3D-Slicer軟件在顱內(nèi)病變手術(shù)定位中的應(yīng)用

楊森源 周曉斌 賴潤(rùn)龍 陳煜 薛澤彬 孫曼珊 李勇

隨著神經(jīng)外科新技術(shù)神經(jīng)導(dǎo)航、術(shù)中超聲、ROSA機(jī)器人等技術(shù)的應(yīng)用，目前神經(jīng)外科手術(shù)的目的均趨向于以顱內(nèi)病灶為中心，力求最小的神經(jīng)損傷，獲得最佳的治療效果[1-3]。然而神經(jīng)導(dǎo)航、ROSA機(jī)器人的臨床使用雖然使神經(jīng)外科手術(shù)更加精準(zhǔn)和微創(chuàng)，但成本高昂。 3D-Slicer是一個(gè)免費(fèi)、開(kāi)源的醫(yī)學(xué)影像軟件平臺(tái)(http://www.slicer.org)，用以圖像分析(包括配準(zhǔn)和實(shí)時(shí)編輯)，圖像可視化以及圖像引導(dǎo)治療，擁有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，可以通過(guò)模塊嵌入方式來(lái)增加新的功能和應(yīng)用。3D-Slicer的出現(xiàn)可以讓臨床醫(yī)師更直觀地進(jìn)行解剖學(xué)習(xí)，對(duì)手術(shù)進(jìn)行術(shù)前評(píng)估，病變體表定位，引導(dǎo)精確穿刺等，從而使得廣大基層醫(yī)院的神經(jīng)外科醫(yī)生也能利用較少的資源進(jìn)行更精準(zhǔn)的微創(chuàng)手術(shù)。 我們利用個(gè)人電腦上3D-Slicer軟件進(jìn)行三維可視化影像重建并對(duì)顱內(nèi)病變進(jìn)行體表定位，術(shù)前同時(shí)利用二維影像圖像及體表標(biāo)志進(jìn)行傳統(tǒng)人工測(cè)量的方法進(jìn)行定位測(cè)量，比較兩種方法優(yōu)劣及準(zhǔn)確性。

對(duì)象與方法

一、對(duì)象

選取2018年11月1日～2019年12月31日期間我院神經(jīng)外科顱內(nèi)病變(腦腫瘤，腦出血，外傷，異物，動(dòng)脈瘤等)手術(shù)病人40例，其中男性22例，女性18例，年齡18～85歲，平均年齡(59.4±16.9)歲。40例病人中，腦腫瘤5例(包括額葉膠質(zhì)瘤2例，顳部腦膜瘤1例，蝶骨嵴腦膜瘤1例，小腦血管母細(xì)胞瘤1例)，高血壓腦出血21例(包括基底節(jié)區(qū)腦出血15例，額葉出血2例，小腦出血4例)，腦外傷9例，腦內(nèi)異物1例，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤1例(大腦中M1段動(dòng)脈瘤)，顱內(nèi)動(dòng)靜脈畸形2例(病灶位于額葉)，蛛網(wǎng)膜囊腫1例。入院時(shí)神志清楚18例，嗜睡6 例，昏睡6例， 朦朧4例，淺昏迷6例。所有病人術(shù)前均行頭顱CT或MRI檢查,影像學(xué)資料均包括冠狀位、矢狀位、軸位掃描，檢查前均在病變最大層面留置體表定位標(biāo)記以輔助術(shù)前定位。所有病人均在術(shù)后第一天復(fù)查頭顱CT。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)術(shù)前確診為神經(jīng)外科疾病并有絕對(duì)手術(shù)指征；(2)病人均自愿參與本研究，自愿簽署知情同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn)：合并有重大器官功能障礙或合并心功能不全、腎功能不全、惡性腫瘤等慢性病；來(lái)診時(shí)已呈深昏迷狀態(tài)(GCS<5分)或合并腦疝、生命體征不穩(wěn)定、需緊急搶救等；術(shù)后因各種因素?zé)o法復(fù)查頭顱CT等。

