利用影像數據坐標轉換定位頭顱外體表標志與顱內靶點關系

李 濱，雷 學，戴 萌，王潤輝，畢艷華，范振增

（1.華北油田公司總醫院神經外科，河北任丘 062552；2.河北醫科大學第二醫院神經外科，河北石家莊 050000）

利用影像數據坐標轉換定位頭顱外體表標志與顱內靶點關系

李 濱1，雷 學1，戴 萌1，王潤輝1，畢艷華1，范振增2*

（1.華北油田公司總醫院神經外科，河北任丘 062552；2.河北醫科大學第二醫院神經外科，河北石家莊 050000）

目的利用螺旋CT圖像及其后處理工作站，結合顱外標志，尋找顱內病灶與頭皮各點的對應位置關系。方法使用美國GE公司的CT及后處理工作站（AW4.0），選擇患者頭顱CT掃描數據，進行三維立體、水平位、矢狀位和冠狀位等4種圖像重建，從中獲得雙側外耳門上緣、病灶側顴弓上前緣皮膚點、手術靶點的原始三維坐標值。設病灶側外耳門上緣為原點，顴弓上前緣皮膚點位于x軸，對側的外耳門上緣位于xoy平面上，將原始坐標數據代入坐標轉換數學公式，求出上述4個點在新坐標系的新三維坐標值x1，y1，z1，即x1值為靶點距原點外耳門上緣前（后）的距離，z1值代表靶點距原點外耳門上緣上（下）的距離，y1值代表靶點垂直深度距離。該法用于13例需手術定位患者，驗證其準確性。結果所有患者均能成功定位靶點。結論利用螺旋CT和CT工作站，獲得顱外體表標志以及顱內靶點的原始三維坐標值，建立以病灶側外耳門上緣為原點，眶耳線為x軸的新三維坐標系，通過數學方法轉化，獲得靶點在新坐標系下的坐標值，實現對顱內靶點的體表定位。該方法實用可靠，是一種新的簡易顱內病灶定位方法。

腦；體層攝影術，螺旋計算機；放射外科手術

顱內病變定位是神經外科醫師手術成功的關鍵。目前精確的靶點定位方法，主要是立體定向儀定位或神經導航［1］，需昂貴儀器且操作繁瑣，不能普及應用。若僅依靠CT掃描進行粗略定位，往往會產生較大的誤差［2］。為此，本文介紹了一種依賴CT和MRI掃描數據結合頭顱體外明顯標志，推算出定位顱內病灶的數學公式，從而使顱內病變體表投影和靶點深度距離定位趨于簡單化。通過文獻檢索查新，國內外尚未見此類報道。

1 資料與方法

1.1 一般資料：本文選擇了13例需要手術定位的患者。基底節區高血壓腦出血9例，額葉、顳葉、頂葉大腦腦膜瘤3例和顳葉膠質瘤1例。男性9例，女性4例。年齡31～73歲，平均56.3歲。

1.2 方法

1.2.1 掃描：采用美國GE螺旋CT（4排），GE公司的 AW 4.0CT工作站，對患者按眶耳線（orbitomeatal line，OML）常規掃描，包括外耳門和外眥。若病灶較大，定位精度要求不太高，普通掃描即可；若病灶較小，且定位精度要求較高，可以做CT薄層掃描或套掃成薄層的CT圖像，層厚一般要達到至少5mm。

1.2.2 原始坐標值的選取：在 CT工作站上（AW4.0），對患者的CT數據進行重建，工作站屏幕上會出現三維立體、水平位、矢狀位和冠狀位等4種圖像，在三維立體圖上獲得患側外耳門上緣、患側（近似OM線）顴弓上前緣皮膚點、健側外耳門上緣、靶點的原始三維坐標值，每個坐標在4種圖像上可相互參考和印證。各靶點選擇時盡量在重建的冠狀位和矢狀位圖或立體圖像上選擇，數據會更加準確。

1.2.3 計算和編程：已知舊坐標系里的4個點坐標分別為A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3）和D（x4，y4，z4）。A點為新坐標系的原點，B點位于新坐標系的x軸，C點位于新坐標系的xoy平面上，下面求出B，C和D在新坐標系里的坐標（推導過程略），分別為（x′1，y′1，z′1），（x′2，y′2，z′2），（x′3，y′3，z′3）和（x′4，y′4，z′4），要通過這4個點的坐標找到兩個坐標系之間的對應關系。就可以用于求任意一個舊坐標系里的點在新坐標系里的坐標。假設任意舊坐標系里任意一個點的坐標（x，y，z）轉換到新坐標系中變為（x′，y′，z′）。這種轉換關系可以用矩陣表示為系就可以用于求任意一個舊坐標系里的點在新坐標系里的坐標。具體過程略。

