3D slicer在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

潘笛笛 程 哲 王大巍 束漢生

蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院，安徽 蚌埠 233002

3D slicer軟件是由哈佛大學(xué)布里格姆婦女醫(yī)院和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種醫(yī)學(xué)影像處理分析與視覺(jué)化的軟件系統(tǒng)[1]。目前3D slicer軟件正以驚人的速度在神經(jīng)外科領(lǐng)域中發(fā)展，其特點(diǎn)是免費(fèi)開(kāi)源且操作簡(jiǎn)單，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求不高，同時(shí)可進(jìn)行功能擴(kuò)展以及不斷的優(yōu)化升級(jí)。隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)的飛速發(fā)展，神經(jīng)外科醫(yī)師通過(guò)3D slicer軟件可將患者的CT或MRI的二維DICOM(digital imaging and communications in medicine)影像進(jìn)行多模態(tài)的影像融合，從而獲取顱腦病變的多模塊三維立體模型，進(jìn)而將虛擬三維數(shù)字模型與患者表明面體表標(biāo)志進(jìn)行配準(zhǔn)擬合，從而描繪出病灶的輪廓。通過(guò)Sina手機(jī)軟件來(lái)模擬虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從而可輔助臨床醫(yī)師實(shí)現(xiàn)術(shù)前病灶的精準(zhǔn)定位，其類似神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以做到病灶的精準(zhǔn)治療[2]。由于3D slicer軟件的以上特征，現(xiàn)如今3D slicer軟件已在神經(jīng)外科高血壓腦出血微創(chuàng)穿刺術(shù)、軟通道置管引流術(shù)、神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤開(kāi)顱夾閉手術(shù)、顱內(nèi)腫瘤切除術(shù)以及三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣的微血管減壓術(shù)等神經(jīng)外科手術(shù)中廣泛應(yīng)用，并取得較為顯著的臨床效果，其在心臟外科、呼吸內(nèi)科、口腔醫(yī)學(xué)科、泌尿外科等多學(xué)科中的疾病診斷和手術(shù)治療取得廣泛應(yīng)用。3D slicer軟件術(shù)前可制定個(gè)體化手術(shù)方案，避開(kāi)重要的腦功能區(qū)及鄰近顱內(nèi)病灶的大血管，規(guī)劃出最佳的手術(shù)入路，模擬手術(shù)切口的設(shè)計(jì)。本文將從3D slicer在輔助神經(jīng)外科手術(shù)的臨床應(yīng)用角度加以闡述。

1 3D slicer在腦出血手術(shù)中的應(yīng)用

1．13Dslicer在高血壓腦出血手術(shù)中的應(yīng)用高血壓腦出血(hypertensive intracerebral hemorrhage，HICH)是神經(jīng)外科最常見(jiàn)的急癥，具有高病死率和高發(fā)病率，患者預(yù)后較差[3]。其主要以手術(shù)治療為主，合理且個(gè)體化的手術(shù)設(shè)計(jì)可以減低手術(shù)損傷，提高治愈率。利用3D slicer軟件可實(shí)現(xiàn)高血壓腦出血手術(shù)的精準(zhǔn)定位，提高血腫清除率的同時(shí)使患者的創(chuàng)傷最小化。

目前，神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)腦內(nèi)血腫的定位較為準(zhǔn)確，但因步驟繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足神經(jīng)外科急診的要求[4]。借助3D slicer軟件，根據(jù)患者的CT影像，可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)血腫和顱骨建模，獲得深部血腫的位置及體表投影，設(shè)計(jì)出最優(yōu)手術(shù)路徑，指導(dǎo)手術(shù)操作。WANG等[5]應(yīng)用3D slicer軟件輔助完成了21例自發(fā)性小腦出血的微創(chuàng)穿刺，其準(zhǔn)確穿刺率達(dá)到100%，8例患者的預(yù)后良好，提高了穿刺的安全性和有效性。ZHANG等[6]采用3D slicer協(xié)助完成了26例高血壓腦出血的微創(chuàng)軟通道置管血腫引流術(shù)，其中23例獲得穿刺成功，血腫清除率在90%以上，有效率為92.3%，在縮短手術(shù)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的同時(shí)改善了預(yù)后。有學(xué)者認(rèn)為使用3D slicer結(jié)合Sina軟件協(xié)助神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)可實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的定位，規(guī)劃最佳手術(shù)入路，可指導(dǎo)腦出血的微創(chuàng)手術(shù)[7]。有學(xué)者應(yīng)用3D slicer聯(lián)合Sina軟件輔助神經(jīng)內(nèi)鏡治療高血壓腦出血19例患者均獲得精準(zhǔn)定位，血腫清除率達(dá)到90%以上[8]。研究[9]報(bào)道15例患者使用3D slicer軟件輔助神經(jīng)內(nèi)鏡治療高血壓腦出血，其手術(shù)效果好，不良預(yù)后發(fā)生率低。利用3D slicer軟件協(xié)助血腫穿刺和神經(jīng)內(nèi)鏡清除顱內(nèi)血腫，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病灶的精準(zhǔn)定位、血腫的體表投影、手術(shù)入路的個(gè)體化設(shè)計(jì)[10-11]。應(yīng)用3D slicer軟件輔助手術(shù)治療高血壓腦出血可實(shí)現(xiàn)血腫的精準(zhǔn)定位，降低顱腦損傷，提高血腫清除率。

