3D技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤診療中的應(yīng)用

武英欣 韓明帥 張俊勇，2

1.山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）臨床與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250024；2.山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院消化內(nèi)科，山東 濟(jì)南 250021

結(jié)直腸腫瘤的患病率在世界范圍內(nèi)不斷增加，該病受遺傳、環(huán)境和生活方式等多種因素影響，早期通常無明顯的臨床癥狀，晚期治療手段有限，死亡率高，目前已成為全球最普遍、最易發(fā)的腫瘤之一［1-3］。近年來3D技術(shù)迅猛發(fā)展，在臨床診療方面應(yīng)用愈加廣泛，3D技術(shù)在臨床中的應(yīng)用可大致分為2個(gè)方面，即3D成像技術(shù)與3D打印技術(shù)。與傳統(tǒng)的二維成像相比，3D技術(shù)在疾病診斷及治療方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)及潛力，3D技術(shù)的應(yīng)用使疾病的診療更加全面、準(zhǔn)確，使人們對(duì)疾病有了多層次、多角度的直觀了解。

3D成像是計(jì)算機(jī)斷層掃描（computerized tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的自然演變，將二維圖像經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)重建為直觀、立體的三維圖像，并可在計(jì)算機(jī)屏幕或頭戴式顯示器上構(gòu)建出可視化和可操作的虛擬圖像［4-5］，3D成像在結(jié)直腸腫瘤方面的應(yīng)用可分為兩大類：與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡技術(shù)相結(jié)合和基于影像學(xué)圖像的三維重建。與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡技術(shù)結(jié)合能立體地顯示胃腸道腫瘤形態(tài)，為內(nèi)鏡醫(yī)師提供更加準(zhǔn)確的空間感知。盡管結(jié)腸鏡仍然是結(jié)直腸腫瘤診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但作為一項(xiàng)侵入性檢查，有出血及穿孔等風(fēng)險(xiǎn)，3D技術(shù)與影像學(xué)結(jié)合模擬傳統(tǒng)的結(jié)腸鏡檢查，顯示出一定的優(yōu)勢(shì)，包括其微創(chuàng)、非侵入、較高的靈敏度、不需要鎮(zhèn)靜和恢復(fù)時(shí)間短等［6］。

3D打印技術(shù)，也被稱為增材制造或快速成型技術(shù)，已成為公認(rèn)的一項(xiàng)革命性技術(shù)創(chuàng)新，是基于3D成像的進(jìn)一步發(fā)展，在20世紀(jì)80年代被首次描述［7］，它使得虛擬圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎|碰的實(shí)物，主要包括建模和打印2個(gè)部分。3D打印的模型通常使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包、3D掃描儀或普通數(shù)碼相機(jī)制作［8］，通過在計(jì)算機(jī)控制下連接材料來創(chuàng)建一個(gè)物理的3D對(duì)象［9-11］，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)也是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大的技術(shù)創(chuàng)新，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受歡迎的主要原因在于其能夠根據(jù)患者制作特定的解剖結(jié)構(gòu)，通過如CT和MRI等輔助檢查獲得患者解剖圖像的二維圖像［12］，設(shè)計(jì)并制造出可視化、可觸摸的3D立體實(shí)物模型，進(jìn)而為患者制定個(gè)性化的診療方案。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從2D平面圖像到3D立體實(shí)像的轉(zhuǎn)變。目前該技術(shù)已在肝膽外科、頭頸外科、骨科及血管外科等領(lǐng)域成熟應(yīng)用［13-16］。在結(jié)直腸腫瘤的診療中也具有廣泛的應(yīng)用，主要包括術(shù)前計(jì)劃、組織模型和教育工具等。

