提出了一种用于癌症切除标本三维扫描和虚拟建模的新方法，旨在改善多学科癌症诊疗团队之间的沟通。
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摘要
摘要
恶性肿瘤经肿瘤切除术后，标本将被送至病理科进行处理，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报告仅提供标本的文字描述及切缘取样部位，但未对切除组织进行任何可视化呈现。标本本身通常在切片和分析过程中被破坏。当最终病理报告确认后，病理科医生与外科医生之间的沟通常面临困难。此外，在多学科癌症诊疗团队中，通常仅有外科医生和病理科医生能够观察到切除的癌症标本。我们已开发出一种三维扫描与标本绘图方案，以解决这一尚未满足的需求。通过使用计算机辅助设计（CAD）软件，可在虚拟标本上清晰标注染色部位及切缘取样位置。该图谱可供多学科癌症诊疗团队的各个成员使用。
引言
肿瘤切除术的目标是通过手术切缘在显微镜下无肿瘤细胞残留的情况下完全切除癌症组织。在头颈部肿瘤中，手术切缘状态是最重要的病理学危险因素1。阳性手术切缘会使5年局部复发风险和全因死亡率增加>90%2。尽管近年来在医疗技术和外科技术方面取得了进展，头颈部肿瘤的阳性切缘率仍然较高3。在美国，局部晚期口腔癌的阳性切缘率为18.1%4。
头颈部外科医生在确保完整切除肿瘤的同时，尽可能减少对周围结构的损伤，术中通过冰冻切片分析（FSA）对切缘进行取样评估。FSA 提供快速的术中病理学会诊，被广泛应用，并已成为标准诊疗手段5,6,7,8,9。新鲜组织被冷冻后切成薄片，置于玻片上并染色，以便在患者仍处于麻醉状态下立即进行判读。
头颈部肿瘤标本在准确评估切缘状态方面存在若干独特挑战，包括头颈部肿瘤标本解剖结构的复杂性、由于邻近眼睛、面部以及重要神经和血管等关键结构，导致无法进行广泛切除而切缘余量极小，以及切除标本中常包含多种组织类型（如黏膜、软骨、肌肉、骨骼）10,11。因此，基于标本的切缘分析需要外科医生与病理科医生之间加强沟通12。通常需要面对面交流，以确保标本正确方位并讨论可疑切缘。然而，这种做法并不总是安全或可行的，因为它要求外科医生在患者仍处于全身麻醉状态下离开手术室（OR），或病理科医生离开大体病理实验室，从而中断其工作流程。此外，手术室与病理实验室之间可能存在较长的往返时间，或在某些情况下，病理实验室可能完全位于院外。
在完成 FSA 后，肿瘤标本将用福尔马林固定，并经过染色、切片和切缘取样等标准处理流程。随后由病理医师制作切片并进行显微镜下评估，以出具最终的病理报告。对于复杂的头颈部癌症切除手术，这一过程通常需要 1 至 2 周。然而，标本处理过程通常会导致切除的肿瘤组织被破坏，从而带来进一步的困扰：由于缺乏对肿瘤标本及其病理处理过程的可视化记录，最终病理报告的解读、多学科肿瘤会诊讨论、辅助放疗方案的制定，以及在切缘阳性情况下是否需要再次手术切除等决策，都将面临挑战。
为解决这一临床未满足的需求，我们开发了一种三维扫描与标本定位技术方案，以加强外科医生、病理科医生及多学科肿瘤诊疗团队其他成员之间的沟通。
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方案
本方案在范德比尔特大学医学中心进行，伦理审查批号 IRB#221597。患者已签署书面知情同意书 ex 术前对患者进行活体三维扫描并对其手术标本进行数字建模，并将扫描数据加入三维标本模型生物样本库。纳入标准为年龄18岁及以上、疑似或经活检证实患有头颈部肿瘤并接受手术切除的患者。三维标本图谱的制作根据外科医生和病理科医生的偏好以及工作人员的可及性而定。
本方案遵循范德比尔特大学医学中心机构审查委员会（IRB#221597）的人类研究伦理准则。所有受试者在参与前均签署了书面知情同意书。所有患者数据均已去标识化。
1. 设置3D扫描仪
- 确定一个可用于扫描仪设置的 3 x 2 英尺平坦工作台。确保工作台处于光线较暗的环境中，扫描仪被封闭在内，或房间内的灯光已关闭。或者，可在如图1所示的移动推车装置内进行三维扫描。
