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    3D 打印切片盒在骨盆腫瘤邊界三維定位中的應(yīng)用初探

    2020-11-30 03:49:58李小敏張少霆郝永強(qiáng)戴尅戎艾松濤
    關(guān)鍵詞:病理切片骨盆切片

    李小敏,曲 揚(yáng),武 文,趙 亮,張少霆,郝永強(qiáng),戴尅戎,艾松濤

    1. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院放射科,上海 200011;2. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科,上海 200011; 3. 上海商湯智能科技有限公司,上海 200030

    骨盆區(qū)惡性腫瘤是一種高致死率和致殘率的骨腫瘤[1-2]。術(shù)前準(zhǔn)確判定腫瘤邊界對于確定截骨范圍至關(guān)重要,有助于降低腫瘤局部復(fù)發(fā)和重建患肢功能[3-4]。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)因軟組織分辨率高,是目前評估骨腫瘤浸潤范圍的主要手段。自1986 年Sundaram 等[5]首次報(bào)道骨肉瘤MRI 圖像與術(shù)后病理圖像相關(guān)性研究以來,諸多研究都證實(shí)了MRI 在評估腫瘤浸潤范圍中的重要價(jià)值[6-8]。然而,相關(guān)研究多是基于單一切面的影像與病理共定位研究,仍缺乏三維病理信息支持,成為骨腫瘤手術(shù)精準(zhǔn)規(guī)劃并進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展的瓶頸。其中,如何實(shí)現(xiàn)術(shù)后病理圖像和術(shù)前MRI 圖像的精準(zhǔn)共定位,尤其是對于巨大骨盆腫瘤,是開展相關(guān)研究的至關(guān)重要的一步。

    隨著3D 打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[9-11],在影像和病理圖像共定位研究方面,諸多學(xué)者展開一些探索,這些研究[12-16]主要集中于前列腺、腦、腎、肝等軟組織疾病。上述切片模具是基于術(shù)前圖像的分割建模模型。然而,骨盆腫瘤術(shù)前影像圖像建立的腫瘤模型與術(shù)中切除標(biāo)本間存在巨大的差異,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)并不能直接用于本研究。因而,本研究嘗試通過骨盆腫瘤術(shù)前MRI/CT 圖像與術(shù)后腫瘤標(biāo)本CT 圖像之間的配準(zhǔn),基于術(shù)后標(biāo)本的形態(tài)設(shè)計(jì)病理切片盒,從而使術(shù)前MRI 的掃描方向同病理切片方向一致,探討其應(yīng)用于骨盆腫瘤共定位的可行性。

    1 對象與方法

    1.1 研究對象

    本研究包括從2019 年7 月—2020 年7 月經(jīng)活檢證實(shí)患骨盆腫瘤的患者,患者均計(jì)劃接受保肢切除術(shù)。納入標(biāo)準(zhǔn):①以骨盆或股骨腫瘤收治于上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科。②術(shù)前已行CT 和MRI 增強(qiáng)檢查,且T1 加權(quán)脂肪抑制增強(qiáng)序列有橫斷位和冠狀位圖像。③ 能夠獲得手術(shù)切除或穿刺手術(shù)病理結(jié)果的患者。排除標(biāo)準(zhǔn):①骨盆腹腔內(nèi)的腫瘤,圖像偽影明顯影響診斷。② 影像學(xué)成像方法不符合檢查規(guī)范。③影像學(xué)檢查方法缺項(xiàng)的 患者。本研究獲得了上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院倫理審查委員會的批準(zhǔn)(滬九院倫審2018-126-T104 號)。

    1.2 影像檢查與評估

    患者術(shù)前行骨盆CT 平掃或雙下肢CT 血管造影術(shù)(CT angiography,CTA,用于評估腫瘤與大血管關(guān)系)、骨盆增強(qiáng)MRI 和CT 胸部平掃(用于觀察肺轉(zhuǎn)移情況),患者術(shù)后切除的骨腫瘤標(biāo)本行骨盆CT 平掃和MRI 檢查,并以DICOM 格式保存CT 和MRI 數(shù)據(jù)。