1．23Dslicer在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉手術(shù)中的應(yīng)用顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂是自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血最常見(jiàn)的病因，發(fā)病率和病死率很高[12-13]。手術(shù)是治療動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血的關(guān)鍵。隨著微創(chuàng)外科手術(shù)的發(fā)展，動(dòng)脈瘤的治療愈發(fā)成熟。開(kāi)顱動(dòng)脈瘤夾閉和血管內(nèi)介入栓塞術(shù)是其兩種主要的手術(shù)方式。3D slicer軟件可以輔助動(dòng)脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血的診斷，明確顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的大小、方位及與周圍解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并指導(dǎo)手術(shù)方案的選擇。

有學(xué)者利用3D slicer軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維立體模型的重建，用于精準(zhǔn)定位和手術(shù)入路的設(shè)計(jì)，為術(shù)者提供顯著的可視化和便利性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率[14]。術(shù)前經(jīng)3D slicer軟件處理后的多模態(tài)立體三維模型，可使術(shù)者有一個(gè)立體的三維感官，為術(shù)者提供更為充分可靠的信息，規(guī)避重要的功能區(qū)。YAO等[15]利用3D slicer融合CT和CTA(computed tomography angiography)影像既可以明確顱內(nèi)多發(fā)動(dòng)脈瘤之間的空間關(guān)系，又能夠確定責(zé)任動(dòng)脈瘤，明確出血類型，實(shí)現(xiàn)破裂動(dòng)脈瘤的精準(zhǔn)識(shí)別，為術(shù)者提供較為真實(shí)的信息。3D slicer軟件在辨別責(zé)任動(dòng)脈瘤、建立三維模型、輔助手術(shù)治療、實(shí)現(xiàn)術(shù)前模擬方面已經(jīng)初步應(yīng)用。

2 3D slicer在顱內(nèi)腫瘤手術(shù)切除中的應(yīng)用

顱內(nèi)腫瘤是指源于不同腦細(xì)胞或其他系統(tǒng)轉(zhuǎn)移而來(lái)的腫瘤，主要包括腦膜瘤、膠質(zhì)瘤、垂體瘤、聽(tīng)神經(jīng)瘤、生殖細(xì)胞瘤、腦轉(zhuǎn)移瘤等[16]。手術(shù)是目前治療顱內(nèi)腫瘤的主要方法，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)切除是每個(gè)神經(jīng)外科醫(yī)師的目標(biāo)。3D slicer軟件輔助腦膜瘤和膠質(zhì)瘤手術(shù)已得到初步而廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出十足的優(yōu)勢(shì)。

2．13Dslicer在腦膜瘤手術(shù)切除中的應(yīng)用腦膜瘤是顱內(nèi)最常見(jiàn)的原發(fā)腫瘤，約占所有神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的30%[17-18]。手術(shù)切除是腦膜瘤治療最直接、最有效的方法[19]。其好發(fā)于鞍區(qū)，常侵蝕鄰近血管神經(jīng)且周圍解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)切除難度較大[20]。最大限度地?cái)U(kuò)大切除范圍對(duì)于減少腫瘤復(fù)發(fā)及降低發(fā)病率和病死率有至關(guān)重要的作用[21]。基于3D slicer軟件處理后的腫瘤模型，醫(yī)師能夠直觀觀察到腫瘤的大小和腫瘤與周圍重要神經(jīng)及血管解剖結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，根據(jù)患者特點(diǎn)設(shè)計(jì)個(gè)性化手術(shù)入路，確保腫瘤的完全切除及對(duì)周圍正常解剖結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

