局所進行甲状腺癌の治療におけるコンピュータ支援3次元可視化

Summary

局所進行甲状腺がんの診断と治療において、コンピューター支援の3次元再構成を適用することで、腫瘍の範囲と解剖学的特徴に関する追加情報を提供し、それによってリスク評価と手術計画を支援することができます。

Abstract

局所進行甲状腺がんの診断と治療は困難である。課題は、腫瘍の範囲の評価と個別の治療計画の策定にあります。3次元(3D)ビジュアライゼーションは、甲状腺がんへの応用は限られていますが、医療分野では幅広い用途があります。私たちは以前、甲状腺がんの診断と治療に3Dビジュアライゼーションを適用しました。データ収集、3Dモデリング、術前評価により、腫瘍の輪郭に関する3D情報を取得し、腫瘍浸潤の程度を判断し、適切な術前準備と手術リスク評価を行うことができます。この研究は、局所進行甲状腺癌における3D視覚化の実現可能性を実証することを目的としていました。コンピュータ支援による3D可視化は、術前評価の精度向上、手術方法の開発、手術時間の短縮、手術リスクの低減に有効な方法です。さらに、医学教育や医師と患者のコミュニケーションにも貢献できます。3D可視化技術の応用により、局所進行甲状腺がん患者の転帰と生活の質を改善できると考えています。

Introduction

甲状腺がんは中国で7番目に多い悪性腫瘍^であり1、手術は最も重要な治療法^です2,3。腫瘍の完全切除は、局所進行甲状腺がん患者における高い生存率および良好な生活の質と強く関連している^3,4;しかし、このタイプの切除は困難である。頸部には、気管、食道、総頸動脈などの重要な臓器や組織があります。進行性甲状腺がんの切除は、そのような腫瘍が頸部および縦隔の重要な臓器および太い血管に近接していることを考えると、さらにリスクが高く困難である^5,6。したがって、適切な術前評価が必要です。

現在、臨床現場で広く用いられているコンピュータ断層撮影法(CT)、磁気共鳴法(MRI)、カラードップラー超音波検査法は、2次元(2D)の視野であり、腫瘍の体積、境界、および重要な周辺構造との関係の評価には限界がある^7,8。外科医が2D画像を3D空間に変換するには、十分な臨床経験と効率的な試行錯誤が必要です。コンピューター支援3Dビジュアライゼーションは、2Dイメージングを使用して、術前計画や治療計画の選択に使用できるより直感的な3Dモデルを作成できるため、医師と患者のコミュニケーションがより直感的になり、医師と患者の意見の相違を減らすことができます。モデルは 3D ビジュアライゼーションを提供しますが、無形です。この3Dガイドによる術前評価と準備により、手術時間を短縮し、手術リスクを減らすことができます。3Dアプローチは、肝胆道外科、整形外科、口腔外科および顎顔面外科で広く使用されています^9,10。甲状腺がんでは、現在、超音波診断や手術計画の策定を支援するために3Dビジュアライゼーションが使用されています¹¹、^12、13、^14、15。

そのため、局所進行甲状腺がんの診断や治療に3D可視化を簡便に応用できると考えています。この可視化手法には、CT取得、コンピュータ支援3Dモデリング、3Dモデルを用いた術前評価などが含まれます。3Dモデルを使用して、手術の難しさ、手術のリスク、および術後の潜在的な機能状態を判断できます。外科医は、詳細な医師と患者のコミュニケーション、手術計画の策定、および対応する手術準備に従事することができる¹⁶。さらに、この方法は、患者の適切な術前評価を提供し、外科的リスクを軽減し、患者の外傷を増やすことなく患者の満足度を向上させることができます。

Protocol

この研究プロトコルは、四川がん病院の倫理委員会によって承認されました(承認日:2019年9月27日)。人間が参加するすべての手順は、機関および国の研究委員会の倫理基準、および1964年のヘルシンキ宣言とその後の改訂に従って行われました。手術前にすべての患者から書面によるインフォームドコンセントが得られました。

1.選択基準と除外基準

1. (1)甲状腺がんが病理学的に確認され、外科的治療が必要な場合は、患者を含めます。(2)T3-T4(米国がん合同委員会TNM病期分類、第8版)などの広範な局所腫瘍浸潤がある場合、または転移性病変が気管、食道、および大きな血管などの重要な構造に浸潤している場合。(3)彼らとその家族は、コンピューター支援3D視覚化にボランティアとして参加します。(4)麻酔に対する禁忌はなかった。
2. 外科的治療を受けない場合は、患者を除外します。

2. 画像取得

1. 256層のスパイラルCTシステムを使用して、患者のプレーンで強化されたCT(静脈相および動脈相を含む)画像を取得します。スキャンパラメータは、120 kV、120 mA、512 x 512マトリックス、0.625 mm層厚、150 HUしきい値、および10-20秒の動脈スキャン遅延です。
2. CTシステムからスキャンデータをDICOM形式で取得します。

