 离体 3D 扫描和数字映射，并将扫描添加到 3D 标本模型生物存储库中。纳入标准是 18 岁及以上疑似或经活检证实的头颈部肿瘤接受手术切除的患者。3D标本图是根据外科医生和病理学家的偏好以及工作人员的可用性创建的。

该协议遵循范德比尔特大学医学中心机构审查委员会 （IRB#221597） 人类研究伦理委员会的指导方针。所有受试者在参与前都提供了书面知情同意书。所有患者数据均已去标识化。

1. 设置3D扫描仪

1. 确定可用于扫描仪设置的 3 x 2 英尺扁平工作站。确保工作站处于封闭扫描仪或房间内的灯已关闭的黑暗环境中。或者，在移动推车设置中执行 3D 扫描，如 图 1 所示。
2. 在平面工作站上设置三足相机三脚架。小心地将3D扫描相机放入三脚架中。将相机以 60° 角向下倾斜到工作站。
3. 将两段式电源线连接到外部电源和相机背面。
4. 将扫描仪转盘放在 3D 相机和三脚架设置前 1 英尺处。使用micro-USB电缆将转盘连接到相机。
5. 使用照相机转USB线将照相机连接到笔记本电脑。有关标记的设置，请参见 图 2 。
   注意: 如果笔记本电脑没有 USB 端口，则可能需要外部 USB 适配器。建议使用外接鼠标。
6. 关闭工作站中的灯，根据当前照明条件校准扫描仪。
7. 按住相机背面 的电源 按钮，直到出现蓝灯。
8. 在计算机桌面上打开3D捕获软件。将转盘置于摄像机投射的十字形中。
   注意: 在打开软件之前，请确保相机已开机且指示灯已熄灭。

2. 试样处理

1. 从手术团队获取切除的肿瘤标本。
2. 冲洗标本以去除切除中的任何血液或多余的凝块。轻轻拍干。
   注意:此步骤对于获得高质量扫描非常重要。当样本非常闪亮或表面有残留血液时，3D扫描仪很难采集数据。
3. 将试样放在平坦、干净的表面上。
4. 使用智能手机相机或数码相机，获得标本的高质量 2D 图像。获取标本前表面的一张照片。将试样翻转 180°，并获得试样后表面的第二张照片。

实体瘤 整体 切除术后的3. 3D扫描

1. 在3D扫描仪转盘上放置一张薄薄的塑料片，以保护目标点免受人体组织的侵害。将标本放在塑料片上，前表面朝上。
2. 单击笔记本电脑桌面上的3D扫描仪软件应用程序。
3. 单击屏幕右侧的 3D 扫描仪图标。单击" 新建工作 "按钮。
4. 使用易于理解的命名约定创建一个新文件夹。
   注意:命名约定建议:YYYY-MM-DD_SPECIMENTYPE
5. 单击 纹理扫描。将 打开的全局标记文件 部分留空。
6. 调整屏幕左侧菜单中的所有固定设置（图 3）。选择 HDR 关闭。选择"带转盘"的"开"选项。设置对齐模式 = 转盘编码目标，转盘步长 = 8，转盘速度 = 10，转盘匝数 = 一圈。
7. 通过向右滑动亮度滑块来调整 亮度 ，以最大限度地提高样品深色表面上的曝光（发红），如 图 3 所示。
   注意:尝试最大限度地暴露（发红）标本的深色部分（肌肉、软组织），而不会过度暴露（太红）标本的浅色部分（骨骼、牙齿）。
8. 单击右侧工具栏上标有"开始扫描"的三角形播放按钮，或按空格键开始第一轮扫描。等待平台完成所有八次旋转（~4 分钟）。在此步骤中，请勿触摸扫描仪或转盘。
9. 完成后，旋转扫描以查看屏幕上显示的绿点之外是否有任何扫描数据捕获或任何明显的伪影。满意后，单击编辑屏幕右侧的复选标记以继续进行扫描的下半部分。
   1. 如果发现任何伪影，请按 Shift 键并使用光标在预期扫描之外的伪影周围拖动一个圆圈。寻找出现在不需要的工件周围的红色圆圈。单击右侧工具栏上的 "删除数据 "按钮，该按钮由 垃圾桶图标指定。
10. 戴上手套，翻转试样以露出对面的表面。根据需要调整亮度，并保持所有其他设置相同。重复步骤 3.8-3.9。