MA等[22]研究證實(shí)腦膜瘤影像經(jīng)3D slicer軟件處理后可模擬出腫瘤的三維圖像，可清晰勾畫出顱腦白質(zhì)纖維束、腦神經(jīng)與腦膜瘤之間的位置關(guān)系，并與術(shù)中所見(jiàn)腫瘤位置相符合。術(shù)中對(duì)顱腦功能區(qū)的損傷降至最低，有效減少術(shù)后并發(fā)癥，提高腫瘤全切率，改善患者的預(yù)后。一項(xiàng)納入20例腦腫瘤手術(shù)患者的臨床研究表明，利用3D Slicer軟件輔助腦膜瘤切除能夠提高腦膜瘤全切率，對(duì)于功能區(qū)腦膜瘤能夠做到最大程度的保護(hù)，能夠有效減少術(shù)后并發(fā)癥且最大程度保留腦功能[23]。研究[24]報(bào)道利用3D slicer軟件處理后的多參數(shù)影像融合，可清楚勾畫出腦膜瘤與毗鄰血管的關(guān)系，同時(shí)指導(dǎo)三維金屬鈦網(wǎng)的合成，在輔助精準(zhǔn)切除受侵蝕顱骨和腦膜瘤組織同時(shí)進(jìn)行顱骨缺損修補(bǔ)手術(shù)。利用3D slicer軟件輔助個(gè)性化的手術(shù)入路，避免了經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)手術(shù)治療，在保證功能的同時(shí)精準(zhǔn)切除腫瘤，減少功能區(qū)損傷。

2．23Dslicer在神經(jīng)膠質(zhì)瘤手術(shù)治療中的應(yīng)用膠質(zhì)瘤是神經(jīng)系統(tǒng)常見(jiàn)的原發(fā)性腫瘤，因其易復(fù)發(fā)且病死率高，導(dǎo)致療效較差[25]。多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤幾乎占神經(jīng)膠質(zhì)瘤的一半，發(fā)病率和病死率較高[26-28]。手術(shù)切除膠質(zhì)瘤仍是最有效的治療方式[29-30]。通過(guò)3D slicer軟件對(duì)腫瘤進(jìn)行術(shù)前三維重建和手術(shù)模擬，可明確包括顱內(nèi)腫瘤組織、顱骨、腦血管在內(nèi)的解剖關(guān)系。

膠質(zhì)瘤手術(shù)中實(shí)現(xiàn)術(shù)前對(duì)顱內(nèi)病變的精準(zhǔn)定位，制定個(gè)體化手術(shù)方案至關(guān)重要[31]。神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)雖可以實(shí)現(xiàn)顱內(nèi)病灶的精準(zhǔn)切除，但隨著膠質(zhì)瘤的不斷切除及腦脊液的釋放會(huì)造成術(shù)中腦組織移位，從而導(dǎo)致再次定位不準(zhǔn)確，且整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)費(fèi)用高昂且操作系統(tǒng)復(fù)雜，使得導(dǎo)航很難大范圍的推廣應(yīng)用。CHEN等[32]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D slicer軟件聯(lián)合Sina手機(jī)軟件的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)膠質(zhì)瘤低成本的術(shù)前精準(zhǔn)定位和最大化切除。超聲結(jié)合導(dǎo)航定位膠質(zhì)瘤可以糾正術(shù)中腦移位，為手術(shù)方式的選擇提供重要的依據(jù)[33]。LIANG等[34]研究發(fā)現(xiàn)利用3D slicer聯(lián)合術(shù)前MRI以及術(shù)中超聲(ultrasound，US)實(shí)現(xiàn)的US-MRI多模態(tài)融合虛擬導(dǎo)航系統(tǒng)(US-MRI multimodal fusion virtual navigation system，UMNS)可以保護(hù)功能性白質(zhì)纖維，獲得最大的腦膠質(zhì)瘤切除和功能保護(hù)。3D slicer軟件能夠完成對(duì)腦膠質(zhì)瘤低成本的精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)安全、有效、精準(zhǔn)的病灶切除。