將上述程序于MATLAB軟件中編程并運算，就可計算出顱內靶點的新坐標值即x1，y1，z1［3-6］。

1.2.4 坐標值意義：新坐標系和顱內靶點新坐標值的意義與手術定位的關系，新的三維坐標系是仿我們手術時在患者頭部畫出病側外耳門上緣、病灶側的顴弓上前緣皮膚點（近似眶耳線），結合CT和MRI圖像，尋找出顱內靶點在手術視野平面中距外耳門上緣的上下前后的頭皮體表投影位置。把患側外耳門上緣設為原點，近似眶耳線為x軸，x軸和健側外耳門上緣構成xoy平面，經過原點并垂直xoy平面的為z軸，構成類似我們手術視野和定位需要的坐標系。求出的顱內靶點（x，y，z）可以理解為x值為靶點距外耳門上緣前（后）的距離，z值代表靶點距外耳門上緣上（下）的距離，y值代表靶點距xoz平面的垂直（深度）距離。

2 結 果

在CT和CT后處理工作站上，只要將CT圖像重建，找出雙側外耳門上緣、病灶側的顴弓上前緣皮膚點及靶點坐標值。就能經MATLAB軟件中編程的數學公式程序坐標轉換，得到結合以病灶側外耳門上緣為原點的x、y、z平面三維坐標靶點值，即以外耳門上緣、病灶側的顴弓上前緣皮膚點為基線的x，y，z靶點值。經過臨床應用，均能成功的定位患者顱內病灶。

3 討 論

神經導航或立體定向固然定位準確，但其儀器昂貴，基層醫院不能普及；又因其操作復雜，收費價格高，在顱內病變手術時很難普及應用，即便買了這些儀器臨床大體定位也很少運用。這就存在著顱內病變手術切口定位問題。因為各醫院影像設備條件不一樣，采集圖像的手段和水平也不一樣，許多CT片缺乏側位定位片或掃描基線不標準，患者的體位不標準如頭部旋轉等，致使神經外科醫師根據CT和MRI片定位病灶的方法，會產生一定的偏差。如矢狀竇旁腦膜瘤的前后邊界，為了全部包括腫瘤不得不擴大切口，給患者帶來負面影響。醫師有時為了避免這種偏差，常于患者頭顱體表放置顯影的標志物，定位顱內病變前后邊界，并重新進行CT掃描，用來驗證定位的準確性，依據標志物調整頭皮切口邊界［7］。這樣雖提高了準確性，但增加了患者的醫療費用，延長了住院時間，患者又受到一次射線的損傷。因此，臨床上迫切需要運用原始CT或MRI片數據，對顱內病變進行較準確頭皮投影定位和測量靶點深度距離。為此，我們對該項問題進行了研究。

現在無論是CT還是MRI的技術越來越成熟，精度越來越高，可以到達0.01mm，失真度越來越小，影像資料的后處理系統非常豐富和強大，影像學的飛速發展給臨床工作帶來了便利［8］。基于CT的成像原理，可以把每次的CT或MRI掃描看成是一次精度很高的、在各個方向上的對頭顱的“實體解剖”［9］，而且每個“體素或像素”均有自己的三維坐標值。重建時電腦屏幕上出現三維立體圖像、水平位、矢狀位和冠狀位4種圖像，從中可以獲得任意點的原始三維坐標值包括顱內靶點和顱外標志。經MATLAB軟件中編程的數學公式程序坐標轉換，就能得到以病側外耳門上緣為原點的靶點新坐標值，指導臨床手術。

從病側外耳門上緣到病灶側的顴弓上前緣皮膚點劃線，近似OM線。CT掃描的眶耳線，是外眥與外耳門連線，額部延長線向正中矢狀面靠攏，實際上眶耳線是斜向前上內穿行于組織內的，是不可見的。所以我們選擇近眶耳線的顴弓上前緣皮膚點，使手術患者頭部畫出的定位線近似平行矢狀面，和我們臨床操作更加接近。以外耳門上緣為基礎所建立的手術定位坐標系，很容易被神經外科醫師所理解和接受，但注意靶點選擇時盡量在重建的圖像上選擇，每個坐標在4種圖像上相互參考和印證，數據會更加準確。

使用該種定位方法需要注意以下幾點：①定位線除眶耳線以外，可根據實際情況任意調整，但需注意圖像中我們選擇的體表點需和患者實際的體表點有較好的對應關系，必要時可以根據手術視野和體位要求等，在體表貼上MARK以輔助定位。②由于計算出的三維數值是根據手術需要構建的垂直三維坐標，在顱腦的頂部靶點體表投影測量上還需要注意頭顱曲度變化增加帶來的誤差增大問題，可使用一些簡單的三維直角尺輔助。③該坐標系的xoz平面，和我們常說的矢狀面有一定的小夾角（這與選擇外耳門上緣和同側顴弓上前緣皮膚點的個人在圖像上的選取點有關，一般情況下與矢狀面角度 ＜5°），對病灶的一般定位并不受影響；若需要xoz平面完全與矢狀面平行，比如竇旁占位的定位，可補選大腦鐮的任意兩點對新坐標系進行調整（其調整公式和程序也已完成），以增加手術時方向性的把握［10］。④用于前額和后枕皮膚點平行矢狀位穿刺時，需用延長線平行移位法和顱腦中線，確定其部位和方向。