二、方法

1.影像數(shù)據(jù)獲取及3D Slicer軟件定位：收集病人術(shù)前頭顱CT、MRI影像學(xué)(薄層掃描，層厚為2.0 mm)電腦數(shù)據(jù)資料DICOM，將影像學(xué)資料導(dǎo)入3D-Slicer軟件進(jìn)行三維重建建模。在3D-Slicer軟件內(nèi)對(duì)所有病人頭顱進(jìn)行三維重建獲取重建后三維頭顱圖像，并對(duì)顱內(nèi)病變(血腫、腫瘤、異物、動(dòng)脈瘤等)進(jìn)行三維建模，將重建所獲得的兩份圖像在電腦或手機(jī)圖像軟件中融合成一張圖像。這兩張圖片在Slicer中擁有一致的空間坐標(biāo)參數(shù)，屬于統(tǒng)一參考系統(tǒng)，重疊后能準(zhǔn)確還原病變?cè)陬^顱上的位置。以血腫為例，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 顱內(nèi)血腫水平面、冠狀面及矢狀面影像

圖2 a 顱內(nèi)血腫三維建模；b 頭皮及頭皮標(biāo)記物；c、d 頭顱三維圖像拼合后所顯示的血腫在頭顱上的投影

麻醉成功后頭部以mayfeld頭架固定，在頭顱上標(biāo)記出冠狀縫、矢狀縫的位置，將融合的三維圖像導(dǎo)入手機(jī)軟件Sina，以手機(jī)攝像頭將拼合后的圖像投影到病人頭顱表面。連接虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)眼鏡并固定在三腳架上以防手持的不穩(wěn)定，在術(shù)中進(jìn)行圖像-頭顱融合，對(duì)顱內(nèi)病變進(jìn)行體表定位，按照手機(jī)圖片輪廓在病人頭顱標(biāo)記出病變的輪廓。定位時(shí)可以選擇矢狀縫、冠狀縫或者做參考，也可以選頭皮標(biāo)定點(diǎn)做參考，匹配后即可在病人頭部畫(huà)出病變位置。

2.傳統(tǒng)定位方式 ：簡(jiǎn)易定位病人根據(jù)術(shù)前頭部CT 影像為定位依據(jù)，通常選取血腫最大層面中后1/3 處為置管靶點(diǎn)，以聽(tīng)眥線為基線，選取血腫長(zhǎng)軸距離置管靶點(diǎn)最近的顳部或額部投射點(diǎn)作為穿刺點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)在預(yù)設(shè)穿刺點(diǎn)粘貼 1 枚或多枚標(biāo)記物(一次性心電電極)。病人佩戴標(biāo)記物 再次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)頭部 CT 檢查， 必要時(shí)可調(diào)整標(biāo)記物位置多次掃描，于計(jì)算機(jī)上進(jìn)行閱片分析，確認(rèn)穿刺點(diǎn)并進(jìn)行標(biāo)記，測(cè)量置管靶點(diǎn)距穿刺點(diǎn)處顱骨距離。

3.兩種方法比較：術(shù)中直視下、術(shù)后CT或MRI復(fù)查對(duì)比兩種定位方法的準(zhǔn)確性：如為腫瘤，異物，動(dòng)脈瘤等需要手術(shù)摘除的病變，術(shù)中確定病變部位后，分別測(cè)量術(shù)前兩種定位標(biāo)記中心點(diǎn)距離術(shù)中發(fā)現(xiàn)病變中心點(diǎn)的距離，并做好記錄；如為血腫行鉆孔引流術(shù)，術(shù)后復(fù)查CT后，測(cè)量引流管中心點(diǎn)分別距離術(shù)前血腫中心點(diǎn)的距離并記錄(圖3、圖4、圖5)。

