虛擬喉鏡構建在先天性梨狀窩瘺中的應用

夏立廣，王永飚，朱利斌，林正秀，林進漢，趙一鳴，李仲榮

溫州醫科大學附屬第二醫院育英兒童醫院 小兒外科，浙江 溫州 325027

先天性梨狀窩瘺（congenital pyriform sinus fistula, CPSF）由SANDBORN等[1]于1972年首次報道。左側瘺管較右側多見，大多數患者在嬰幼兒期發病。CPSF作為傳播感染的途徑，對臨床醫師的診治提出挑戰，處理不當可使患兒面臨多次因頸部反復感染而手術的風險[2]。常規的檢查方法有超聲、CT、MRI及喉鏡等，由于受到患兒配合度及各種檢查儀器自身特點的影響，目前沒有哪一種檢查特別完美。CT二維成像的虛擬喉鏡（virtual laryngoscopy, VL）成像能解決患兒配合度低、超聲檢查對操作者臨床經驗要求高、CT和MRI二維成像的局限以及實體喉鏡不能顯示瘺管周圍解剖結構情況等的問題，還在可視化和理解復雜的形態特征方面具有優勢，指導手術減少并發癥。本研究探討如何快速簡便構建VL，并展示如何將它用作評估CPSF及其病變范圍的無創工具。

1 資料和方法

1.1 資料

1.1.1 原始圖像：篩選高度疑似CPSF的患兒，使用高速螺旋CT掃描獲取圖像數據，CT檢查的指征參考本課題組前期研究結果[3]。通過PACS（picture archiving and communication system）醫學影像管理系統導出連續采集CT圖像，保存為DICOM格式，同時記錄系統提供該套圖像集物理參數備用。

1.1.2 計算機及相關軟件：用于三維可視化計算機配置參數：CPU Intel（R）Xeon（R），E5640， 2.67 GHz、2.67 GHz（雙核處理器）內存24.0 GB，顯卡NVIDIA Quadro 2000，Win10 64位。三維可視化軟件：Amira6.0.1（FEI，Visualization Science Group, Burlington, MA）。

1.2 方法

1.2.1 VL構建：將圖像數據集輸入Amira6.0.1軟件，根據圖像的物理參數計算圖像每個像素對應的長度，設定正確比例（長×寬×厚），利用 Labelling-Label Field模塊逐層分割感興趣結構，同時用不同的顏色對不同的感興趣結構進行著色，利用SurfaceGen模塊對不同感興趣結構進行立體化顯示，借助不同顏色、不同組合、不同角度方位及不同透視化程度等方式達到解剖學上最佳呈現效果。此外還能利用Measure模塊對感興趣結構進行二維或三維物理參數測定，包括距離、角度、表面積、體積等。

1.2.2 VL在臨床工作中使用的反饋調查：將應用VL的小兒外科醫師根據成為?？漆t師的年限分為2組，5年以下為低年資組，5年以上為高年資組。問卷設計的內容包括：與常規檢查比VL是否有利于診斷，是否有利于術中解剖參考。

1.3 統計學處理方法 采用SPSS26.0進行統計分析，計數資料以頻數和率表示，2組間比較采用χ2檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 患兒CT圖像三維重建 應用Amira6.0.1對患兒CT圖像三維重建，獲得立體模型可按照需求進一步分割，見圖1。

2.2 喉部三維模型感興趣結構分割與重建 通過分割患兒的CT圖像數據，用不同顏色對不同感興趣結構進行依次立體化顯示，可以突顯感興趣結構及其周圍解剖結構，見圖2。

圖2 喉部三維模型感興趣結構分割依次重建

2.3 梨狀窩和梨狀窩瘺的三維結構 分離突顯氣道和梨狀窩瘺結構可使感興趣結構更加清晰，見圖3。

圖3 突顯梨狀窩及梨狀窩瘺分離的三維結構

2.4 VL與傳統支撐喉鏡比較 喉腔內的導航是交互式的，能對管腔結構進行詳細的檢查，成功構建VL生成梨狀窩虛擬內部視圖，可對內表面進行獨特描繪，提供了一種連續的內腔視圖，并允許操作人員沿著內表面進行導航及進一步探索，顯示左側梨狀窩瘺內部情況，無傳統內窺鏡鏡徑和視角的限制，真正達到“無孔不入”，見圖4a-d；類似于通過傳統內窺鏡獲得的視圖，能對顯示區域進行操作，見圖4e-g；顯示虛擬內鏡和傳統內窺鏡觀察視野區域模式圖，起到標定的作用，見圖4h。