    CT 檢查:128 排雙源CT 機(jī)(西門子,德國,Somatom Definition FLASH)。掃描參數(shù):管電壓為120 kV,基準(zhǔn)管電流與曝光時(shí)間乘積為333.0 mAs,探測器準(zhǔn)直32 mm× 0.6 mm,螺距0.6,采用D30 重建算法(重建視野360 mm, 層厚1 mm,無間隔)。

    MRI 檢 查:3.0T MR 掃 描 儀( 西 門 子, 德 國,MAGNETOM Verio 3.0T MR)。掃描參數(shù)見表1。

    表1 MRI 掃描參數(shù)Tab 1 MRI scanning parameters

    1.3 3D 打印病理切片盒的設(shè)計(jì)與打印

    1.3.1 數(shù)據(jù)建模 將患者術(shù)前薄層CT 掃描圖像、術(shù)后腫瘤標(biāo)本薄層CT 掃描圖像的DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入SenseCare軟件,對術(shù)前勾畫腫瘤范圍、術(shù)后切除腫瘤進(jìn)行三維建模,輸出為STL 文件。

    1.3.2 CT、MRI 圖像配準(zhǔn) 將術(shù)后腫瘤標(biāo)本三維建模數(shù)據(jù)和術(shù)前腫瘤CT 數(shù)據(jù),以其共有的骨性特征作為互信息基礎(chǔ),結(jié)合手工標(biāo)記方法,以術(shù)前CT 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)進(jìn)行領(lǐng)域特征點(diǎn)提取和匹配的點(diǎn)云配準(zhǔn),并結(jié)合剛體變換配準(zhǔn)算法進(jìn)一步約束,再將上述配準(zhǔn)好的數(shù)據(jù)基于術(shù)前MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)[17]。

    1.3.3 病理切片盒設(shè)計(jì)與打印 將上述配準(zhǔn)后的骨盆腫瘤MRI 數(shù)據(jù)和骨盆腫瘤3D 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SenseCare 軟件中,為其做拔模操作。使用編輯器工具設(shè)計(jì)病理切片時(shí)的引導(dǎo)槽。為防止切割引導(dǎo)槽中間的層面在切割時(shí)晃動,影響切片的準(zhǔn)確性,在切片盒內(nèi)部添加8 ~10 根細(xì)柱進(jìn)行加固,最后將拔模處理后的切片盒導(dǎo)出為STL文件。用3D 打印機(jī)(聯(lián)泰,中國,lite 450Hd)打印病理切片盒。具體方案:打印材料采用光敏樹脂MED 610(Stratasys,以色列),全尺寸打印。

    1.4 影像病理相關(guān)性分析

    標(biāo)本用10%甲醛固定后,按照骨組織延伸的方向放入切片盒內(nèi),采用病理大切片技術(shù),使用骨組織病理切片機(jī)(EXAKT,德國,EXAKT 312 金剛石切骨機(jī)),按照3D 打印病理切片盒所設(shè)定的坐標(biāo)系,將原始樣本縱向片狀精密切割,以便后期制片與其在體內(nèi)的解剖方向相匹配,片狀厚度≤5 mm,然后采用網(wǎng)狀格分切標(biāo)準(zhǔn)樣本,每個(gè)樣本4.5 mm×4.5 mm 以內(nèi)。采用15% EDTA 脫鈣液進(jìn)行骨組織脫鈣,脫水浸蠟包埋后切片進(jìn)行蘇木精-伊紅染色(hematoxylin-eosin staining,H-E staining)。切片制作完成后,使用病理數(shù)字化掃描儀進(jìn)行數(shù)字化掃描,在數(shù)字化病理切片的最小分辨率上,將所有圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、縮放、拉伸等操作后,完成整層病理圖像拼接和三維層次配準(zhǔn)及重建。在數(shù)字化病理切片的最大分辨率上,由病理醫(yī)師進(jìn)行病理分析,選定要分析的腫瘤區(qū)域獲得靶向組織樣本進(jìn)行放射病理學(xué)分析。研究流程見圖1。