圖3 a 右側(cè)基底節(jié)區(qū)腦出血病人；b 術(shù)后第一天復(fù)查頭顱CT，提示術(shù)前定位準(zhǔn)確；血腫清除滿意

圖5 一例顳部腫瘤，術(shù)中病人大腦中動(dòng)脈與腫瘤關(guān)系

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié)果

40例病人術(shù)前三維重建、測(cè)量數(shù)值及導(dǎo)入手機(jī)用時(shí)平均約(22.0±2.6)分鐘，其中21例高血壓腦出血病人使用3D-Slicer軟件重建后血腫量在20～55 ml之間，所有病人術(shù)前均無(wú)腦疝表現(xiàn)，術(shù)前生命體征穩(wěn)定。40例病例中，采用3D-Slicer軟件輔助術(shù)前定位方式，其最終定位距病變中心的距離為(0.24±0.14)cm，而采用傳統(tǒng)定位方法的定位與病變中心距離為(0.48±0.30)cm，兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。其中，3D-Slicer軟件輔助下的定位中偏離最大距離為0.68 cm，其余病例均<0.50 cm，而采用傳統(tǒng)方法的定位最大偏離距離為1.51 cm，共有13個(gè)病例偏離距離>0.5 cm。所有病例均未出現(xiàn)腦功能區(qū)及重要血管結(jié)構(gòu)的損傷。術(shù)后40例病人均預(yù)后良好，經(jīng)治療后好轉(zhuǎn)出院。

討論

神經(jīng)外科發(fā)展到微創(chuàng)神經(jīng)外科階段是以CT、MRI等現(xiàn)代影像學(xué)為基礎(chǔ)的。三維可視化醫(yī)學(xué)影像是大勢(shì)所趨，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，神經(jīng)外科手術(shù)的操作將更加精準(zhǔn)[4]。在個(gè)人電腦上3D-Slicer軟件對(duì)病人頭顱病變(腫瘤，出血，異物，動(dòng)脈瘤等)的CT、MRI二維影像進(jìn)行三維可視化影像重建，將重建的圖像導(dǎo)入到手機(jī)Sina軟件中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡在術(shù)中進(jìn)行圖像-頭顱融合來(lái)對(duì)顱內(nèi)病變進(jìn)行體表定位，較利用二維影像圖像進(jìn)行傳統(tǒng)人工測(cè)量的方法更加簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。

基層醫(yī)院由于地理位置的限制及其特殊性，有較多的腦出血、動(dòng)脈瘤以及淺表腫瘤病人。對(duì)于高血壓腦出血病人，目前越來(lái)越多的采用微創(chuàng)鉆孔引流的手術(shù)方式，這就需要術(shù)前進(jìn)行精確的定位。盡管神經(jīng)導(dǎo)航已成為一項(xiàng)成熟的輔助技術(shù)，限于基層醫(yī)院財(cái)力、物力等客觀因素，無(wú)法購(gòu)置昂貴的設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的神經(jīng)導(dǎo)航。

3D-Slicer 軟件是由哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源圖像分析處理平臺(tái),操作相對(duì)簡(jiǎn)單,且支持功能擴(kuò)展和改進(jìn)[5]，在我國(guó)廣泛應(yīng)用于各類顱腦手術(shù)的術(shù)前評(píng)估、病變體表定位及精準(zhǔn)穿刺。通過(guò)3D-Slicer軟件對(duì)病人頭顱CT、MRI二維影像進(jìn)行三維可視化影像重建，將重建的圖像融合后導(dǎo)入到手機(jī)Sina軟件中,可以直觀顯示顱內(nèi)病變及其周圍組織的解剖結(jié)構(gòu),增加術(shù)前定位的準(zhǔn)確性[6-7]。與傳統(tǒng)手術(shù)計(jì)劃相比，結(jié)果更加真實(shí)可靠。

在高血壓腦出血病人的治療中，本研究對(duì)21例高血壓性腦出血病人的術(shù)前CT 數(shù)據(jù)資料應(yīng)用 3D-Slicer 軟件進(jìn)行三維重建，均在較短時(shí)間內(nèi)完成，在沒(méi)有粘貼頭皮標(biāo)記物、額外進(jìn)行 CT 掃描、導(dǎo)航信息注冊(cè)等操作的輔助下，均準(zhǔn)確到達(dá)病變位置。同時(shí)根據(jù)術(shù)前3D-Slicer軟件重建結(jié)果，所有病例均成功避免腦功能區(qū)及重要血管結(jié)構(gòu)的再次損傷，并且在一定程度上節(jié)省了手術(shù)時(shí)間。本文中圖4、圖5的病例經(jīng)過(guò)3D-Slicer 軟件重建后的圖像可以清晰地顯示腫瘤與顱內(nèi)血管的關(guān)系，并在術(shù)中確證兩者的毗鄰關(guān)系，可以較好地評(píng)估腫瘤血供情況以及協(xié)助術(shù)前評(píng)估，并進(jìn)一步指導(dǎo)術(shù)中規(guī)避功能區(qū)血管，避免損傷。采用3D-Slicer軟件可以提高神經(jīng)外科手術(shù)的精準(zhǔn)性，節(jié)省手術(shù)時(shí)間及減少手術(shù)并發(fā)癥。崔亞輝等[8]指出，對(duì)于形狀不規(guī)則的血腫，運(yùn)用傳統(tǒng)的血腫估計(jì)方式及定位方式可能存在較大的誤差，而采用3D-Slicer軟件不僅可以有效提高對(duì)顱內(nèi)血腫量估算準(zhǔn)確性，還能在微創(chuàng)手術(shù)的精準(zhǔn)定位上發(fā)揮重要的作用。