圖4 VL及傳統支撐喉鏡情況

2.5 二維不同角度的喉部三維解剖關系 結合二維矢狀面、橫截面及冠狀面二維圖像多窗口模式顯示出病灶及周圍組織器官的關系，達到從不同角度和層面觀察病灶的效果，見圖5。

圖5 二維下多窗口模式不同角度觀察病灶周圍三維解剖關系定標圖

2.6 不同年資的小兒外科醫師使用VL的效果比較 共計47名小兒外科醫師參與調查，包括低年資組（28名）和高年資組（19名），回收問卷47份。與常規檢查相比，VL在低年資組中有利于診斷的比例高于高年資組，差異有統計學意義（P＜0.05）；兩組有利于術中解剖參考的比例差異無統計學意義（P＞0.05），見表1。

表1 不同年資的小兒外科醫師使用VL的效果比較[名（%）]

3 討論

CPSF也稱為第三或第四鰓裂畸形，與下咽管未完全閉合有關[4]。CPSF雖然少見，但容易引起患側頸部反復感染，值得廣泛關注。隨著醫學進步，CPSF的治療方式也從傳統的頸部開放性瘺管切除手術向目前主流的內鏡下瘺管內口微創治療轉變[5-8]。 無論哪種手術方式，精準地掌握CPSF形態特征、瘺管周圍的解剖結構以及瘺管的物理參數等信息，均有利于CPSF的手術治療并減少并發癥發生。

目前常規診斷方法包括超聲、CT、MRI和喉鏡檢查。既往以鋇餐食管造影發現瘺管是診斷的金標準，但檢查需要患者的配合，這在兒童患者中不容易實現，尤其是嬰幼兒，2020年國內的指南不再推薦該檢查為常規檢查[9]。反復超聲檢查可用于監測炎癥感染過程，具有無創、無輻射的優點，經驗豐富的超聲醫師能追蹤含氣回聲管道有助于CPSF的正確診斷，但檢出率仍不高[10]。CT和MRI的效用在于排除其他頸部疾病，明確瘺管走向。吞咽鋇劑后立即進行CT檢查可以突出瘺管，增加掃描靈敏度。與MRI相比，CT在檢測竇道或瘺管中的空氣和確認甲狀腺受累方面更加敏感，但兩者的圖像均為二維信息，有一定的局限性。在CPSF的臨床診斷過程中，對高度疑似梨狀窩瘺且既往有反復頸部感染（＞2次）和（或）先前接受過頸部開放手術的患兒可行CT或MRI檢查[3]。理論上，喉鏡檢查證實梨狀窩處存在內瘺口為CPSF診斷的金標準。局部麻醉下喉鏡陽性率較低，這可能與患兒配合不夠及解剖暴露不良有關。對于高度可疑CPSF的兒童，即使全麻下進行喉鏡檢查有時也不能清楚觀察到內瘺口，尤其是處于炎癥期患兒常需要借助擠壓頸部腫塊或通過引流管注射染料，查看梨狀窩是否有膿液或染色液溢出才能間接診斷該疾病。此外它不能深入內瘺口進一步探測瘺管遠端情況以及瘺管穿越路徑上周圍組織解剖結構情況。