4. 对齐和网格划分

1. 程序将尝试自动对齐试样。如果对齐准确（很少），请继续执行步骤 4.4。如果对齐方式不佳（请参阅注释），请继续执行步骤 4.2。
   注意:精确对准的特点是完全成型的试样，侧面没有任何间隙或重叠。黄色部分代表扫描的内部，最佳对齐显示尽可能少的黄色。
2. 对于手动对齐，请按右侧工具栏上拼图指示的对齐按钮。
3. 执行三点交叉配准，以几何方式对齐两个 3D 扫描。
   1. 单击一组扫描数据（组 1 和组 2）并将其拖动到每个对齐框中。将组 1 放在 "固定 "框中，将组 2 放在" 浮动 "框中。
   2. 使用 右键单击 功能旋转和定位两半，使一侧显示试样的外部（3D 扫描表面），另一半显示试样的内部（黄色）。调整两半的方向，使轮廓在叠加时创建相同的形状。使用鼠标 中间的滚动 按钮放大和缩小标本。
   3. 在每组扫描数据上识别三个清晰的地标，以选择作为两组数据上存在的对齐点。
      注意:在试样的边缘选择彼此大致等距的三个点。使用扫描的独特地形来选择这些点。
   4. 按 shift 键并 单击鼠标左 键，选择每组数据上三个对应对齐点中的第一个，如上所述。通过单击两个相应的点进行选择后，查找出现在所选相应位置的红点。重复此过程 2 次，并查找第二组选定对齐点出现的绿点和第三组对齐点的橙色点。
   5. 查找对齐结果以显示在两半下方的较大窗格中。如果扫描对齐良好（有关最佳对齐建议，请参阅第 4.1 节中的注释），请继续执行步骤 4.4。要重复对齐过程，请继续执行步骤 4.3.6。
   6. 要重新选择对齐点，只需按 Ctrl 键 + Z 键即可撤消以前的工作，或单击每个窗格右上角的 X 框并返回步骤 4.3.1。
   7. 执行这些步骤，直到对齐结果预览准确为止。
4. 选择右下角工具栏上的方形 "全局优化 "按钮。继续执行优化屏幕，每次出现提示时单击 "确认 "按钮。
5. 优化完成后，选择屏幕右下角的三角 形网格模型 按钮。
6. 出现提示时，选择 水密模型 选项。单击" 中等细节"选项。
   注意:高细节渲染需要更长的时间，并且在视觉上并不比中等细节好。
7. 出现提示时，使用屏幕左侧显示的滑块将 亮度 调整为 50 ， 对比度 调整为 0 。
8. 单击右下角工具栏上的 "保存扫描 "按钮。 将缩放比例 保持在 100%， 以保留试样的所有原始尺寸。
9. 将模型导出为 3MF 和 OBJ 文件格式，并将文件保存在扫描开始时创建的文件夹中。使用步骤 2.3 中概述的命名约定。

5. 清理

1. 戴上手套，从转盘上取下试样。将标本安全送回病理团队。
2. 取下塑料布并用湿巾消毒。将其放回包中。
3. 将扫描仪转盘和相机放回包装盒中各自的插槽中。确保用塑料袋或盒子保护相机。
4. 拔下所有电源线并将它们更换到包装盒中。
5. 用消毒湿巾清洁扫描区域。

6. 虚拟3D标本映射

1. 当标本准备好处理时，设置工作站与将要对标本进行检查的病理学团队成员一起工作。
   注意:利用滚动计算机支架以允许移动并促进与病理学团队的沟通是有帮助的。
2. 在工作站上设置笔记本电脑和外接鼠标。从笔记本电脑桌面打开计算机辅助设计软件，对 3D 模型进行虚拟注释。
3. 单击加号图标指示的"导入"按钮，然后从步骤 4.9 导入先前保存的原始扫描的 3mf 文件。
   注意: 本软件没有擦除功能;它只允许用户通过按 Ctrl Z 撤消先前的工作。请注意，一旦保存地图，用户就无法返回并更改或擦除标本上的标记。
4. 虚拟墨迹书写
   1. 在尺寸设置 15-30 上选择画笔工具以勾勒出每个墨迹区域的边框。使用调色板，使用软件油漆颜色与真实墨水颜色同时以图形方式表示每个墨迹表面。
   2. 在尺寸设置 35-45 上使用画笔工具，用相应的颜色填充每个墨迹部分。
   3. 与 prosector 确认所有墨面都是正确的，并记下钥匙每个墨面的解剖方向（前、后、内、外侧、深）。
5. 边距抽样
   1. 在尺寸设置 20-25 上使用画笔工具绘制垂直和剃须（正面）边距，使用颜色编码进行区分。
      注意:例如，使用白色表示垂直边缘，使用fuschia表示剃须边缘。
   2. 用与每个部分放置的暗盒相对应的数字或字母标记每个采样部分。
6. 平面切割
   1. 对于任何平面切割（即，面包完全切穿试样），请从左侧工具栏中选择 "平面切割"工具 。选择左上角工具栏中的" 保留两者 "。
   2. 绘制平面，完全按照前体执行的方式切开试样。确保切割正确无误，然后单击" 接受"。
7. 3D标本图完成和导出
   1. 与检察长确认，以验证已完成的 3D 标本图的准确性。修改任何差异并最终确定地图。
      注: 图4显示了已完成的标本图示。
   2. 在上方工具栏中，单击 "文件"|"保存 以保存标本图。单击 "文件"|"导出 | 选择。3mf 将文件导出为 .3mf 文件。

