基于計算機建模的側(cè)腦室額角垂直穿刺方法研究

劉宇清 何炳蔚 黃繩躍 洪文瑤 廖正儉 練發(fā)楊

1)福建省立醫(yī)院 福建醫(yī)科大學省立臨床醫(yī)學院，福建 福州 350000 2)福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350000

側(cè)腦室額角穿刺為神經(jīng)外科的基本操作[1]，主要應(yīng)用于嚴重顱高壓的減壓、腦室內(nèi)感染與出血的外引流及給藥、VP分流手術(shù)等[2]，穿刺點、穿刺方向、穿刺深度是決定手術(shù)成敗的關(guān)鍵因素[3]。目前常用的穿刺方法為：取冠狀縫前2～3 cm，中線旁開2.5 cm，朝兩側(cè)外耳道假想連線中點方向穿刺[4]。但在手術(shù)時，由于冠狀縫辨認不清、手術(shù)鋪巾覆蓋兩側(cè)外耳孔、外耳道假想連線及中點位置需憑術(shù)者想象等原因，影響術(shù)者對穿刺點及穿刺方向的準確把握，降低了一次性穿刺成功率[5]。

因此，如果能找到一種更簡單易行的穿刺方法，術(shù)者可根據(jù)患者CT或MRI圖像所顯示的側(cè)腦室大小，通過選擇最佳穿刺點、穿刺方向及穿刺深度，降低人為因素影響，及時糾正穿刺偏差[6]，則可大大提高穿刺的一次性成功率，保證引流管準確進入側(cè)腦室，減少多次試穿刺造成的腦組織損傷[7]。

本研究利用計算機技術(shù)建立顱骨-側(cè)腦室虛擬模型，同時將側(cè)腦室大小予以歸類，選擇不同位置進行垂直顱骨鉆孔點的側(cè)腦室模擬穿刺，記錄穿刺結(jié)果并進行統(tǒng)計學分析，總結(jié)不同大小側(cè)腦室的最佳穿刺點及穿刺深度，用于指導臨床手術(shù)操作，實現(xiàn)個性化的側(cè)腦室額角穿刺。

1 資料與方法

1．1臨床資料選取福建省立醫(yī)院2014-05—2018-12顱腦CT檢查報告?zhèn)饶X室增大且無明顯受壓、變形、移位的成年患者(≥15歲)261例，其中男171例，女90例，年齡15～83歲。CT橫斷面層厚為1.25 cm。

1．1．1 側(cè)腦室占比的計算：按照以下方法計算261例CT圖像的側(cè)腦室寬徑與腦橫徑比例：以CT圖像眥耳線為基線，向上找到第一個完整顯示側(cè)腦室圖像的層面，分別標示兩側(cè)側(cè)腦室額角的內(nèi)側(cè)拐點a、b，連接a、b點并向兩側(cè)延長，通過兩側(cè)側(cè)腦室外緣(cd線，定義為側(cè)腦室寬徑)，到達兩側(cè)顱骨內(nèi)緣(ef線，定義為腦橫徑)，計算側(cè)腦室寬徑與腦橫徑之比即為側(cè)腦室占比。見圖1，該圖側(cè)腦室占比為52.68 mm/114.6 mm=46%。

圖1 側(cè)腦室占比計算圖Figure 1 Calculation of the lateral ventricles ratio

1．1．2 病例篩選：選取側(cè)腦室占比20%～60%患者204例為研究對象，男126例，女78例，年齡15～83歲；204例中側(cè)腦室占50%～60%20例，40%～<50% 56例，30%～<40%72例，20%～<30%56例，分別定為A、B、C、D 4組。

1．2方法

1．2．1 建立顱骨-側(cè)腦室三維虛擬模型：在計算機上分別讀取204例CT圖像的DICOM原始數(shù)據(jù)(圖2)，根據(jù)顱骨和側(cè)腦室的灰度值差異，重建顱骨-側(cè)腦室三維虛擬模型(圖3)。

1．2．2 模擬穿刺：①在顱骨-側(cè)腦室虛擬模型上取鼻根部(A點)沿矢狀線向上9～11 cm(B點)，垂直AB線向一側(cè)分別旁開2.0 cm(C1點)、2.5 cm(C2點)、3.0 cm(C3點)、3.5 cm(C4點)、4 cm(C5點)作為穿刺點(顱骨鉆孔點)，各長度均以顱骨表面曲線距離計算(圖4)。②構(gòu)建各穿刺點的切平面。以C1點為例，在距離C1點0.5cm的顱骨表面取三個點，三點彼此之間的夾角約為120度，通過該三點確定一輔助平面，將C1點投影至此輔助平面生成C1’點(圖5)。③通過C1’點拉伸一直徑為0.5 cm的虛擬引流管垂直輔助平面，該引流管的穿刺方向即垂直于顱骨鉆孔點C1所在切平面(圖6)。④按照以上步驟，204例顱骨-側(cè)腦室三維虛擬模型均制作出旁開距離為2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4 cm的5根虛擬引流管，判斷模擬穿刺效果(圖7)。評價標準：①穿刺成功：引流管進入同側(cè)側(cè)腦室額角；②穿刺失?。阂鞴芪催M入同側(cè)側(cè)腦室額角或進入對側(cè)側(cè)腦室。