- 将三脚架摄像机支架放置在平坦的工作台上。小心地将三维扫描相机安装到三脚架上，并将相机向下倾斜至与工作台呈60°角。
- 将两段式电源线连接至外部电源和相机背面。
- 将扫描仪转台放置在三维相机与三脚架装置前方1英尺处。使用微型USB线缆将转台连接至相机。
- 使用相机至USB线缆将相机连接至笔记本电脑。扫描系统连接示意图见图2。
注：若笔记本电脑无USB接口，可能需要使用外置USB适配器。建议使用外置鼠标。 - 关闭工作台区域的灯光，以便根据当前照明条件校准扫描仪。
- 按住相机背面的电源按钮，直至出现蓝光。
- 打开计算机桌面上的三维采集软件。将转台置于相机投射的十字线中心位置。
注：在打开软件前，请确保相机已通电且灯光已关闭。
2. 标本处理
- 从外科团队获取切除的肿瘤标本。
- 用清水冲洗标本，去除表面血液或多余血凝块。轻轻拍干。
注意：此步骤对于获得高质量扫描至关重要。若标本表面过于光亮或残留血液，3D 扫描仪将难以准确采集数据。 - 将标本放置于平坦、洁净的表面上。
- 使用智能手机或数码相机对标本拍摄高质量的二维图像。先拍摄标本的前表面一张照片；然后将标本精确翻转 180°，再拍摄其后表面的第二张照片。
3. 三维扫描后续步骤 整块 实体瘤切除术
- 在3D扫描仪转盘上放置一张薄塑料片，以保护靶点免受人体组织污染。将标本放置在塑料片上，确保前表面朝上。
- 点击笔记本电脑桌面上的3D扫描仪软件应用程序。
- 点击屏幕右侧的3D扫描仪图标，然后点击 新建任务 按钮。
- 创建一个新文件夹，使用易于理解的命名规范。
注：推荐命名规范：YYYY-MM-DD_标本类型 - 点击 纹理扫描。保持 打开全局标记文件 区域为空。
- 调整屏幕左侧菜单中的所有固定设置（图3）。选择HDR 关闭，为 使用转盘 选项选择 开启。设置 对齐模式 = 转盘编码靶点，转盘步数 = 8，转盘速度 = 10，以及 转盘转动 = 一圈。
- 通过将亮度滑块向右滑动，调整 亮度，以最大程度增强标本暗色区域的曝光（红色显示），如 图3 所示。
注：应尽量增强标本深色部分（如肌肉、软组织）的曝光（红色），同时避免浅色部分（如骨骼、牙齿）过度曝光（过红）。 - 点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。等待平台完成全部八次旋转（约4分钟）。此过程中请勿触碰扫描仪或转盘。
- 扫描完成后，旋转视图检查是否存在超出屏幕上绿色点范围的扫描数据或明显伪影。确认无误后，点击 编辑界面 右侧的 对勾 按钮，进入扫描的下一阶段。
- 如发现任何伪影，按住 Shift 键并使用光标在预期扫描范围外的伪影周围拖出一个圆圈。观察是否有红色圆圈出现在不需要的伪影周围。点击右侧工具栏中带有 垃圾桶图标 的 删除数据 按钮。
- 佩戴手套，将标本翻转以暴露另一表面。根据需要调整亮度，其余所有设置保持不变。重复步骤3.8–3.9。
4. 对齐与网格化
- 程序将尝试自动对齐样本。如果对齐准确（罕见情况），则进入步骤 4.4。如果对齐效果不佳（见注释），则继续执行步骤 4.2。
注释：准确的对齐表现为样本完整成形，侧面无任何间隙或重叠。黄色部分代表扫描的内部区域，最佳对齐状态下黄色区域应尽可能少。 - 进行手动对齐时，点击右侧工具栏中以拼图块图标表示的对齐按钮。
- 执行三点交叉配准，以在几何上对齐两个 3D 扫描数据。
- 将一组扫描数据（组 1 和组 2）分别拖入两个对齐框架中。将组 1 放入固定框，组 2 放入浮动框。
- 使用右键单击功能旋转并定位两个半部分，使其中一半显示样本外表面（3D 扫描表面），另一半显示样本内表面（黄色）。调整两个半部分的方向，使其轮廓在叠加时形状一致。使用鼠标中键滚轮对样本进行缩放。
- 在每组扫描数据上识别三个清晰的解剖标志点，作为两组数据共有的对齐点。
注释：选择三个在样本边缘大致等距分布的点。利用扫描数据独特的地形特征来确定这些点。 - 按住Shift键并左键单击，在每组数据中选择上述对应的三个对齐点。每次点击两个对应点后，观察所选位置是否出现红色圆点。重复此操作两次，第二次选择的对齐点应显示绿色圆点，第三次选择的对齐点应显示橙色圆点。