    圖1 影像病理對照研究Fig 1 Image-pathology control study

    2 結(jié)果

    2.1 患者臨床基本資料

    本研究共納入骨盆腫瘤患者5 例,其中男性患者4 例,女性患者1 例。患者年齡26 ~65 歲,平均年齡(46.40±15.66)歲,其中良性1 例,惡性4 例;根據(jù)2013 版WHO 骨腫瘤新分型標(biāo)準(zhǔn)[18],骨軟骨瘤1 例,軟骨肉瘤3 例,漿細(xì)胞瘤1 例;根據(jù)Enneking 骨盆腫瘤分區(qū)方法,患者累及Ⅰ區(qū)1 例、累及Ⅰ+Ⅱ區(qū)2 例、累及Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ區(qū)1 例,累及股骨患者1 例。所有患者均成功地接受了骨腫瘤切除術(shù),并完全切除了骨腫瘤。術(shù)后骨腫瘤最大直徑平均值為(13.96±2.42)cm?;颊呓y(tǒng)計(jì)資料、腫瘤特征、手術(shù)數(shù)據(jù)及病理診斷見表2。

    2.2 3D 打印病理切片盒驗(yàn)證

    表2 患者臨床資料Tab 2 Information of patients

    通過SenseCare 軟件成功重建骨盆腫瘤患者骨盆骨性結(jié)構(gòu)和腫瘤軟組織三維模型,以及設(shè)計(jì)個(gè)體化3D 打印病理切片盒。所有患者打印了患者特異性的個(gè)體化3D 打印病理切片盒。病理切片盒平均重約2 500 g,平均成本約為2 500 元(2 000 ~3 000 元)。研究納入的5 例患者的腫瘤標(biāo)本均能與3D 打印病理切片盒準(zhǔn)確擬合。對于第1例患者(圖2),術(shù)前MRI 圖像對應(yīng)層面(圖2D)與術(shù)后腫瘤標(biāo)本MRI 圖像(圖2E)相一致,為其創(chuàng)建的正方體的3D 打印病理切片盒(圖2H),能貼合標(biāo)本,并且不同病理層面腫瘤區(qū)域獨(dú)特的腫瘤特征實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)MRI 層面共定位(圖2J)。但正方體的3D 打印病理切片盒需要消耗大量的光敏樹脂材料,打印成本會增加;此外,正方體的3D 打印病理切片盒壁厚,病理切割需要一定的時(shí)間。因此,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),對于另外4 例患者,設(shè)計(jì)打印了貼合腫瘤輪廓的不規(guī)則形3D 打印病理切片盒(圖3H),并對切片盒邊緣進(jìn)行圓滑處理,打印體積降低,打印成本大幅減少;其次,在保留切片盒一面壁平整的情況下減少了壁的厚度,使病理切割過程快速、便捷。

    2.3 案例

    患者,男性,35 歲,左髖部疼痛半年余,以“左側(cè)股骨近端骨腫瘤”收治本院骨科。術(shù)前CT、MRI 增強(qiáng)檢查示左側(cè)股骨近端巨大腫瘤,股骨頸骨質(zhì)成膨脹、侵襲樣生長,腫瘤最大直徑12.40 cm;患肢遠(yuǎn)端運(yùn)動、感覺、循環(huán)正常。骨盆CT、MRI 數(shù)據(jù)導(dǎo)入SenseCare 軟件,重建骨盆CT 圖像骨性結(jié)構(gòu)和MRI 圖像軟組織結(jié)構(gòu),結(jié)合患者胸部CT 平掃圖像,評價(jià)病變范圍,術(shù)前規(guī)劃手術(shù)切除范圍,并生成骨腫瘤三維模型,導(dǎo)出STL 文件。手術(shù)切除后骨腫瘤標(biāo)本CT、MRI 數(shù)據(jù)導(dǎo)入SenseCare 軟件,與術(shù)前影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn),設(shè)計(jì)個(gè)體化3D 打印病理切片盒并打印。將固定好的骨腫瘤標(biāo)本放入病理盒中,進(jìn)行切片染色,病理結(jié)果為軟骨源性腫瘤,細(xì)胞輕度異型,符合軟骨肉瘤Ⅰ級。特定腫瘤區(qū)域組織樣本放射病理學(xué)分析如圖3 所示。術(shù)后腫瘤標(biāo)本MRI 圖像(圖3J)與術(shù)前患者M(jìn)RI 圖像對應(yīng)層面(圖2K)相一致。不同病理層面腫瘤區(qū)域獨(dú)特的腫瘤特征實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)MRI 層面共定位(圖2J)。在圖4中,骨腫瘤按照骨組織延伸的方向放入切片盒內(nèi),因切片盒內(nèi)頭端(圖4C)和尾端(圖4B)骨性結(jié)構(gòu),骨腫瘤在切片盒內(nèi)受到限制,實(shí)現(xiàn)骨腫瘤與切片盒的精確貼合,保證術(shù)后組織在切片盒中定位的準(zhǔn)確性。