圖2 CT原始數(shù)據(jù) A：矢狀位；B：冠狀位；C：橫斷位

Figure2Raw CT image (A：Sagittal；B：Coronal；C：Axial)

圖3 顱骨、側(cè)腦室三維虛擬模型 A：側(cè)腦室；B：顱骨；C：顱骨-側(cè)腦室

Figure33D virtual model of cranial and lateral ventricle (A：lateral ventricle；B：skull；C：skull-lateral ventricle)

圖4 確定穿刺點的旁開距離Figure 4 Determining the puncture point

圖5 制作輔助平面Figure 5 Making the auxiliary plane

圖6 制作垂直穿刺點的虛擬引流管Figure 6 Making a virtual drainage tube

圖7 模擬穿刺 a制作5根引流管 b判斷穿刺效果 c整體效果圖

Figure7Simulated puncture (a Production of5drainage tube b Judge the puncture effect c Overall renderings)

1．2．3 數(shù)據(jù)測量：分別標記通過C1～C5穿刺點的5根虛擬引流管到達側(cè)腦室上表面的對應(yīng)位置P1～P5點，測量各P點到顱腦中線矢狀面的垂直距離(偏置距離)S1～S5(圖8)，并測量各C點到對應(yīng)P點的引流管長度(穿刺深度)H1～H5，以上測量穿刺失敗者不予計入(圖9)。

1．3統(tǒng)計學處理采用IBM公司SPSS22.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，計量正態(tài)分布資料用均值±標準差表示，組間差異比較采用單因素方差分析，計數(shù)資料用率表示，組間率的比較采用卡方檢驗或精確概率法。統(tǒng)計的數(shù)據(jù)有：(1)穿刺成功率統(tǒng)計，包括：①全樣本總體穿刺成功率；②5個穿刺點均成功的模型比例；③4組模型的穿刺成功率；④5個穿刺點在各組中的穿刺成功率；⑤每個穿刺點在全樣本中的穿刺成功率。(2)測量偏置距離及確定最佳旁開距離。(3)各組平均穿刺深度。

圖8 偏置距離測量圖 圖 9穿刺深度測量圖Figure 8 Measurement Figure 9 Depth measurement ofgraph of offset distance puncture

2 結(jié)果

2．1穿刺成功率

2．1．1 全樣本穿刺成功率：204例模型共實施1 020次穿刺，其中986次穿刺成功，成功率96.67%。

2．1．2 5個穿刺點均成功的模型比例：204例模型中，有186例5個穿刺點均穿刺成功，占91.18%。見表1。

2．1．3 4組模型的穿刺成功率：A組共穿刺100次，均穿刺到位，成功率100%；B組共穿刺280次，成功278次，成功率99.29%；C組共穿刺360次，成功356次，成功率98.89%；D組共穿刺280次，成功252次，成功率90%。見表2。

表1 5個穿刺點均成功率比較Table 1 List of five puncture points were all successful

注：5個穿刺點均成功的比例隨著側(cè)腦室占比的增加而增加，當側(cè)腦室占比50%～60%，成功率可達100%

表2 4組穿刺情況列表Table 2 List of four groups of puncture situations

注：卡方=53.547，P=0.000，提示4組間總體成功率差異具有統(tǒng)計學意義，隨著側(cè)腦室占比增加，穿刺成功率也不斷提高，當側(cè)腦室占比50%～60%，成功率可達100%

2．1．4 5個穿刺點在各組中的穿刺成功率：A組共20例，5個穿刺點均穿刺到位，成功率100%。B組共56例，旁開距離為2.0 cm和2.5 cm時各有55例穿刺到位，成功率98.21%；旁開距離為3.0 cm、3.5 cm和4.0 cm時所有模型均穿刺到位，成功率100%。C組共72例，旁開距離為2.0 cm和2.5 cm時各有71例穿刺到位，成功率98.61%；旁開距離為3.0 cm和3.5 cm時所有模型均穿刺到位，成功率100%；旁開距離為4.0cm時70例穿刺到位，成功率97.22%。D組共56例，旁開距離為2.0 cm時52例穿刺到位，成功率92.86%；旁開距離為2.5 cm時54例穿刺到位，成功率96.43%；旁開距離為3.0 cm時51例穿刺到位，成功率91.07%；旁開距離為3.5 cm時50例穿刺到位，成功率89.29%；旁開距離為3.5cm時45例穿刺到位，成功率80.36%。見表2。說明：側(cè)腦室占比30%～<60%時，隨著旁開距離的增加，穿刺成功率呈增高趨勢；側(cè)腦室占比20%～<30%時，旁開距離2.5 cm穿刺成功率最高，隨著旁開距離的增加，穿刺成功率呈下降趨勢。