3 3D slicer在功能神經(jīng)外科手術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣是臨床上常見(jiàn)的兩種神經(jīng)功能性疾病，其發(fā)病機(jī)制主要在于腦神經(jīng)出腦干區(qū)域受到血管的壓迫，且造成神經(jīng)的脫髓鞘病變[35]。三叉神經(jīng)痛的特征是觸摸誘發(fā)的單側(cè)短暫的突發(fā)性三叉神經(jīng)痛[36-37]。而面肌痙攣是由同側(cè)面神經(jīng)功能障礙引起的面部肌肉不自主的同步緊張性或陣攣性收縮[35]。微血管減壓術(shù)仍是治療三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣的主要方法[38]，但術(shù)中存在責(zé)任血管的判斷失誤或遺漏，使得手術(shù)后癥狀無(wú)法改善或疾病的復(fù)發(fā)。3D slicer軟件可輔助術(shù)者明確責(zé)任血管，其在微血管減壓術(shù)中已經(jīng)得到較為成熟的應(yīng)用。

HAN等[39]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D slicer軟件對(duì)三叉神經(jīng)以及病變血管進(jìn)行分割和三維建模可在術(shù)前明確責(zé)任血管，可對(duì)術(shù)前決策和手術(shù)入路的制定提供幫助。YAO等[40]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用3D slicer多模態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可明確神經(jīng)血管位置關(guān)系和神經(jīng)根受壓程度，術(shù)前為術(shù)者提供一個(gè)可視的三維立體模型，明確術(shù)中實(shí)際責(zé)任血管的位置關(guān)系，降低手術(shù)的難度。由于術(shù)區(qū)解剖關(guān)系復(fù)雜多變，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高，同時(shí)由于技術(shù)局限，無(wú)論CT掃描還是MRI序列，判斷微小的責(zé)任血管具有一定難度[41]。研究發(fā)現(xiàn)利用3D slicer軟件實(shí)現(xiàn)多模態(tài)影響融合對(duì)后顱窩神經(jīng)血管進(jìn)行三維重建及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可指導(dǎo)責(zé)任血管精準(zhǔn)評(píng)估，為腦神經(jīng)血管減壓提高更加精準(zhǔn)的證據(jù)[42]。3D slicer軟件可輔助術(shù)者判斷責(zé)任血管，明確術(shù)區(qū)解剖關(guān)系，提高手術(shù)成功率。

4 總結(jié)與展望

3D slier是一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)處理和三維可視化程序[43]。經(jīng)3D slicer軟件實(shí)的影像融合技術(shù)輔助心臟外科指導(dǎo)瓣膜置換手術(shù)、呼吸內(nèi)科用于肺癌胸膜播散的預(yù)測(cè)、口腔科對(duì)于晚期唾液腺癌預(yù)后的預(yù)測(cè)以及泌尿外科引導(dǎo)前列腺癌的精準(zhǔn)穿刺活檢[44-47]，其在多學(xué)科領(lǐng)域已取得較為深入而廣泛的研究。

3D slicer在神經(jīng)外科的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，雖然已取得一些可喜的進(jìn)展和突破，但依然面臨很多尚未解決的問(wèn)題，如利用3D slicer軟件重建病灶三維模型需要包括CT和MRI的DICOM(digital imaging and communications in medicine)影像，質(zhì)量較差的二維影像直接導(dǎo)致模型重建的不理想，需重新進(jìn)行顱腦CT與MRI的掃描，增加了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。3D slicer軟件在模擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的過(guò)程中無(wú)法做到三維模型與病變部位的自動(dòng)匹配，仍需手動(dòng)調(diào)整方向確保術(shù)前病灶的精準(zhǔn)定位。3D slicer軟件難以實(shí)現(xiàn)類似于神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)中實(shí)時(shí)交互及錯(cuò)誤糾正的功能。隨著3D slicer軟件的普及，實(shí)現(xiàn)中文版本的3D slicer軟件迫在眉睫，優(yōu)化軟件、實(shí)現(xiàn)一鍵配準(zhǔn)、減少操作步驟是亟待解決的問(wèn)題。

3D slicer軟件在神經(jīng)外科疾病的術(shù)前診斷、病灶定位、手術(shù)規(guī)劃以及臨床教學(xué)中已展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，相信在未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DICOM影像的數(shù)字化傳輸，縮短從獲取二維影像到病灶三維重建的時(shí)間。3D slicer在腦血管疾病、功能性疾病、脊柱脊髓疾病等神經(jīng)外科領(lǐng)域中的研究仍相對(duì)不足，相信隨著對(duì)3D slicer軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，會(huì)在不久的將來(lái)為這些疾病的手術(shù)治療提供指導(dǎo)。