    3 討論

    圖2 3D 打印病理切片盒病理切片流程圖Fig 2 Pathological section diagram of 3D printing pathological section box

    術(shù)前準(zhǔn)確判定腫瘤邊界是實(shí)施骨盆腫瘤精準(zhǔn)手術(shù)切除的基礎(chǔ),而病理學(xué)信息是衡量影像判定邊界是否準(zhǔn)確的依據(jù)。在既往骨腫瘤影像與病理對照的共定位研究中,研究者多選擇最大病理切面同影像圖像比較,這種特定面點(diǎn)對點(diǎn)的對比,獲取的病理信息有限,而且不能實(shí)現(xiàn)病理圖像與相應(yīng)的影像圖像對應(yīng)。目前,已有學(xué)者應(yīng)用3D 打印技術(shù)制作切片盒,以實(shí)現(xiàn)MRI 圖像與病理切片三維圖像的準(zhǔn)確配準(zhǔn)[19-20]。關(guān)于使用3D 打印病理切片盒進(jìn)行MRI 與組織病理學(xué)相關(guān)性的報(bào)道主要局限于前列腺等小的軟組織標(biāo)本。Costa 等[21]報(bào)道了體內(nèi)MRI 圖像和體外前列腺標(biāo)本的配準(zhǔn),使用患者特異性MRI 衍生的病理切片盒切片與常規(guī)包埋切片相比,前列腺內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)也得到了改善,包括周邊區(qū)、移行區(qū)、腫瘤輪廓的勾畫。其次,也有學(xué)者在腦、肝臟以及腎臟組織結(jié)構(gòu)方面開展了相關(guān)的研究[12-14],并對于提升病理標(biāo)本和術(shù)前影像成像的一致性開展了一定的探索,然而這些研究中用于病理切片盒設(shè)計(jì)的影像數(shù)據(jù)是術(shù)前腫瘤影像圖像分割建模的結(jié)果,而腫瘤術(shù)后切除標(biāo)本除了腫瘤本身,還帶有部分正常組織,影響切除標(biāo)本與病理切片盒的擬合程度,進(jìn)而影響影像與病理共定位的準(zhǔn)確性。

    圖3 典型病例的3D 打印病理切片盒在骨腫瘤邊界的應(yīng)用Fig 3 Application of 3D printing pathological section box to typical cases in the boundary of bone tumor

    圖4 3D 打印病理切片盒與骨腫瘤標(biāo)本的擬合程度的CT 圖像Fig 4 CT images of fitting degree of 3D printing pathological section box and bone tumor specimen

    本研究提出的創(chuàng)新病理切片盒,根據(jù)體外CT/MRI 成像與體內(nèi)CT/MRI 成像配準(zhǔn)后圖像設(shè)計(jì)而成。切片盒定義了特定的切片平面,與MRI 掃描層的骨腫瘤方向和位置相同,將配準(zhǔn)問題從3D 問題簡化為2D 問題。骨腫瘤組織可以固定在切片盒內(nèi),以支持骨腫瘤的病理檢查,而不改變它,并有助于組織切片后續(xù)配準(zhǔn)到體內(nèi)MRI。我們設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處包括允許將組織固定在切片盒中,以保持其體內(nèi)形狀,一個(gè)邊緣光滑處理的外部形狀,適合CT/MRI掃描。切片盒所具有的坐標(biāo)系,為精確的樣本定位提供指導(dǎo)。這種改進(jìn)的病理切片盒設(shè)計(jì)提供了在固定后或固定前使用高分辨率體外CT/MRI 掃描切片盒內(nèi)骨腫瘤的可能性,從而獲得與體內(nèi)MRI 具有相同方向和位置的相應(yīng)體外CT、體外MRI 和組織切片。這為解決各種研究問題提供了許多可能。

