張潤東 趙琳娜 姚 華*

(1.北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 102206；2.強(qiáng)生醫(yī)療專業(yè)教育學(xué)院,北京 100016；3.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心,北京 100021)

肺癌是全球癌癥死亡的主要原因。2015 年,中國肺癌的發(fā)病率和病死率為57.26/10 萬和45.87/10萬,均為所有惡性腫瘤之首,總體五年生存率僅約為20%[1-2]。臨床醫(yī)學(xué)中,外科手術(shù)仍然是目前肺癌最主要的治療方法。小型豬是開展胸外科手術(shù)培訓(xùn)的良好模型[3-4],巴馬小型豬由于具有遺傳性能穩(wěn)定、體型小的特點(diǎn)[5-6],同時部分解剖結(jié)構(gòu)與生理功能又與人類非常相似[7],因此可以用于實(shí)驗(yàn)動物模型的建立,以協(xié)助胸外科醫(yī)生快速、熟練地掌握胸腔鏡手術(shù)操作技巧。鑒于此,采用三維重建技術(shù)應(yīng)用于胸腔鏡肺段手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中定位,采用3D 打印技術(shù)創(chuàng)建小型巴馬豬肺部組織結(jié)構(gòu)模型,可應(yīng)用于胸外科規(guī)范化培訓(xùn)教學(xué),幫助臨床醫(yī)生和外科醫(yī)學(xué)生熟練應(yīng)用和掌握肺段切除手術(shù),提高學(xué)習(xí)興趣和臨床思維能力[8]。本研究采用CT 血管成像技術(shù)和MIMICS 軟件重建小型巴馬豬肺部模型,能夠應(yīng)用于臨床實(shí)踐,為比較醫(yī)學(xué)研究和胸外科手術(shù)培訓(xùn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動物

普通級廣西巴馬小型豬4 頭,雌雄各半,2 頭雌性小型豬分別為3 月齡和6 月齡,體重分別為35 kg和45 kg；2 頭雄性小型豬分別為4 月齡和6 月齡,體重分別為40 kg 和45 kg,均由北京實(shí)創(chuàng)世紀(jì)小型豬養(yǎng)殖基地提供[SCXK(京)2018-0011]。動物麻醉后的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)在強(qiáng)生醫(yī)療專業(yè)教育學(xué)院開展[SYXK(京)2016-0037],CT 影像學(xué)檢查在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)院影像學(xué)檢查室進(jìn)行。本研究在IACUC 強(qiáng)生(上海)醫(yī)療器材有限公司組建指導(dǎo)下開展,倫理審批號(JNJBJ21-1806-2),并按實(shí)驗(yàn)動物使用的3R 原則給予人道的關(guān)懷。

1.2 主要試劑與儀器

阿托品購于天津金耀藥業(yè)有限公司(批號:H12020382)；舒泰50 購于法國維克(批號:外獸藥證字43 號)；鹽酸賽拉嗪注射液購于吉林省華牧動物保健品有限公司(批號:獸藥字070012926)。

MX-16 SLICE CT(荷蘭飛利浦)；呼吸麻醉機(jī)(美國MATRX)；心電監(jiān)護(hù)儀(美國Cardell Touch)；ProX800 3D 打印機(jī)(美國3D system 公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 CT 血管成像技術(shù)

實(shí)驗(yàn)巴馬豬掃描前20 min 籠內(nèi)給予阿托品0.02 mg/kg,10 min 后肌注舒泰2.2 mg/kg 和鹽酸賽拉嗪2.2 mg/kg,觀察動物安靜、眼瞼反射消失后轉(zhuǎn)運(yùn)至掃描床,行氣管插管,連接呼吸機(jī)機(jī)械通氣,在股內(nèi)側(cè)建立靜脈通路。調(diào)整體位至俯臥位,監(jiān)測血氧、血壓、呼末CO2和氣道壓力等指標(biāo)。靜脈推注碘海醇造影劑,掃描參數(shù):管電壓120 kV,管電流200 mAs,探測器準(zhǔn)直器16 mm×0.75 mm,旋轉(zhuǎn)時間0.75 s,層厚1 mm,重建間隔1.5 mm,軟組織濾波。掃描結(jié)束后,持續(xù)動態(tài)監(jiān)測動物體征,直至復(fù)蘇,圖像數(shù)據(jù)以DCIOM 格式保存。

1.3.2 三維重建與3D 打印模型制作

使用Mimics Medical 21.0 軟件依次對支氣管、動脈和靜脈進(jìn)行重建。肺裂和段間交界面采用自動和手動相結(jié)合的方式進(jìn)行分割。將Mimics Medical 21.0 處理的支氣管、動脈和靜脈數(shù)據(jù)導(dǎo)入ProX800 打印機(jī),以光敏樹脂為原料,通過計算機(jī)控制紫外激光使其凝固成型。打印精度0.025 mm,成型尺寸650 mm×750 mm×500 mm。