- 查看下方大面板中显示的对齐结果。如果扫描数据对齐良好（对齐建议参见第 4.1 节注释），则进入步骤 4.4。如需重新执行对齐操作，请进入步骤 4.3.6。
- 如需重新选择对齐点，可直接按Ctrl + Z撤销上一步操作，或点击每个面板右上角的X框，返回步骤 4.3.1。
- 重复上述步骤，直至对齐结果预览达到准确状态。
- 点击右下角工具栏中的方形全局优化按钮。按提示依次通过优化界面，每次出现提示时点击确认按钮。
- 优化完成后，点击屏幕右下角的三角形网格模型按钮。
- 提示时选择密封模型选项，并点击中等细节选项。
注释：高细节模式渲染耗时显著更长，但视觉效果并不优于中等细节模式。 - 根据提示，使用屏幕左侧出现的滑动条，将亮度调整为50，对比度调整为0。
- 点击右下角工具栏中的保存扫描按钮。将缩放比例保持在100%，以保留样本的所有原始尺寸。
- 将模型导出为 3MF 和 OBJ 文件格式，并保存至扫描开始时创建的文件夹中。文件命名方式遵循第 2.3 步中规定的命名规范。
5. 清理
- 佩戴手套，将标本从转盘上取下，并安全交还给病理团队。
- 取下塑料膜，并用消毒湿巾清洁，然后放回其收纳袋中。
- 将扫描仪转盘和相机放回箱内各自的卡槽中。确保相机已用塑料袋或盒子保护好。
- 拔掉所有线缆，并将其放回箱内。
- 使用消毒湿巾清洁扫描区域。
6. 虚拟三维标本映射
- 当标本准备就绪可进行处理时，设置工作站，以便与负责大体检查的病理团队成员协同工作。
注意：建议使用可移动的电脑支架，以提高灵活性，并便于与病理团队沟通。 - 将笔记本电脑和外接鼠标放置在工作台上。从笔记本电脑桌面打开计算机辅助设计软件，以对三维模型进行虚拟标注。
- 点击由加号图标指示的导入按钮，导入步骤 4.9 中已保存的原始扫描 3mf 文件。
注意：该软件没有擦除功能，仅允许通过按下Ctrl Z来撤销之前的操作。请注意，一旦保存了标本图谱，用户将无法返回修改或擦除已标注的标记。 - 虚拟染色
- 选择画笔工具，将大小设置为15–30，用于勾勒每个染色区域的边界。使用调色板，通过软件中的颜料颜色对每个染色面进行图形化表示，颜色应与实际使用的染色剂颜色一致。
- 将画笔工具的大小设置为35–45，用对应的颜色填充每个染色区域。
- 与大体解剖者确认所有染色面均正确无误，并记录每个染色面的解剖方位（前、后、内侧、外侧、深部），以便制作图例。
- 切缘取样
- 使用画笔工具，将大小设置为20–25，以颜色编码区分并绘制垂直切缘和刮片切缘（en face）示意图。
注意：例如，使用白色表示垂直切缘，品红色表示刮片切缘。 - 使用数字或字母对每个取样部分进行标记，编号需与该组织块所放入的包埋盒编号相对应。
- 使用画笔工具，将大小设置为20–25，以颜色编码区分并绘制垂直切缘和刮片切缘（en face）示意图。
- 平面切割
- 对于任何平面切割（即完全贯穿标本的面包片式切割），从左侧工具栏中选择平面切割工具，并在左上角工具栏中选择保留两侧。
- 按照大体解剖者的实际操作方式，在三维模型上绘制平面切割线。确认切割无误后，点击确认。
- 三维标本图谱的完成与导出
- 与大体解剖者核对，确认已完成的三维标本图谱的准确性。修正任何差异后，最终定稿。
注意：完整的标本图谱示例见图4。 - 在顶部工具栏中，点击文件 | 保存以保存标本图谱。点击文件 | 导出 |，选择.3mf格式，将文件导出为 .3mf 文件。
- 与大体解剖者核对，确认已完成的三维标本图谱的准确性。修正任何差异后，最终定稿。
7. 创建可分发的视频
- 从笔记本电脑桌面打开演示文稿软件。
- 使用已绘制的样本对应名称为幻灯片文件命名。
- 将拍摄的样本二维图像插入幻灯片的一侧并进行排列。
- 选择 插入 从顶部工具栏中。单击 橡皮鸭图标 并选择 插入3D模型.
- 导入第4.9步生成的原始扫描的.3mf文件以及第6.7.2步生成的映射样本的.3mf文件。
- 将3D模型与原始扫描和映射扫描并排排列。调整两个模型的方向/对齐方式，使其保持一致，并确保大小相同。
- 点击 动画 在上方工具栏上 | 选择 模型 #1 | 选择 添加动画 | 旋转台 | 更改 持续时间 到 10 s | 选择 单击时.