    本研究基于3D 打印的患者特異性病理切片盒,將同一骨盆腫瘤的MRI 特征與組織病理學(xué)特征相關(guān)聯(lián)。首先,薄層體外CT 圖像可作為組織學(xué)圖像和體內(nèi)MRI 圖像配準(zhǔn)的中間參考圖像?;陬I(lǐng)域特征點(diǎn)提取和匹配的的點(diǎn)云配準(zhǔn)并結(jié)合剛體變換配準(zhǔn)算法剔除錯(cuò)誤點(diǎn)對的匹配,以實(shí)現(xiàn)最佳配準(zhǔn)[17]。高細(xì)節(jié)的腫瘤標(biāo)本體外CT 圖像很容易與基于切片盒的體內(nèi)MRI 圖像進(jìn)行配準(zhǔn),為指導(dǎo)組織學(xué)切片與體內(nèi)MRI 的非剛性配準(zhǔn)提供了一套豐富的影像特征。其次,利用高三維分辨率和對比度的CT掃描切片盒內(nèi)骨腫瘤,可以驗(yàn)證切片盒配準(zhǔn)的基本假設(shè)。再次,切片盒允許在腫瘤區(qū)域收集目標(biāo)組織樣本,這些區(qū)域在體內(nèi)表現(xiàn)出特定的特征,如不同的血流、水?dāng)U散率或脂肪含量。此外,定量MRI 技術(shù)與患者特異性3D 腫瘤病理圖像的結(jié)合為基于客觀定量成像和組織數(shù)據(jù)的放射組學(xué)、放射基因組學(xué)分析、紋理分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供了新的機(jī)會[22-24]。

    本研究還具有一定的局限性。首先,研究中所設(shè)計(jì)的3D 打印病理切片盒的打印成本通常為2000 元~3000 元不等,而模型打印時(shí)間需12 ~14 h。研究相關(guān)的成本和時(shí)間會隨著3D 打印技術(shù)的進(jìn)步節(jié)省和縮短。其次,術(shù)后組織形變影響配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。研究所采用的圖像配準(zhǔn)方法可對領(lǐng)域特征點(diǎn)提取和匹配,并對標(biāo)本手術(shù)體積損失和軸向平面方向進(jìn)行補(bǔ)償,具有較高的準(zhǔn)確性;研究通過在MRI 圖像上顯示術(shù)后CT 圖像骨性結(jié)構(gòu)輪廓,觀察2 次配準(zhǔn)間的效果,從最大限度上減小所帶來的影響。再次,共定位研究的準(zhǔn)確性受術(shù)中的形變、組織固定后組織的變形和收縮、切片技術(shù)等諸多因素的影響。研究所探究的骨盆腫瘤中的骨組織具有天然支撐作用,可以在一定程度保證術(shù)前術(shù)后結(jié)構(gòu)的相似性。

    綜上所述,本研究提出了一種依據(jù)骨盆腫瘤的CT/MRI 間圖像配準(zhǔn)的方法設(shè)計(jì)特異性3D 打印病理切片盒的解決方案,該方案可保證術(shù)前MRI 掃描方向與術(shù)后病理切片方向的一致性,從而實(shí)現(xiàn)骨盆腫瘤組織病理學(xué)信息在體內(nèi)MRI 圖像中的協(xié)同定位。研究將為術(shù)前MRI 圖像判定和骨盆腫瘤邊界準(zhǔn)確性評估提供有力工具,并隨著納入病例的增加和組織病理信息的完善,最終為揭示骨盆腫瘤邊界MRI 信號的表現(xiàn)特點(diǎn)以及腫瘤的浸潤生長狀態(tài)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持,從而進(jìn)一步規(guī)范骨盆腫瘤診療過程,提升骨盆腫瘤患者預(yù)后。

    參·考·文·獻(xiàn)

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