2．1．5 每個穿刺點在全樣本中的穿刺成功率：204例模型中，旁開距離為2.0 cm時198例穿刺到位，成功率97.06%；旁開距離為2.5 cm時200例穿刺到位，成功率98.04%；旁開距離為3.0 cm時199例穿刺到位，成功率97.55%；旁開距離為3.5 cm時198例穿刺到位，成功率97.06%；旁開距離為4.0 cm時191例穿刺到位，成功率93.63%。見表3。

2．2偏置距離及最佳旁開距離4組5個穿刺點的偏置距離均值見表4。5個穿刺點的偏置距離在各組間的均值圖見圖10。采用單因素方差分析比較5個穿刺點各組間偏置距離S的均值，不同組間所測得的數(shù)據(jù)至少有2組之間差異具有統(tǒng)計學意義，組間兩兩比較結(jié)果見表5。

進一步根據(jù)4組中各旁開距離與平均偏置距離關(guān)系，擬合出圖11及其公式。若能在手術(shù)前重建顱骨-側(cè)腦室虛擬模型，計算出側(cè)腦室占比以及測量側(cè)腦室上表面最佳偏置距離，即可反推最佳穿刺點的旁開距離，為個性化的穿刺點確定提供依據(jù)。

圖10 4組5個穿刺點偏置距離均值圖Figure 10 Average figure of five puncture points offset distance of groups

表3 各穿刺點成功率比較

注：5個穿刺點間成功率比較，P>0.05

表4 4組間5個穿刺點偏置距離均值表Table 4 The mean table of 5 puncture points of each group

表5 各旁開距離下不同組間P值關(guān)系表Table 5 The relationship table of P values between different groups at different distances

注：引流管從各穿刺點位置進入側(cè)腦室上表面的位置是存在差別的，因此在實際操作時，有可能因人為失誤而導致穿刺失敗

圖11 各組旁開距離與平均偏置距離關(guān)系圖(圖中：A代表旁開距離，B代表平均偏置距離)Figure 11 The relationship between the side opening distance and the average deviation distance of each group (in the figure：A represents the side opening distance，and B stands for average offset distance)

但實際手術(shù)時，往往無法及時重建顱骨-側(cè)腦室虛擬模型，難以獲取每個患者的側(cè)腦室最佳偏置距離數(shù)據(jù)。為簡化穿刺點的選定，可計算每組側(cè)腦室占比的最佳穿刺點。根據(jù)5根穿刺管到達側(cè)腦室上表面的位置，確定相對最佳偏置距離(最接近側(cè)腦室額角上表面中點處)及其對應(yīng)的旁開距離，統(tǒng)計每組相對最佳旁開距離并求出平均值。可得側(cè)腦室占比大小為20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60% 的相對最佳平均旁開距離分別為2.55 cm 、2.67 cm、2.95 cm 和3 cm。因此，對于側(cè)腦室占比20%～<60%者，穿刺點的相對最佳旁開距離范圍為2.5～3 cm(圖12)。

2．3穿刺深度統(tǒng)計各組平均穿刺深度，可方便術(shù)者針對不同側(cè)腦室占比，穿刺時提前預(yù)知穿刺深度，若手術(shù)時超過平均穿刺深度范圍未見腦脊液流出，應(yīng)考慮可能出現(xiàn)偏差，須及時停止操作，尋找失誤原因，避免進一步損傷腦組織。

統(tǒng)計每組所有模型的相對最佳穿刺點到側(cè)腦室上表面對應(yīng)穿刺深度的H值，計算平均值及標準差，得出該組的穿刺深度范圍，50%～<60%、40%～<50%、30%～<40%、20%～<30%各組相對最佳引流管的H值范圍分別是：(3.3±0.6)cm、(3.6±0.7)cm、(4.2±0.6)cm、(4.6±0.7)cm，因此，從顱骨表面到側(cè)腦室上表面的最大深度不超過5.3 cm。見表10。

圖12 各組相對最佳旁開距離人數(shù)統(tǒng)計表Figure 12 Table of population of relative optimal distance of each group