- 选择 模型 #2 并针对映射扫描重复步骤 6.8，但在最后一步时选择 此前 而不是 单击时.
- 选择 模型 #1 并重复步骤 6.8，但选择 效果选项，更换 转盘方向 到 向上，并选择 此前.
- 选择 模型 #2 并重复步骤 7.9，但在最后一步时选择 此前.
- 选择 动画窗格 并点击 播放全部 检查扫描是否同时同向旋转。
- 要创建可共享的视频，请点击 文件 | 导出 | 创建视频 | 选择 中等大小文件 导出为 .mp4 视频，以便通过电子邮件分享或嵌入演示文稿中。
注意：最终视频的示例如下所示 图5.
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结果
2021年10月至2023年4月期间，共对28例头颈部肿瘤标本进行了三维扫描，并根据本方案进行虚拟绘图。这些结果此前已发表13。大多数手术标本为鳞状细胞癌（SCC）（86%，n = 24），最常见的解剖亚部位为口腔（54%，n = 15）和喉部（29%，n = 8）。
在所有病例中，标本三维图谱均在病理切片评估及最终病理报告发布之前，共享给主诊外科医生和病理学家。在29%（n = 8）的病例中，三维标本图谱被用于外科医生与病理学家之间沟通可疑切缘情况。通过视频远程会诊利用三维标本图谱改善多学科诊疗沟通的示例见图6。
最终切缘状态针对每例病例进行记录，通常分为以下四类：（1）切缘阳性：切除标本中存在癌组织，且未进行再次切除；（2）切缘接近：切除标本切缘阴性，但切缘距离肿瘤小于 <残留癌组织5 mm。（3）不确定切缘：在主要标本切除前或切除后，已送检缺损区域的独立切缘标本，主要标本中存在癌组织，但无法明确这些独立切缘标...
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讨论
传统上，切除的癌症标本没有可视化的表现形式。病理学处理过程通常会破坏标本。先前的研究已证明，对肿瘤标本进行三维扫描，随后对模型进行虚拟标注以创建代表病理学处理过程的三维标本图谱，具有可行性和实用价值13,14,15。这为多学科诊疗团队提供了关于癌症标本解剖结构、标本切片方式以及切缘取样位置的可视化模型。
该方案中最关键的步骤是获取高质量的三维扫描图像，正确对齐扫描数据以准确复制三维解剖标本，并创建与病理处理过程相对应的精确三维标本图谱。为确保标本图谱的质量，可能需要进行一些特定的调整。首先，照明条件极为重要。进行高质量三维扫描的最佳照明环境是昏暗或黑暗的房间。如果扫描质量不佳，应尝试进一步调暗灯光，或寻找可封闭的空间以营造黑暗环境。若在理想照明条件下仍难以获取扫描数据，请确保标本已彻底冲洗并轻轻吸干表面水分。扫描仪的定位系统难以识别反光或高反射性的表面。其次，对齐是一个关键步骤，其效果受标本每一侧...
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披露
作者无任何需披露的竞争性财务利益。
致谢
本研究工作得到了范德堡临床肿瘤学研究职业发展项目（K12 NCI 2K12CA090625-22A1）、美国国立卫生研究院/国家耳聋及其他沟通障碍研究所（R25 DC020728）、范德堡-英格拉姆癌症中心支持基金（P30CA068485）以及“为美国而泳”基金会（Swim Across America）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 计算机辅助设计软件 | MeshMixer | 用于3D模型的虚拟标注软件 | |
| 数码相机或手机摄像头 | iPhone | 可使用iPhone摄像头或任何可用的数码相机 | |
| EinScan SP V2 Platinum 台式3D扫描仪 | Shining 3D | 3D扫描硬件设备 | |
| ExScan软件；Solid Edge SHINING 3D版 | Shining 3D | 随3D扫描仪购买附带的3D采集软件 | |
| 外接鼠标 | Microsoft | ||
| 笔记本电脑 | Dell XP5 | 00355-60734-40310-AAOEM | 笔记本电脑要求： USB接口：1个×USB 2.0或3.0；操作系统：Win 7、8或10（64位）； 显卡：Nvidia系列；显存：>1 G； CPU：双核i5或更高；内存：>8 G |
| Microsoft Office办公套件 | Microsoft | ||
| 移动演示推车 | Oklahoma Sound | PRC450 | |
| PowerPoint软件 | Microsoft Office | 演示文稿软件 | |
| 坐立两用移动桌车 | Seville Classics | ||
| USB-C设备转换器 | TRIPP-LITE | U442-DOCK3-B | 仅在笔记本电脑无USB接口时需要 |
参考文献
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