基于PC的膠質(zhì)瘤三維可視化模型的建立

劉付軒聰，羅榮城

(南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣州510515)

膠質(zhì)瘤是顱內(nèi)最常見的腫瘤，占顱內(nèi)腫瘤的35.26% ～60.96%［1］。國內(nèi)外大宗病例研究表明，手術(shù)仍然是最主要、最基本、最有效的治療方法。能否在術(shù)前模擬手術(shù)經(jīng)過，制定個(gè)體化手術(shù)方案，可直接影響手術(shù)成功率和治愈率。隨著“虛擬人”、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字人體技術(shù)已經(jīng)從不同的角度進(jìn)行了初步的探索，并取得了初步的成果，使得膠質(zhì)瘤三維(3D)可視化研究與應(yīng)用成為可能［2］。2010年我們成功建立了基于個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)平臺(tái)的膠質(zhì)瘤3D可視化模型。現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 1例男性成年患者，因頭痛1個(gè)月入院。無癲癇發(fā)作病史，既往史、個(gè)人史等均無特殊，入院體查未見明顯神經(jīng)功能異常表現(xiàn)。入院后完善各項(xiàng)檢查，CT、MRI、腦電圖等均提示左顳葉膠質(zhì)瘤。經(jīng)常規(guī)翼點(diǎn)入路開顱手術(shù)切除病灶，病理證實(shí)為彌漫性膠質(zhì)瘤(WHOⅡ級(jí))。

1.2 PC平臺(tái)及軟件 CPU AMD Athlon XP 2000+(1 700 mHz)，內(nèi)存 DDR SDRAM1024 M，顯示卡NVIDIA GeForce2 MX400 64 MB，磁盤驅(qū)動(dòng)器Maxtor 250 GB(7200 RPM，Ultra-ATA/133)，操作系統(tǒng)Microsoft Windows XP Professional。3D重建軟件Mimics 10.01軟件(比利時(shí)Materialise公司)。

1.3 膠質(zhì)瘤3D可視化模型建立方法 采用CT 64(飛利浦 BRILLIANCE)和 MRI(飛利浦 ACHIEVA 1.5 T)掃描患者頭部，收集相應(yīng)的CT/MRI圖像，在滿足臨床應(yīng)用后另存為Dicom或BMP格式備用。在PC平臺(tái)運(yùn)用Mimics軟件Segmentation工具，利用CT圖像對顱骨組織重建骨骼模型，MRI圖像重建腦組織模型，并分別保存為3D實(shí)體模型文件STereo Lithography(STL)格式。運(yùn)用 Mimics軟件Simulation工具等，利用3D體積數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)，重建包含腦組織(含病變組織)、顱骨的3D可視化模型。采用Mimics軟件醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Med-CAD

2 結(jié)果

成功建立了在個(gè)人PC平臺(tái)的膠質(zhì)瘤3D可視化模型，詳見圖1、2。該模型清晰度高，立體感強(qiáng)，可直觀、全面的觀察病灶的形態(tài)及其局部解剖特征，并能實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、切割等功能，可初步行模擬手術(shù)腫瘤切除。經(jīng)實(shí)際手術(shù)操作對比，病變大小、位置、毗鄰關(guān)系等基本符合模型環(huán)境。

圖1 重建模型中腫瘤與顱骨相對位置

圖2 重建模型中腫瘤及周圍組織結(jié)構(gòu)

3 討論

膠質(zhì)瘤外科治療的主要目的是通過最大限度地切除腫瘤而控制腫瘤的生長和復(fù)發(fā)，同時(shí)保留正常的神經(jīng)功能以提高患者術(shù)后生存質(zhì)量。然而，僅憑術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)或術(shù)中依靠組織顏色、質(zhì)地和連續(xù)性等特點(diǎn)，不易區(qū)分腫瘤與正常腦組織，尤其是低級(jí)別的膠質(zhì)瘤。對于位于腦功能區(qū)的腫瘤，由于手術(shù)可能造成嚴(yán)重的功能障礙，導(dǎo)致術(shù)后患者生存質(zhì)量降低，使術(shù)者往往采取較為保守的手術(shù)態(tài)度，造成術(shù)中切除不足，導(dǎo)致術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)，總體治療效果不佳［3］。

隨著醫(yī)學(xué)圖像計(jì)算機(jī)處理水平的提高，形成了針對神經(jīng)外科各種手術(shù)的相關(guān)技術(shù)如神經(jīng)導(dǎo)航、手術(shù)顯微鏡、神經(jīng)內(nèi)鏡、術(shù)中超聲及術(shù)前、術(shù)中磁共振解剖及功能成像、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)等，而這些技術(shù)可建立1個(gè)統(tǒng)一的醫(yī)學(xué)可視化手術(shù)平臺(tái)。但是，由于各種醫(yī)學(xué)可視化系統(tǒng)如Dextroscope術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)，一般都要使用昂貴的專業(yè)圖形工作站，甚至用多CPU處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)或用分布式計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn);各種影像設(shè)備的醫(yī)學(xué)圖像工作站，多硬件，要求高，專屬軟件體系，系統(tǒng)龐大，價(jià)格昂貴，各系統(tǒng)間難以兼容共享。同時(shí)CT、MRI和DSA等控制臺(tái)計(jì)算機(jī)一般忙于日常科室臨床工作，不能為專科臨床醫(yī)生提供獨(dú)立的工作環(huán)境等，嚴(yán)重制約了可視化系統(tǒng)發(fā)展，也使得基于PC平臺(tái)進(jìn)行3D圖像處理成為未來的發(fā)展趨勢［4～7］。

Mimics軟件是一套高度整合且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，數(shù)據(jù)來源廣泛，通過3D模型建立編輯，輸出通用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、有限元分析(FEA)、快速成形(RP)格式，有利于PC平臺(tái)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。

在采用Mimics軟件重建過程中，我們發(fā)現(xiàn)，CT/MRI對人體各種組織信號(hào)的表現(xiàn)各有優(yōu)勢，①CT圖像對密度差異較大的組織如骨組織等顯示效果較好，同時(shí)還可重建骨骼模型;②MRI圖像則可清晰的分辨腦組織，并重建腦組織模型。膠質(zhì)瘤3D可視化數(shù)字模型在臨床應(yīng)用中，應(yīng)同時(shí)包含顱骨、血管、腦組織等重要組織。我們根據(jù)CT對骨骼組織成像清晰的優(yōu)勢，選擇CT圖像為基準(zhǔn)，利用Mimics軟件Simulation工具等，同時(shí)運(yùn)用3D圖像融合方法，進(jìn)行3D模型空間配準(zhǔn)，以骨骼組織為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同模型空間配準(zhǔn)融合［8］，重建包含腦組織(含病變組織)、顱骨的3D可視化模型。

基于PC平臺(tái)膠質(zhì)瘤3D可視化數(shù)字模型的建立，有助于手術(shù)醫(yī)生術(shù)前通過3D立體模型了解腫瘤大小、毗鄰關(guān)系，術(shù)前進(jìn)行具體、直觀的病例討論，從而制定出更為合理的手術(shù)方案，減少手術(shù)并發(fā)癥，且易使手術(shù)團(tuán)隊(duì)及患者等能清楚地了解手術(shù)過程，積極配合，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

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