1 3D成像在結(jié)直腸腫瘤中的應(yīng)用

1.1 基于CT/MRI的虛擬結(jié)腸鏡檢查

虛擬結(jié)腸鏡檢查（virtual colonoscopy examination，VC），也稱為計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)腸成像（computed tomography colonography，CTC），是一種基于CT的微創(chuàng)檢查，使用二維和三維計(jì)算機(jī)重建來模擬傳統(tǒng)的結(jié)腸鏡檢查。CTC主要目的是檢測(cè)結(jié)直腸息肉和腫瘤，由于其微創(chuàng)性，不需要鎮(zhèn)靜和恢復(fù)時(shí)間短，相比傳統(tǒng)的結(jié)腸鏡檢查有潛在優(yōu)勢(shì)［6］。Aschoff等［17］總結(jié)了CTC適用于不能耐受或拒絕結(jié)腸鏡檢查以及需要對(duì)狹窄病變近端結(jié)腸評(píng)估的患者，發(fā)現(xiàn)CTC對(duì)結(jié)腸癌和 ＞ 10 mm息肉的檢測(cè)具有94%的靈敏度和97%的特異性。Zhou等［18］研究發(fā)現(xiàn)，CTC對(duì)結(jié)腸切除術(shù)前腫瘤定位有高敏感性，其敏感性和準(zhǔn)確性分別為100%和92.58%。Kim等［19］調(diào)查了1 050例CTC篩查陰性患者5年內(nèi)結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）發(fā)病率，經(jīng)過5年隨訪，結(jié)果顯示5年內(nèi)只有1例有癥狀的CRC出現(xiàn)，這表明在CTC篩查陰性后5年內(nèi)，臨床表現(xiàn)為CRC的情況很少見，常規(guī)CTC篩查間隔5年是合適的。王立亮等［20］指出，CRC術(shù)前評(píng)估中應(yīng)用CTC的價(jià)值較高，該研究中38例CRC患者手術(shù)治療前均給予CTC檢查，結(jié)合手術(shù)病理分析CTC檢查的準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示CTC臨床分期中T分期總準(zhǔn)確率為92.1%，N分期總準(zhǔn)確率為78.9%，M分期總準(zhǔn)確率為92.1%，病理分期與CTC分期有高度一致性。Souza等［3］研究指出，MRI結(jié)腸造影對(duì) ＞ 10 mm的息肉敏感性為84%，并且擴(kuò)散加權(quán)成像具有更好的靈敏度和準(zhǔn)確性，對(duì)評(píng)估CRC的術(shù)前TNM分期和術(shù)后隨訪具有更大的潛力，可視為CTC的替代診療方案。Fr?kj?r等［21］對(duì)疑似克羅恩病的患者進(jìn)行了基于MRI的虛擬小腸鏡檢查，相較于傳統(tǒng)的腸灌洗術(shù)，可以很好地展示整個(gè)小腸病理學(xué)特征，患者不適感低并且沒有輻射暴露。以上研究表明，基于CT、MRI的三維重建技術(shù)對(duì)于結(jié)直腸腫瘤的定位及臨床分期與診治提供了極大的幫助。

1.2 與內(nèi)窺鏡結(jié)合的3D成像技術(shù)

隨著對(duì)3D成像技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入，與內(nèi)窺鏡結(jié)合逐漸應(yīng)用于結(jié)直腸腫瘤的診療中，Matsumura等［22］使用3D成像處理器連接單眼內(nèi)窺鏡系統(tǒng)與傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡結(jié)合使用，使用3D眼鏡和3D顯示器可以輕松查看3D圖像，能更精確地描繪出胃腸道腫瘤的形態(tài)，為內(nèi)窺鏡醫(yī)師提供準(zhǔn)確的空間感知。Refai等［23］開發(fā)了適合標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)窺鏡尺寸的原型3D光學(xué)掃描儀，安裝在內(nèi)窺鏡儀器上，可以顯著提高結(jié)腸鏡檢查的準(zhǔn)確性和成功率，減少手術(shù)時(shí)間，可以為結(jié)直腸腫瘤的早診早治提供幫助。但該設(shè)備目前僅在離體動(dòng)物模型進(jìn)行了測(cè)試，需要更多研究驗(yàn)證該設(shè)備在臨床診療中的適用性。Nomura等［24］設(shè)計(jì)并報(bào)道了在普通內(nèi)窺鏡鏡頭上安裝1個(gè)新開發(fā)的與原有鏡頭相同尺寸的3D內(nèi)窺鏡，系統(tǒng)可以將2D模式與3D模式互相切換，可同時(shí)獲取2D與3D圖像標(biāo)本，并通過使用該設(shè)備行內(nèi)窺鏡黏膜下剝離術(shù)（endoscopic submucosal dissection，ESD）獲得切除的組織標(biāo)本。通過比較2D模式與3D模式切除的組織標(biāo)本及圖像標(biāo)本發(fā)現(xiàn)，3D內(nèi)窺鏡顯著提高了胃腸道淺表腫瘤的診斷置信度水平。Higuchi等［25］發(fā)現(xiàn)，3D內(nèi)窺鏡在胃腸道淺表腫瘤的形態(tài)及范圍識(shí)別等方面優(yōu)于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡（P＜ 0.001）。Nam等［26］評(píng)估得出，新型3D成像膠囊內(nèi)鏡在臨床應(yīng)用中不但能測(cè)量病變大小及獲取組織，而且能重建小腸的三維結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)膠囊內(nèi)鏡相比，能獲取更多的信息。綜上，3D成像與內(nèi)窺鏡的結(jié)合使病變特征更加明確，為疾病的診治提供了更多的信息。