表6 最佳穿刺點的穿刺深度范圍表Table 6 Table of puncture depth range of best puncture points

3 討論

側(cè)腦室額角穿刺術(shù)是神經(jīng)外科醫(yī)生必須熟練掌握的基本操作之一[8]。該手術(shù)看似簡單，但由于術(shù)中依靠想象徒手盲穿[9]，在穿刺過程中無法及時了解引流管的運動軌跡[10]，難以判斷失誤原因[11]，甚至會出現(xiàn)已經(jīng)偏離正確方向，仍繼續(xù)盲目穿刺，使引流管到達丘腦、腦干等重要部位，或者穿刺到對側(cè)，導致腦內(nèi)出血及腦組織損傷[12]。因此，如何快速準確地一次性穿刺到達理想的側(cè)腦室位置，一直是神經(jīng)外科醫(yī)師追求的目標[13]。

本研究通過計算機建模技術(shù)制作顱骨-側(cè)腦室虛擬模型，驗證垂直顱骨鉆孔點的側(cè)腦室額角穿刺的可行性，并對決定該手術(shù)成敗的關(guān)鍵因素穿刺點、穿刺方向、穿刺深度進行統(tǒng)計分析，其研究方法基于如下思路：(1)穿刺點取鼻根部上方矢狀線上9～11 cm，向一側(cè)分別旁開2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm、4 cm，主要是考慮到盡量將切口置于發(fā)際內(nèi)、冠狀縫前[14]；最內(nèi)側(cè)穿刺點取中線旁開2 cm可避開上矢狀竇[15]；沿顱骨的曲度計算旁開距離可與實際測量一致。(2)制作穿刺點的虛擬切平面時，以穿刺點為中心，在距離穿刺點0.5 cm的顱骨表面上取三個點，三點之間彼此夾角為120度，三點確定一個平面，可近似為通過穿刺點的切平面。(3)計算側(cè)腦室占比時，選擇CT圖像眥耳線上方側(cè)腦室完全顯示的第一個層面作為統(tǒng)一計算層面，額角內(nèi)側(cè)中線處拐點作為側(cè)腦室寬徑及腦橫徑的測量標志點，是因為每個患者即使側(cè)腦室大小變化，該拐點始終存在，且位置相對固定，易于辨認確定，可統(tǒng)一計算標準，減少誤差[16]。(4)計算偏置距離及穿刺深度均以引流管到達側(cè)腦室上表面的位置計算，是為了能更準確方便地測量。(5)垂直于顱骨鉆孔點的穿刺手術(shù)，不受手術(shù)鋪巾覆蓋影響，無需想象兩側(cè)外耳道連線中點，可大大減少人為因素的影響。

本研究統(tǒng)計結(jié)果表明，計算機模擬垂直于顱骨鉆孔點的側(cè)腦室額角穿刺法總體成功率高，大部分模型5個穿刺點均能穿刺到位，驗證了該方法的可行性。雖然從全樣本中各旁開距離穿刺成功率來看，旁開距離的選取無明顯差異，但統(tǒng)計偏置距離后發(fā)現(xiàn)，各穿刺點引流管在進入側(cè)腦室時位置是存在差別的，這必然導致在實際操作時由于不可避免的人為誤差(如手抖等)，有部分穿刺無法到位。在進一步測量統(tǒng)計最佳偏置距離及最佳穿刺點、穿刺深度后，我們認為：對于側(cè)腦室占比為20%～<60%者，若能在手術(shù)前計算側(cè)腦室占比，在計算機上重建顱骨-側(cè)腦室模型，測量側(cè)腦室上表面中點偏置距離，即可根據(jù)制作的圖表及公式選擇穿刺點，并測量該點到側(cè)腦室上表面中點的距離即穿刺深度，可實現(xiàn)個性化穿刺，否則也可取中線旁開2.5～3 cm作為穿刺點，穿刺點到側(cè)腦室上表面的深度不超過5.3 cm。

本研究通過建立顱骨-側(cè)腦室模型，根據(jù)CT圖像，按照統(tǒng)一的簡單易行的標準測量側(cè)腦室寬徑與腦橫徑，計算側(cè)腦室占比，經(jīng)虛擬穿刺證實垂直于顱骨的側(cè)腦室額角穿刺法是一種成功率較高的方法，該穿刺方法操作簡單，人為影響因素少，易于掌握推廣，在操作時穿刺點、穿刺方向和穿刺深度可提前預(yù)知，有效避免穿刺偏差，提高手術(shù)精確性、穩(wěn)定性、安全性，保證手術(shù)成功率。目前本研究僅僅為計算機模擬穿刺，仍需臨床實際手術(shù)驗證，同時，下一步擬將該方法應(yīng)用于計算機學習的研究，使計算機學習技術(shù)從目前在醫(yī)學中的應(yīng)用僅僅是診斷層面上升到輔助手術(shù)設(shè)計的高度。