2 結(jié)果

2.1 肺部脈管三維重建模型的建立

4 頭巴馬實(shí)驗(yàn)小型豬經(jīng)增強(qiáng)薄層CT 掃描,切面圖像顯示巴馬小型豬的肺組織邊界清晰、脈管掃描結(jié)構(gòu)明確(見圖1),各肺段結(jié)構(gòu)一致,符合實(shí)驗(yàn)動物品系一致的基本屬性,可用于三維重建數(shù)據(jù)的采集及3D 打印模型的創(chuàng)建。

圖1 4 頭巴馬小型豬肺CT 薄層掃描的切面圖像Figure 1 Thin-section CT image of pulmonary in Bama minipigs

分別建立肺部支氣管、肺動脈和肺靜脈,白色標(biāo)記為支氣管,藍(lán)色標(biāo)記為肺動脈,紅色標(biāo)記為肺靜脈。由圖2 可見,通過CT 掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建的肺支氣管III 及其遠(yuǎn)端a、b 兩個分支,L1為右肺中葉支氣管且有a、b 兩個分支,右肺下葉支氣管分別為外側(cè)面的L2、L3、L4以及背側(cè)面的D2、D3、D4和D5,肺動脈和肺靜脈結(jié)構(gòu)清晰,脈絡(luò)有致,符合動物肺部結(jié)構(gòu)的基本特征。

圖2 巴馬小型豬肺部脈管三維重建圖像Note.A,Front view of bronchus.B,Front view of pulmonary artery.C,Front view of pulmonary vein.D,Dorsal view of bronchus.E,Dorsal view of pulmonary artery.F,Dorsal view of pulmonary vein.Figure 2 Three dimensional reconstruction image of pulmonary vessels in Bama minipigs

將肺部支氣管、肺動脈和肺靜脈模型組合,形成三維重建肺部模型。由圖3 可見,模型中肺動脈、肺靜脈和支氣管的3～4 級分支交叉錯落、排列有序,具立體感,同時可任意旋轉(zhuǎn)和縮放。正面觀(圖3A)可見右肺門脈管從前到后的排布順序?yàn)橛疑戏戊o脈、肺動脈、右支氣管和右下肺靜脈。右上葉脈管從前向后排布為右上肺靜脈V1、V2和V2t、右上肺動脈A1和A2、右上支氣管B1和B2,其中支氣管位置靠上,其次是動脈和靜脈。右中葉支氣管B4和B5、靜脈V4和V5位于臟層淺表,后方是中葉動脈A4和A5,支氣管位于靜脈的下方。右下葉動脈A8位于最外側(cè),向內(nèi)依次為支氣管B8和靜脈V8。左肺門脈管從前到后的排布順序?yàn)樽笊戏戊o脈V1+2+V3和V4+V5,肺動脈包括A1+2+A3、A4+A5、A6和A8,左支氣管B1+2+B3、B4+B5、B6和B8,左下肺靜脈包括V6和V8。背面觀(圖3B)可見肺部脈管結(jié)構(gòu)層次與正面觀相符。

圖3 巴馬小型豬肺血管和支氣管三維重建模型Note.A,Front view.B,Dorsal view.Figure 3 Three dimensional reconstruction model of pulmonary vessels and bronchus in Bama minipigs

2.2 肺實(shí)質(zhì)模型的建立

考慮到影像學(xué)CT 掃描對肺泡組織不顯像的原理,通過數(shù)據(jù)構(gòu)建肺實(shí)質(zhì)并采用肺灌注模型對段間交界面進(jìn)行分割。如圖1 所示,右肺水平裂發(fā)育不全,斜裂前份發(fā)育良好,后份發(fā)育較差；左肺水平裂發(fā)育正常。段間交界面在CT 影像上并不明確,根據(jù)肺段支氣管、血管的解剖結(jié)構(gòu),基于CT 影像資料人工標(biāo)注,將肺段在形態(tài)上進(jìn)行分隔。小型豬肺段單元較多且復(fù)雜,選取與人類最為相似的幾個肺段標(biāo)注相應(yīng)的段間交界面,參考Nomori 等[9]肺癌解剖節(jié)段切除術(shù)圖譜的原則對各肺段進(jìn)行命名。

在圖4 重建結(jié)構(gòu)中,右上葉包括:右上葉尖段(RS1)和右上葉后段(RS2),右中葉包括:右中葉外側(cè)段(RS4)和右中葉內(nèi)側(cè)段(RS5),右下葉包括:右下葉背段(RS6)、右下葉*(RS*)段、右下葉前基底段(RS8)和其他未標(biāo)注的下葉各分段。副葉相對獨(dú)立,未展示。

圖4 巴馬小型豬肺部分肺實(shí)質(zhì)重建及段間交界面Note.A,Right side view.B,Left side view.Figure 4 Partial pulmonary parenchymal reconstruction and intersegmental border in Bama minipigs

左上葉包括:左上葉固有段(LS1+2+LS3)和左上葉舌段(S4+S5),左下葉包括；左下葉背段(LS6)、左下葉前基底段(LS8)和其他未標(biāo)注的下葉各段。