2 3D打印技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤中的應(yīng)用

2.1 制定個(gè)性化術(shù)前評(píng)估和手術(shù)方案

在復(fù)雜的結(jié)直腸腫瘤治療方面，目前3D打印技術(shù)主要同CT或MRI等二維圖像技術(shù)結(jié)合，作為輔助檢查手段來對(duì)疾病進(jìn)行更完備的診療與術(shù)前計(jì)劃，吳宸等［27-28］通過收集結(jié)直腸腫瘤患者全腹部增強(qiáng)CT或增強(qiáng)MRI掃描獲取二維圖像信息，使用計(jì)算機(jī)三維建模軟件將患者的CT或MRI圖像重建為三維立體圖像，再利用3D打印設(shè)備打印出病變部位生理模型，與僅使用影像學(xué)二維圖像等輔助檢查進(jìn)行比較，結(jié)果表明3D打印技術(shù)可以很好地重建腫瘤與鄰近組織、血管及重要臟器的毗鄰關(guān)系，能夠更直觀地展示腫瘤的解剖學(xué)定位，使術(shù)前評(píng)估更加完善，實(shí)際上3D打印所獲得的模型與術(shù)中探查情況基本一致。Kontovounisios等［4］通過建立嚴(yán)格的骨盆解剖分割標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合盆腔MRI掃描得到了可靠的3D模型，將其應(yīng)用于手術(shù)計(jì)劃、術(shù)前分期，提高了手術(shù)安全性和準(zhǔn)確性。Chen等［29］將同意接受腹腔鏡手術(shù)的右半結(jié)腸癌患者隨機(jī)分為3組，其中一組進(jìn)行3D打印腸系膜血管，一組進(jìn)行CT三維重建腸系膜血管圖像，另一組為對(duì)照組，結(jié)果顯示，3D打印腸系膜血管組能明顯縮短手術(shù)時(shí)間［（138.4 ± 19.5）vs.（154.7 ± 25.9）、（177.6 ± 24.4）min，P =0.035 和P ＜0.001）］，并且明顯減少術(shù)中出血量［（83.1 ± 16.2）vs.（112.2 ± 33.8）、（128.9 ± 26.7）mL，P=0.043和P =0.001）］，提高手術(shù)的安全性。綜上，通過3D打印技術(shù)打印出的生理模型能讓我們更直觀了解患者病變部位的解剖結(jié)構(gòu)與毗鄰關(guān)系，為手術(shù)方案的制訂提供更精準(zhǔn)的依據(jù)，能夠預(yù)測(cè)評(píng)估術(shù)中可能出現(xiàn)的情況及風(fēng)險(xiǎn)，減少手術(shù)時(shí)間及術(shù)中出血量，協(xié)助醫(yī)生制定更加安全的手術(shù)方案。

2.2 制造結(jié)直腸腫瘤體外組織模型

3D打印技術(shù)在研究結(jié)直腸腫瘤的組織工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，可作為結(jié)直腸腫瘤體外培養(yǎng)的模型制作工具。Chen等［30］研究中使用3D打印和細(xì)胞重塑技術(shù)創(chuàng)造了具有生理環(huán)境且實(shí)驗(yàn)室可控的體外結(jié)直腸腫瘤3D組織模型，在3D打印支架上培養(yǎng)出腫瘤微環(huán)境并允許細(xì)胞發(fā)生粘附、干細(xì)胞化、增殖和血管化等一系列過程，發(fā)現(xiàn)活化的基質(zhì)細(xì)胞過表達(dá)了多種腫瘤相關(guān)標(biāo)志物并重塑了細(xì)胞外基質(zhì)，通過與動(dòng)物體內(nèi)腫瘤模型對(duì)比，體外3D腫瘤組織的代謝信號(hào)和惡性轉(zhuǎn)化與在體內(nèi)觀察到的腫瘤基本相似。另外該研究發(fā)現(xiàn)，3D腫瘤組織模型表現(xiàn)出了高耐藥性的生理活性，這種模型不但有利于腫瘤生物學(xué)的研究和癌癥個(gè)體化治療的發(fā)展，也為體外培養(yǎng)的腫瘤耐藥性篩選提供了新的思路。Burkholder-Wenger等［31］設(shè)計(jì)了一種由藻酸鹽、明膠甲基丙烯酰和纖維素納米晶體組成的混合納米墨水，將這種物質(zhì)與3D打印基板結(jié)合，然后打印內(nèi)皮細(xì)胞和CRC細(xì)胞，制造出了CRC的生物模型。Sbirkov等［32］建立了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、靈活度高且可重復(fù)利用CRC的3D生物打印模型，并引入了改進(jìn)的臨床前疾病模型，用目前最常用的3種CRC化療藥物（5-氟尿嘧啶、奧沙利鉑和伊立替康）測(cè)試該生物模型，發(fā)現(xiàn)該生物打印模型總體耐藥性增加。以上研究表明，通過3D打印的腫瘤生物模型與體內(nèi)腫瘤更接近，具有高度的生理特性，為腫瘤信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)、血管生成及耐藥性等的研究提供路徑，從而為臨床個(gè)體化治療提供思路。