3. コンピュータ支援3Dモデリング

1. データを3D可視化ソフトウェアにインポートします(図1A)。
   1. [ 開く ]ボタンをクリックして、DICOM形式の患者データを含むドキュメントを選択します。ソフトウェアにデータをインポートします。
   2. 元のデータに多くのイメージ ノイズが含まれている場合は、ガウス平滑化のためにデータを処理します (図 1B)。マウスの右ボタンでデータを選択し、 ガウス平滑化 ボタンをクリックします。
2. ターゲット領域(胸部と首部)のさまざまな構造を個別に再構築します。
   1. 再構築する構造に応じて、ソフトウェアで 異なるモデル (皮膚と骨など)を選択します(図2A)。
   2. 色、最大閾値、および最小閾値を、CTで再構築された構造に基づいて設定します(図2B)。骨と皮膚に異なるしきい値を設定します。観測されたプレビュー効果に基づいて、上限と下限の閾値を調整します(図2C)。
   3. [ 計算 ]ボタンをクリックして、予備的な3Dモデルの再構築を完了します(図2D)。
3. セグメント化されたデータを変更します。
   1. 血管、皮膚、骨などの構造のセグメンテーションデータが得られたら(図3A-C)、スムージングアルゴリズムボタンを使用してセグメンテーションされたデータを最適化し、再構築されたのこぎり歯のエッジが実際の組織と一致するようにします。
   2. 次に、 ワンクリックナビゲーション ボタンを使用して2D画像と3D画像(図3D)を見つけ、セグメンテーション効果が正確かどうかを判断します。 ペン または ブラシ ツールを使用して、誤ったレイヤーを修正します(図3E)。
      注:3Dモデリングは、すべての構造のセグメンテーションデータを取得した後に行われます。

4. 術前評価

1. 3Dモデルを表示し、 拡大、 回転、 組織の透明度、 分離 機能、およびさまざまな構造の組み合わせを使用して、腫瘍の体積と位置、および腫瘍と隣接する組織との関係に細心の注意を払います。たとえば、総頸動脈、食道、気管の腫瘍浸潤の程度を観察します。
2. 3Dモデル評価に基づき、外科的切除の範囲、切除後の機能障害の程度、術後の補助療法計画を決定します。医師と患者の効果的で直感的なコミュニケーションを実施して、患者の期待に応え、外科医の治療計画を説明します。

5.手術

1. 術前計画と腫瘍および罹患した重要な臓器の術中観察に従って腫瘍を切除します。
2. 修復計画がない場合、術後補助療法のために術中ラベリングを使用して腫瘍縮小手術を実行します。
3. 切除による欠損を修復し、手術計画や術中の状況に応じて必要に応じて機能再建を行います。

Representative Results

2017年12月から2021年7月にかけて、局所進行甲状腺がん患者23人が3Dモデリングを受けました。これらの23人の患者のうち、4人は手術のリスクのために手術から除外され、残りの19人の患者は3Dモデリング後の手術で治療されました(表1)。患者19人全員が局所進行甲状腺がんを有しており、このうち14人が初診、16人がさまざまな程度の呼吸困難、18人が頸部に大きな腫瘍(原発性甲状腺腫瘍または転移性リンパ節)が周囲組織に浸潤していた。術後の病理学的評価により、分化型甲状腺がんが11例、甲状腺髄様がんが2例、未分化または低分化型甲状腺がんが5例、ランゲルハンス細胞組織球症を伴う甲状腺乳頭がんが1例であった。術前に3Dモデリングを使用することで、医師と患者の効率的なコミュニケーションが促進されました。すべての手術は無事に完了し、術後の回復はすべてスムーズで、周術期の死亡はありませんでした。

次項の症例報告で述べたように、3Dモデルは、腫瘍と血管、気管、食道との関係を決定する上で、術前CTおよび術中観察よりも明確な利点があります。さらに、腫瘍浸潤の存在と範囲に関する正確な情報を提供します。

サンプルケースのプレゼンテーション
右鎖骨上窩の腫瘤で1カ月入院した50歳男性の術前穿刺生検の細胞学的解析により、甲状腺乳頭がんが示唆された。CT血管造影では、上胸骨窩、上縦隔、および右頸根の複数のリンパ節の融合が示唆されました。右腕頭静脈および右内頸静脈の下部を腫瘍で包む。右内頸静脈の局所狭窄;右鎖骨下動脈の変位および局所狭窄;右総頸動脈と腫瘍の隣接性、その時点から胸膜の下方への関与。