7. 创建可分发视频

1. 从笔记本电脑桌面打开演示软件。
2. 使用所映射标本的相应名称为幻灯片文件命名。
3. 插入标本拍摄的 2D 图像并将它们排列在载玻片的一侧。
4. 从顶部工具栏中选择 "插入 "。单击 橡皮鸭图标 ，然后选择 插入 3D 模型。
5. 导入步骤 4.9 中生成的原始扫描的 .3mf 文件和步骤 6.7.2 中生成的映射标本的 .3mf 文件。
6. 将 3D 模型与原始扫描和映射扫描并排排列。排列两个模型，使它们处于相同的方向/对齐方式并且大小相同。
7. 单击上方工具栏上的动画 | 选择模型 #1 | 选择添加动画 |转盘 |将持续时间更改为 10 秒 |选择单击时。
8. 选择 模型 #2 并重复步骤 6.8 进行映射扫描，但在最后一步中，选择 "使用上一个 "而不是 单击时。
9. 选择 型号 #1 并重复步骤 6.8，但选择 效果选项，将 转盘方向 更改为 向上，然后选择 上一个之后。
10. 选择 模型 #2 并重复步骤 7.9，但在最后一步中，选择 使用上一步。
11. 选择" 动画窗格 "，然后单击" 全部播放 "以检查扫描是否同时沿同一方向旋转。
12. 要创建可共享的视频，请单击 "文件"|"导出 |制作视频 |选择 "中等大小的文件 "以导出要通过电子邮件共享或集成到演示文稿中的.mp4视频。
    注意:最终视频的示例如 图 5 所示。

Results

从 2021 年 10 月到 2023 年 4 月，根据 2021 年 10 月至 2023 年 4 月，对 28 个头颈部肿瘤标本进行了 3D 扫描和虚拟映射。这些结果以前发表过¹³。大多数手术标本是鳞状细胞癌 （SCC） （86%，n = 24），最常见的解剖亚部位是口腔 （54%，n = 15） 和喉 （29%，n = 8）。

在所有情况下，在评估病理切片和分发最终病理报告之前，与主治外科医生和病理学家共享标本图。在 29% （n = 8） 的病例中，3D 标本图用于传达外科医生和病理学家之间的关注范围。 图 6 显示了使用 3D 标本图通过视频电话会议改善多学科护理沟通的情况。

记录了每个案件的最终保证金状况，并往往属于四类之一。（1）阳性切缘:切除标本中存在癌变，无需再切除。（2）切缘闭合:切除标本的切缘为阴性，但切缘在残留癌<5mm以内。（3）边缘不确定:在切除主标本之前或之后，将缺损的单独边缘标本送出...

Discussion

传统上，切除的癌症标本没有视觉表示。病理处理通常会破坏标本。先前的工作已经证明了对肿瘤标本进行 3D 扫描的可行性和实用性，然后对模型进行虚拟注释以创建代表病理处理的 3D 标本图^谱 13,14,15。这为多学科护理团队提供了癌症标本解剖结构、标本切片和边缘采样位置的视觉模型。

该协议中最关键的步骤是获得高质量的 3D 扫描，正确对齐扫描以复制 3D 解剖标本，并创建反映病理处理的精确 3D 标本图。可能需要进行特定的修改，以确保高质量的标本图。首先，照明非常重要。高质量 3D 扫描的最佳照明是昏暗/黑暗的房间。如果扫描质量不高，请尝试进一步调暗灯光或找到一个可以封闭的空间以创建黑暗环境。如果在最佳照明下捕获扫描数据仍有问题，请确保标本已彻底冲洗并拍干。扫描仪目标难以拾取有光泽/反光的表面。接下来，对准是一个关键步骤，它受标本每一侧的扫描采集的影响。在翻转试样以扫描第二面时，确保试样正好旋转 18...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
计算机辅助设计软件	MeshMixer		用于3D模型的虚拟注释软件
数码相机或照相手机	iPhone		可以使用iPhone相机或任何可用的数码相机
EinScan SP V2 Platinum 桌面 3D 扫描仪	闪亮的 3D		3D 扫描仪硬件
ExScan 软件;Solid Edge SHINING 3D 版	Shining 3D		3D 捕获软件
	Microsoft
笔记本电脑	Dell XP5	00355-60734-40310-AAOEM	笔记本电脑要求： USB：1次;USB 2.0 或 3.0;作系统： Win 7、8 或 10 （64 bit）; 显卡：Nvidia 系列;图形内存：>1 G; CPU：双核 i5 或更高版本;内存： >8 G
Microsoft 办公套件	Microsoft
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