2.3 肺部脈管3D 模型的打印

根據(jù)1.3.2 的方法,采用3D 打印技術(shù)制作出巴馬小型豬的肺部脈管實(shí)體模型。

在肺部脈管3D 打印模型(見圖5)上,右肺門脈管從前到后的排布順序?yàn)橛疑戏戊o脈、肺動脈、右支氣管和右下肺靜脈。右上葉從前向后排布為右上肺靜脈、右上肺動脈、右上支氣管,其中支氣管位置靠上,其次是動脈和靜脈。右中葉脈管支氣管和靜脈位于臟層淺表,后方是中葉動脈,支氣管位于靜脈下方。右下葉動脈位于最外側(cè),向內(nèi)依次為支氣管和靜脈。

圖5 巴馬小型豬肺血管和支氣管3D 打印模型Note.Front view corresponding to Figure 3A.Figure 5 3D printing model of pulmonary vessels and bronchus in Bama minipigs

左肺門脈管從前到后的排布順序?yàn)殪o脈、支氣管和動脈。左上葉脈管排布順序與肺門相同,左下葉脈管排布順序同右下葉。

3 討論

巴馬小型豬肺部解剖結(jié)構(gòu)和人類有相似的解剖單元,也存在一定的特異性,因此可參考人類肺部結(jié)構(gòu)的基本組成,創(chuàng)建巴馬小型豬的肺部模型。與傳統(tǒng)鑄型標(biāo)本的結(jié)構(gòu)和命名方法[10-11]相比,有研究觀察到右肺上葉頭側(cè)段的操作類似于人的S6[12]。本課題綜合解剖學(xué)結(jié)構(gòu)命名法和臨床命名法的特點(diǎn),更關(guān)注到肺部模型的外科手術(shù)切除術(shù)的臨床應(yīng)用,以臨床命名法為主要原則,有望協(xié)助臨床醫(yī)生或外科醫(yī)學(xué)生更熟悉肺部的組織名稱,將更多精力集中在手術(shù)的熟練度培訓(xùn)和手術(shù)術(shù)式研究的探索中。

試驗(yàn)中,雌雄性別差異在廣西巴馬小型豬作為實(shí)驗(yàn)動物保證其品系的穩(wěn)定性上顯示:其肺部三維重建模型的建立不產(chǎn)生顯著影響,且均與CT 影像學(xué)觀察結(jié)果相符[13]。與Nakakuki[11]創(chuàng)建的豬肺鑄型標(biāo)本相比,巴馬小型豬右肺中葉二級結(jié)構(gòu)發(fā)育更加完善,向遠(yuǎn)端發(fā)出內(nèi)側(cè)(B4)與外側(cè)(B5)兩段細(xì)支氣管,因此右肺中葉包含兩個二級結(jié)構(gòu)。右肺下葉背段支氣管(B6)向外分化兩支三級結(jié)構(gòu)與D2和D3細(xì)支氣管相似,鑒于V6和A6的結(jié)構(gòu)與B6基本相符,B6兩支細(xì)支氣管是否共干,是否發(fā)育為兩個二級結(jié)構(gòu),還需要進(jìn)一步研究和探討。本課題中,樣本數(shù)量較少,小型豬肺部解剖的相關(guān)文獻(xiàn)尚不豐富,目前還無法確定B6的結(jié)構(gòu)分子是否可作為廣西巴馬小型豬肺部結(jié)構(gòu)的品系特征。

廣西巴馬小型豬在心臟解剖、消化系統(tǒng)與脂質(zhì)代謝等醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域與人類較為相似,是優(yōu)秀的動物模型[7]。本課題發(fā)現(xiàn),廣西巴馬小型豬右上肺葉僅包含兩個二級結(jié)構(gòu)RS1和RS2,人類則為3 個；巴馬豬B1從主干分出后,馬上分化出兩個主要細(xì)支氣管,分別向體前側(cè)和腹側(cè)走形,類似人類B1與B3支氣管共干。右肺中葉兩段(RS4、RS5)與人類在支氣管與血管分化上一致,但巴馬小型豬的副葉結(jié)構(gòu)向心臟側(cè)走行,對于臨床部分肺段切除手術(shù)的操作不會造成影響。巴馬小型豬左上肺葉兩段(B1+2+B3、B4+B5)與人體肺部解剖結(jié)構(gòu)相符,可作為理想的肺部外科手術(shù)練習(xí)模型,為臨床醫(yī)生和外科醫(yī)學(xué)生的技術(shù)培訓(xùn)提供材料,幫助醫(yī)生提高手術(shù)準(zhǔn)確率和安全性,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的肺段切除[14-15]。

基于醫(yī)學(xué)影像學(xué)的三維重建及虛擬手術(shù)規(guī)劃技術(shù)的快速發(fā)展,在解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有個體化差異的胸腔鏡解剖性肺段切除術(shù)中,利用三維重建技術(shù)獲得小型豬的清晰肺部解剖影像,再聯(lián)合3D 打印技術(shù)創(chuàng)建肺部模型,對于肺部切除手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航以及手術(shù)熟練度的練習(xí)均有積極作用,甚至對肺癌的手術(shù)治療有一定的推動作用。