本定位方法有以下優點：①可以直接在CT工作站獲取患者的靶點資料，不需要患者再次CT重新掃描，減少了醫療費用和放射性損傷；②由于是數學計算，而且CT工作站中靶點選擇時幾種圖像相互驗證，整體的誤差小，精度高；③簡單易行，上述工作在CT工作站靶點選擇和在MATLAB軟件中運行得到結果，只需數分鐘即可完成；④在CT和MRI中均可以實現上述靶點的獲得。相信該技術和軟件可在相關技術人員的幫助下能進一步完善，能更簡化和精確地幫助臨床醫師定位。

［1］周良輔.神經外科手術步驟點評［M］.上海：科學技術文獻出版社，2011：10-32.

［2］邵俊飛.顱內病變精確定位與手術設計［M］.北京：人民軍醫出版社，2005：1-19.

［3］張勇士，閆劍平，高良會，等.計算機CT輔助外貼標志物微小骨窗治療顱內血腫［J］.中國實用醫藥，2007，2（12）：74-75.

［4］JIANG HSIEH，張朝宗.計算機斷層成像技術——CT原理、設計、偽像和最新進展［M］.北京：科學出版社，2006：1-96.

［5］PANAGIOTOPOULOU O.Finiteelementanalysis（FEA）：applying an engineering method to functional morphology in anthropology and human biology［J］.Ann Hum Biol，2009，36（5）：609-623.

［6］鐘世鎮.數字人和數字解剖學［M］.濟南：山東科學技術出版社，2004：1-3.

［7］周翔平.醫學影像學［M］.北京：高等教育出版社，2008：1-106.

［8］吳輝群，吳興，嚴培培，等，基于CT斷層影像的顱骨解剖結構三維重建［J］.解剖與臨床，2011，16（5）：382-384.

［9］李連峰，余新光.術中CT與導航系統在神經外科的發展應用［J］.中國醫藥指志，2011，9（16）：60-61.

［10］劉鳳強，雙靶點單通道穿刺角度深度計算法的修正與應用初探［J］.中國微侵襲神經外科雜志，2007，12（9）：403-405.

（本文編輯：劉斯靜）

UTILIZING COORDINATE TRANSITION OF IMAGING DATA TO LOCATE THE RELATIONSHIP BETWEEN THE INTRACRANIAL TARGET AND THE SKULL SURFACE SIGNS

LI Bin1，LEI Xue1，DAI Meng1，WANG Runhui1，BI Yanhua1，FAN zhenzeng2*
（1.Department of Neurosurgery，Huabei Oilfield General Hospital，Hebei Province，Renqiu 062552，China；2.Department of Neurosurgery，the Second Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050000，China）

Objective To determine the corresponding relations between the positions of intracranial lesions and scalp surface signs by using Spiral CT and CT workstations.MethodsWith the application of American GE CT and CT workstations（AW4.0），the data of the patientsˊhead scan images were selected to reconstruct four images including three-dimensional position，horizontal position，sagittal position and coronal position.From those images，the three-dimensional coordinates figures of upper limbs of bilateral outer ears，upper front skin point of cheekbones on the lesion side（in Orbitomeatal Line，OML）and lesions demanding surgery were obtained for all 13 cases of patients who need surgical navigation.Command：With the upper limb of outer ear on the lesion side as the origin，the upper front skin point of cheekbones on the lesion side was located in OML（x-axis），and the upper limb of contralateral outer ear in xoy plane，a new three-dimensional coordinate system was acquired by means of mathematical transformation of these three-dimensional coordinates figures with mathematical formula，and the new coordinates figures（x，y，z）were calculated in the new three-dimensional coordinatesystem，with“x1”on behalf of the longitudinal distance from the target to the upper limb of outer ear on the lesion side，“z1”on behalf of the vertical distance from the target to the upper limb of outer ear on the lesion side，“y1”on behalf of vertical depth of target.This method was applied in all 13 patients to verify the navigating accuracy of the method.ResultsAll lesions of the patients were accurately navigated. Conclusion By using Spiral CT and CT workstation，the original three-dimensional coordinates figures of skull surface signs and intracranial targets were obtained，and a new three-dimensional coordinate system was established within which the origin was the upper limb of outer ear on the lesion side and the x-axis was the OML.A new three-dimensional coordinates figures of the target was acquired to locate the surface projection of intracranial lesions with the application of mathematical methods of coordinate transformation.This method is a novel，reliable，simple and practical way to locate the intracranial lesions.

brain；tomography，spiral computed；radiosurgery

R651.11

A

1007-3205（2012）11-1260-04

2012-03-28；

2012-08-27

李濱（1978-），男，山東淄博人，華北油田公司總醫院主治醫師，醫學碩士，從事腦立體定向研究。

*通訊作者。E-mail：zhenzengfan@yahoo.com.cn

10.3969/j.issn.1007-3205.2012.11.008