腫瘍に関与する血管の数が多いことを考慮して、この患者は標的療法(塩酸アンロチニブ)による治療を開始することを選択しました。7サイクルの標的療法後にCT血管造影で再検査したところ、ベースラインと比較して、右頸根の上胸骨窩と上縦隔の複数の融合リンパ節がわずかに小さくなっていることが明らかになりました。右鎖骨下動脈と右総頸動脈と腫瘍の間の空間がわずかに大きくなっていました(図4)。そして、右腕頭静脈の癒着が減少していました。

CTデータを使用して、外科チームはコンピューター支援3Dモデリングを完成させました(図5)。3Dモデルの多次元評価により、腫瘍が右内頸静脈に浸潤しており、切除が必要であり、右鎖骨下静脈の壁の一部を切除し、直接縫合 により 開存性を維持する必要があることが明らかになりました。右総頸動脈または腕頭幹への腫瘍浸潤は観察されなかった。標的療法後、右鎖骨下動脈は変位したままで、持続的な腫瘍浸潤を示したため、この動脈は術中損傷のリスクがありました。術中の血管壁修復または自家血管再建が可能であると判断されました。明らかな気管や食道への浸潤は観察されなかった。

術中大量出血や右上肢機能障害の可能性など、術前に十分なコミュニケーションをとった後、患者は手術を受けることに同意しました。手術中に右内頸静脈を切除し、右腕頭静脈の壁の一部を切除しました。その後、側壁は修復されました。術中、右鎖骨下動脈を破裂させ、右内頸静脈を用いた架橋修復を行いました(図6)。

術後の病理学では、リンパ節転移を伴う乳頭がん(T3bN1bM0、I期)が示唆され、患者は再発のリスクが高い。術後の甲状腺刺激ホルモン阻害および放射性ヨウ素療法が推奨された。約1ヶ月後、右上肢の術後腫れは解消し、右鎖骨下動脈は閉塞しませんでした。

図1:データのインポート 。 (A)DICOMファイル形式のデータは、[ 開く ]ボタン(赤い矢印)をクリックして3D視覚化ソフトウェアにインポートされます。(B)元のデータに画像ノイズが多く含まれている場合は、ソフトウェアの右側のメニューで処理され、ガウス平滑化(赤矢印)されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:ソフトウェアの再構築 。 (A)ソフトウェア再構成モジュールの閾値アルゴリズム によって 再構成される部分が選択されます。(B) 最大しきい値 と 最小しきい値 が設定され(赤いボックス)、 色 (黄色の矢印)が表示されます。(C) 上限値と下限値を調整します(赤枠内)。(D) 計算 ボタン(赤い矢印)をクリックすると、3Dモデルの予備的な再構築が完了します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図 3.手動修正。(A-C)(A)血管、(B)皮膚、(C)骨を含む構造のセグメンテーションデータが得られます。(D)ワンクリックナビゲーションボタン(赤いボックス内)は、2Dおよび3D画像(黄色の矢印)を見つけるために使用されます。(E)セグメンテーション効果の精度を調べる。さらに、ペンまたはブラシ(黄色の矢印)ツールを使用して、誤ったレイヤーを修正します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:サンプルケースのCT画像。 CT検査の結果、右鎖骨下動脈(赤矢印)が腫瘍に包まれている可能性が高いことが分かりました。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:術前評価。 (A,B) 3Dモデルでは、右内頸静脈を包み込み(黒矢印)、右腕頭静脈の壁に浸潤している腫瘍(白矢印)が明らかになっています。(C)右鎖骨下動脈は腫瘍に浸潤されたままである(図5Cの黒い三角形の記号で示される)。右総頸動脈または腕頭幹に腫瘍の浸潤はありません。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図6:手術。 (A)右総頸動脈(黒矢印)は十分に保護されていますが、右内頸静脈と鎖骨下動脈(黒の三角形)は腫瘍に浸潤しています(黒枠)。(B)手術中に右内頸静脈を切除し、右腕頭静脈の壁の一部を切除する。右鎖骨下動脈スリーブ切除術完了(白矢印)。(C)右内頸静脈による架橋修復(白三角)を行い、右反回神経は迷走神経を用いて修復する(白矢印)。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

表1:3D視覚化を受けた19人の患者の人口統計と臨床データ。 略語:3D =3次元。PTC = 甲状腺乳頭がん;SCC = 扁平上皮癌;MTC = 甲状腺髄様癌;PDTC = 低分化型甲状腺がん;FTC = 濾胞性甲状腺がん。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

Discussion

再発性および転移性分化型甲状腺がん(DTC)に対しては、外科的治療が依然として好ましい¹⁷。DTCおよびR0切除を受けた患者の5年疾患特異的生存率は94.4%であり、R1切除を受けた患者(67.9^%)よりも有意に高い2。頸部の疾患制御を達成することは^{、患者の生活の質}と疾患特異的生存率の向上を達成するために重要です4。甲状腺髄様がんは、主に手術で治療されます。したがって、腫瘍の完全切除は、分化型甲状腺がんおよび甲状腺髄様がんにおいて非常に重要である¹⁸。