在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、顱內(nèi)異物及腦腫瘤的術(shù)前準(zhǔn)備評(píng)估中，借助于3D-Slicer軟件的三維重建圖像和手術(shù)模擬,還能讓術(shù)者獲取大量立體解剖信息，更清楚了解術(shù)區(qū)的解剖關(guān)系，從而樹(shù)立術(shù)者的信心。術(shù)者可根據(jù)三維重建圖像進(jìn)行個(gè)體化手術(shù)入路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，對(duì)于表淺的病變，可以規(guī)避腦功能區(qū)及重要血管結(jié)構(gòu)的損傷，而對(duì)于深部的病變則可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，提高手術(shù)成功率并減少手術(shù)并發(fā)癥[9]。有學(xué)者指出，對(duì)于位于深部腦組織、血管分支復(fù)雜或存在較高變異的動(dòng)脈瘤，3D-Slicer軟件為臨床上病變的定位及診療方案的制定起到更有效的指導(dǎo)意義[10]。另一方面，3D-Slicer軟件能向臨床醫(yī)師、病人及家屬呈現(xiàn)更加直觀的手術(shù)方式及風(fēng)險(xiǎn)的解釋，協(xié)助臨床醫(yī)師在術(shù)前談話中關(guān)于手術(shù)方式和風(fēng)險(xiǎn)的告知，同時(shí)增加病患及家屬的理解，從而避免因?qū)I(yè)知識(shí)缺乏及理解不全面引起的焦慮及疑惑[9,11]。

3D- Slicer的出現(xiàn)，不僅降低了實(shí)現(xiàn)三維可視化影像的門檻，還改變了醫(yī)生對(duì)傳統(tǒng)二維影像的認(rèn)知模式，直觀的進(jìn)行解剖學(xué)習(xí)，對(duì)手術(shù)進(jìn)行術(shù)前評(píng)估，病變體表定位，引導(dǎo)精確穿刺等，從而使得廣大基層醫(yī)院的神經(jīng)外科醫(yī)生也能利用較少的資源進(jìn)行更精準(zhǔn)的微創(chuàng)手術(shù)。固然，傳統(tǒng)定位方式及體表定位對(duì)于學(xué)習(xí)神經(jīng)解剖及培養(yǎng)臨床思維很重要。然而在未來(lái)，隨著社會(huì)更全面的信息化及5G網(wǎng)絡(luò)的普及，3D-Slicer將得到廣泛應(yīng)用并有可能替代傳統(tǒng)定位方式。

本研究存在以下不足之處：(1)3D-Slicer 軟件的模型重建需用到一定序列掃描,要想形成較為清晰的模型，需有較高質(zhì)量的影像掃描數(shù)據(jù)，對(duì)部分基層醫(yī)院及設(shè)備條件有限的單位則可能受到限制；(2)本研究為單中心研究，且樣本量較少,尚需要多中心、大樣本研究；(3)本研究?jī)H通過(guò)術(shù)前掃描原始數(shù)據(jù)三維重建以提供術(shù)中定位指導(dǎo)，未聯(lián)用術(shù)中CT、MRI 及導(dǎo)航等技術(shù)，無(wú)法進(jìn)行術(shù)中精確的實(shí)時(shí)評(píng)估。

3D-Slicer 軟件是一種可操作性強(qiáng)、便捷、功能強(qiáng)大的軟件，在臨床上已廣泛被接受并應(yīng)用于臨床工作。術(shù)前通過(guò)應(yīng)用3D-Slicer 軟件可以為顱內(nèi)病變手術(shù)提供精確、可靠的術(shù)中定位，更有效提高手術(shù)成功率，減少手術(shù)并發(fā)癥。