2.3 3D打印技術(shù)可作為教育工具應(yīng)用于結(jié)直腸腫瘤

3D打印技術(shù)在教育和培訓(xùn)領(lǐng)域也做出了重要的貢獻(xiàn)。通過3D打印技術(shù)制造的模型被認(rèn)為是高質(zhì)量和高效率的教育工具。Bangeas等［33］在住院醫(yī)師培訓(xùn)中比較了3D打印模型與常規(guī)CT、MRI膠片的教育作用，發(fā)現(xiàn)3D打印模型與常規(guī)CT、MRI膠片相比，更容易讓住院醫(yī)師了解病變，提高術(shù)前規(guī)劃的準(zhǔn)確性，進(jìn)而有效地優(yōu)化治療策略。同時(shí)該研究認(rèn)為，利用3D打印的解剖模型，能夠以更好、更有效的方式進(jìn)行操作，這些模型可以用于教育目的，與實(shí)體模型相比，它更方便處理且成本低。根治性器官切除是治療腫瘤的金標(biāo)準(zhǔn)，Guler等［34］在此基礎(chǔ)上，評(píng)估具有CT圖像的3D打印腫瘤患者模型是否有助于住院醫(yī)師制定適當(dāng)?shù)钠鞴偾谐中g(shù)計(jì)劃，住院醫(yī)師通過對(duì)患者的感知與CT圖像和3D打印模型進(jìn)行5種不同腫瘤手術(shù)情景比較，發(fā)現(xiàn)3D打印模型可使住院醫(yī)師更好地理解腫瘤病理學(xué)及解剖學(xué)并幫助改進(jìn)手術(shù)計(jì)劃，對(duì)于判斷手術(shù)方案，與CT二維圖像相比，3D打印模型在視覺評(píng)估方面更有優(yōu)勢(shì)，例如明確腫瘤空間位置及毗鄰關(guān)系、指導(dǎo)手術(shù)路徑，為患者選擇最佳的根治性治療方案。在評(píng)估骶前腫塊時(shí)，3D打印模型對(duì)腫瘤及其毗鄰關(guān)系的感知明顯優(yōu)于CT［35-38］。以上研究表明，3D打印技術(shù)既可以作為培訓(xùn)教育工具，為患者病變部位結(jié)構(gòu)提供真實(shí)的場(chǎng)景設(shè)置，又能夠真實(shí)客觀反映腫瘤患者病理與解剖，為住院醫(yī)師和手術(shù)團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)全面了解手術(shù)過程的培訓(xùn)平臺(tái)。

3 總結(jié)與展望

3D成像及3D打印技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤的診治應(yīng)用中有著重要的貢獻(xiàn)，3D成像對(duì)結(jié)直腸腫瘤的準(zhǔn)確定位及臨床分期有極大優(yōu)勢(shì)，且具有安全、無痛、非侵入性的優(yōu)點(diǎn)，可作為不能耐受或拒絕結(jié)腸鏡檢查患者的最佳選擇，3D成像與內(nèi)窺鏡的結(jié)合使腫瘤有了立體、直觀的展現(xiàn)，帶給了操作者精確的空間感知，提高了結(jié)直腸腫瘤診斷的準(zhǔn)確性。對(duì)于3D打印技術(shù)來說，它不單是基于3D成像的創(chuàng)造性進(jìn)步，更是將虛擬變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的突破，無論是作為輔助檢查來制定完備的術(shù)前計(jì)劃，還是作為研究結(jié)直腸腫瘤組織學(xué)的體外培養(yǎng)模型以及作為消化道腫瘤教學(xué)的培訓(xùn)工具，都證明了其有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。3D成像及3D打印技術(shù)日益展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間以及不可替代的重要作用。三維立體、可視化以及實(shí)操性強(qiáng)的技術(shù)代表著未來的發(fā)展方向。從二維圖像到三維實(shí)物的轉(zhuǎn)變，相信數(shù)字智能技術(shù)在結(jié)直腸腫瘤的診治中還會(huì)有更多的進(jìn)步。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突