虛擬內窺鏡（virtual endoscopy, VE）為傳統內窺鏡檢查提供了一種非侵入性的補充診斷；它能探索空腔及管腔，并在醫學、醫學教育和外科手術中具有廣泛的應用。尤其在目前新冠病毒流行的背景下，VE能為培訓人員提供很好的補充資料[11]。虛擬結腸鏡檢查和虛擬支氣管鏡檢查等VE技術現已廣泛用于臨床，以補充甚至取代侵入性內窺鏡檢查；另一方面，是基于VE的喉部檢查（VL檢查）的報道較少[12-16]。VL能補充傳統的喉鏡檢查[17]，并被證明對患有狹窄[18]及其他先天性缺陷的患者尤為適用，它也適用于不適合全身麻醉的患者。VL使用軟件來呈現來自不同成像技術的喉部體積數據（如CT和MRI），并重建喉氣管及感興趣器官的三維解剖結構。在掌握周圍解剖結構的背景下VL的三維重建以連續、交互的方式對器官結構內表面進行獨特描繪，提供了一種連續的內腔視圖，它允許操作人員沿著內表面進行導航及進一步探索。此外，VL可以顯示不同透視程度的三維視圖與二維圖像融合，這為疾病的診治提供超越傳統內窺鏡檢查所能提供的信息，同時具有交互性。從安全性的角度看，VL與常規內窺鏡檢查不同，不會給患者帶來不適以及穿孔、感染、出血等并發癥，還可以降低內窺鏡操作失敗的風險，這對于經驗不足的醫師和醫學規培生來說無疑是個很好的選擇。與常規檢查相比，VL在低年資組中有利于診斷的比例比在高年資組高，提示VL對低年資醫師做出正確診斷的參考價值較高年資醫師高。VL允許對受試者進行重復的無創檢查，這對于涉及感染部位以及內窺鏡檢查難以觸及的區域顯得尤其重要。它可以從不同方向進出，配合任意角度的旋轉全方位地觀察腔內結構，沒有傳統內窺鏡鏡徑和視角的限制，正如圖4d所示能夠觀察梨狀窩瘺瘺管遠端情況?；赩L可視化能提供比傳統喉鏡檢查更多的好處，包括為感染、炎癥和管腔腫瘤形成的患者，可提供其氣道和聲門下腔的非常規內部和外部解剖結構視圖。雖有文獻報道[12-15]顯示VL對某些疾病有很好的臨床應用價值，但苦于當時該技術受到重建和導航三維喉腔算法的質量和速度的限制，未得到推廣。而這些問題目前已通過新的影像技術及新的喉腔渲染方法得到解決[19-22]。依據三維重建模型通過各種顯示途徑可在術前多角度全方面地觀察病灶，了解梨狀窩瘺特點及病變程度，掌握周圍血管的起源、直徑及走形，評估周圍組織器官解剖空間情況，此外還可以模擬手術操作。綜合上述信息有利于對患者施行個體化治療方案。VL高年資組和低年資組中有利于術中解剖參考的比例分別為84.21%和89.29%，提示VL對不同年資的醫師進行手術操作時均有術中解剖參考的意義。

VL使用相關軟件對原始二維數據進行三維重建，是高速計算機與圖像處理技術相結合的產物，通過調節相關閾值和透明度，重建出管腔內表面，并賦予類似黏膜的人工偽彩，不會增加額外輻射量，可獲得更為直觀、立體的圖像，使CPSF診斷更加容易。借由切割、剔除、偽彩、透明化等多種方式使病變結構及周圍解剖結構得到三維展現，這對不習慣觀察二維圖像的年輕規培醫師來說更具臨床實際意義，有利于診治計劃制定及家屬宣教。VL成像也有遺憾的地方：首先，它依賴于高質量、連續掃描的二維圖像，不同設備、不同參數都會影響后期成像，原始二維圖像的分辨率及圖像的掃描間隔直接決定VL圖像的空間分辨力；其次，VL對病變表面的病理變化分辨不清，不能直接觀察黏膜及病灶表面的顏色變化，不能對病變活檢和直接進行介入性治療；最后，VL目前沒有統一的標準，在評價診斷疾病的敏感度、特異度和準確度等方面存在較大的差異。雖然VL不能完全取代喉鏡檢查，但可作為喉鏡檢查的輔助補充，在CPSF的診治上卻能很好勝任，具有一定的推廣應用價值。

本研究初步探索了VL作為評估CPSF及其范圍的無創診斷工具的潛力。借由Amira軟件并使用CPSF患兒頸部的CT數據，經過重建后展示了梨狀窩的三維解剖結構，尤其是梨狀窩瘺。分割CPSF模型并結合其CT圖像顯示CPSF走向以及與周圍解剖結構三維空間上的關系。這些初步結果表明VL是有創喉鏡檢查的有效補充，可以為CPSF的診斷和治療提供有效的參考。