呼吸困難や喀血などの明らかな症状があり、完全切除が不可能な患者の場合、局所緩和手術はその後の治療に最適な状態をもたらす可能性があります¹²。したがって、甲状腺がんの広範囲の局所浸潤の場合、手術は価値があります。しかしながら、気管、食道、総頸動脈など、頸部のいくつかの重要な構造の浸潤は、腫瘍の完全切除の可能性を決定します。これは、その後、治療計画と術後の生活の質の適切な術前評価を可能にすると見なすことができます。術後治療に先立って残存腫瘍の可能性に関する術前評価も、^{腫瘍制御に役立ちます}5。

現在、頸部の局所進行甲状腺がんは、通常、カラー超音波検査、CT、MRIを用いて評価され、線維喉頭鏡検査と食道鏡検査を併用して、喉頭、気管、食道の管腔内浸潤の程度を評価し^{ている5。}カラー超音波検査、CT、MRIでは2D画像が得られますが、腫瘍の体積と浸潤の視覚化には限界があります。これらの2D画像の評価には、広範な臨床トレーニングとスキルが必要です。そのような画像が専門の画像診断医や経験豊富な外科医によって評価された場合でも、限界と不確実性が残ります。

近年のデジタル3Dビジュアライゼーションの発展は医療分野で積極的に採用されており、3Dビジュアライゼーションは現在、肝胆管結石症、胆嚢がん、膵頭がん、後腹膜腫瘍で広く使用されています^10,19。従来の2D画像と比較して、回転と選択的透明性を使用して腫瘍組織と臓器を明らかにする3Dモデルを包括的にレビューすることで、腫瘍と周囲の組織との関係をよりよく理解することができます。このような3Dモデルを用いることで、術中出血の低減、術前準備の迅速化、個別化治療の実現など、手術計画の策定・実践が可能です。

術前の3Dモデルは、術中組織切除の範囲、残存腫瘍の可能性、術後の臓器機能の可能性を明確に定義するのに役立ち、医師と患者のコミュニケーションに有利であり、患者の最良の予後と生活の質を確保するためにも有利です。例えば、呼吸困難は局所進行甲状腺がん患者によくみられる症状です。呼吸困難と反回神経、喉頭、および気管の腫瘍浸潤との関係は、術前に評価^{する必要があります4。}浸潤の程度の違いにより、気管切開と永久気管切^{開が必要かどうか}が決まります6。手術の種類によって、術後の発音、声質、呼吸スタイルに直接影響する²⁰。腫瘍境界の術前評価は、腫瘍の完全切除を確実にしながら、言語および呼吸機能を保護するのに役立ちます。CTやMRIでは気道壁浸潤の深さを効果的に判断できないため、3Dモデルはこれらのイメージングモダリティを補完する優れたツールです。総頸動脈の損傷は、死に至ることさえあります。3Dモデルは、腫瘍と血管の関係を示すことができます。この関係に基づいて、手術を一時停止したり、人工血管を準備したりすることができます。

局所進行した甲状腺がんでは、3Dビジュアライゼーションにはいくつかの利点があります。気管や骨の術後修復が必要な患者さんには、術前の手術シミュレーション、術中の手術ガイドプレートの製作、術後の修復計画の策定に3Dモデルが役立ちます。さらに、3Dビジュアライゼーションは、ハイブリッドバーチャルリアリティやその他の技術と併用して、リアルタイムの術中ナビゲーションを行うことができ、3Dモデルと患者の実際の解剖学的構造を重ね合わせることができます。

3D可視化技術は有望な臨床結果を示していますが、克服すべきいくつかの限界が残っています。3Dモデリングの推定コストは約410米ドルです。ソフトウェア会社が異なれば、請求する料金がわずかに異なる場合があり、患者のコストが増加します。さらに、3Dモデリングには学習曲線があります。現在、3D可視化は、CT、MRI、カラー超音波検査などの2D技術から得られたデータに基づいています。腫瘍と周囲の組織のコントラストが不十分な場合、境界画像の精度が十分でなかったり、一部の小さな構造がはっきりと表示されない場合があります。

結論として、3D視覚化技術は、局所進行甲状腺がんの診断と治療、腫瘍の切除可能性と浸潤範囲の評価、切除と修復の計画、および患者の潜在的な機能損傷の評価に価値があります。この技術は、患者が自分の状態とそれに関連する手術のリスクと予後を理解するのに役立ちます。さらに、キャリアの初期段階にある医師の学習曲線を短縮することができます。しかし、今回の研究のサンプルサイズは小さく、長期的な追跡調査の結果は得られていない。臨床応用における3D可視化技術の限界に対処するには、さらなる研究が必要です。

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