3D Slicer在高血壓腦出血外科治療中的應用①

夏學巍

(桂林醫學院附屬醫院,廣西 桂林 541001)

高血壓腦出血常伴有高血壓病史,與缺血性中風相比,其發病率和病死率更高,占中風病死總數的一半或更多[1]。在我國,≥20歲的人群中,因卒中死亡的人數高達112萬,約占全球卒中死亡率的17.5%,其中農村地區仍然是我國卒中死亡的“重災區”[2]。高血壓腦出血的發病人群有逐年上升的趨勢且趨向年輕化,早期干預更有利于腦出血患者日常生活能力改善[3]。因此,既往已有許多學者提出導航定位輔助、神經內鏡、小骨窗開顱等微創治療,血腫清除率高,創傷小,可明顯改善患者預后[4-5]。我國農村地區卒中死亡率較城市地區高,這可能與城市地區經濟發展較好、醫療水平較高等因素有關。因此,基層醫院應積極開展腦血腫清除術,并致力做到更精準、創口更小。

3D Slicer軟件是美國國立衛生研究院支持的開放源代碼平臺,用于醫學圖像信息學、圖像處理和3維可視化,能夠基于CT、MRI等影像數據對解剖進行3維重建,并精準定位相關生理或病理結構[6]。3D Slicer軟件支持功能擴展,可進行動態建模,實現低成本3維可視化導航[7]。高血壓腦出血,常常是由于高血壓引起腦實質血管破裂的顱內出血,微創技術用于腦血腫清除一直是神經外科研究的重點[8]。筆者就3D Slicer在高血壓腦出血外科治療中的應用研究進展進行綜述。

1 3D Slicer的應用

3D Slicer可應用于許多疾病的治療中。肺癌的分期及侵襲性是選擇治療方式的決定性因素,治療前將胸部CT增強圖像導入3D Slicer,并對感興趣區域進行重建及描繪,觀察相關放射學特征以進行肺癌分期及預后評估[9-10]。在治療兒童Wilms腫瘤時,3D Slicer有助于外科醫生對腫瘤、健康腎臟、病理性腎臟、動脈和靜脈血管進行分割,制訂手術計劃[11]。前列腺癌的骨盆轉移影響患者預后,Hayakawa等[12]使用3D Slicer手動繪制骨盆轉移灶的輪廓,結果顯示,最大2維直徑為轉移性前列腺癌患者的重要預后因素。顳骨自發性腦脊液漏的特征是未發現顱骨骨瘤前,出現骨質變薄且伴有腦脊液漏。3D Slicer通過顱骨重建,驗證顱骨骨厚度存在種族差異,以及肥胖癥的早期發作可能會通過逆轉年齡而使患者容易發生自發性腦脊液漏[13]。另外,3D slicer擴展模塊GrowCut可應用于膠質母細胞瘤患者,可以進行精準腫瘤分割并計算體積,用于腫瘤術前規劃及確定術中切除范圍[14]。Soon等[15]使用3D slicer對66名腦膜瘤患者術前2次的MRI數據進行腫瘤3D重建,以此評估腦膜瘤體積增長率。結果提示,體積增長率與腦膜瘤患者預后顯著相關。3D slicer在某些疾病的預后評估、放射特征評估、腫瘤分期、手術方式選擇等方面均起到重要的輔助作用。

2 3D Slicer在高血壓腦出血外科治療中的應用

2.1 術前評估

高血壓腦出血治療方法的選擇主要取決于血腫的大小、位置及臨近周圍神經血管,在術前對血腫的位置、體積進行評估,有助于治療方案的制定。根據頭顱CT影像計算血腫大小的方式主要有3種:Tada公式(ABC/2公式)、切片法和3D slicer。Tada公式與切片法對于形態規則、邊界清楚的血腫體積計算較為準確,形態不規則時,則計算結果誤差較大;3D slicer計算的誤差更小、精度更高、結果更穩定[16-17]。使用3D slicer軟件對腦出血CT放射學特征進行預后危險因素評估,將血腫形態進行3維重建,計算并統計血腫體積、表面積和表面規則性等因素,發現血腫基線體積與3維形狀不規則是血腫擴大的危險因素[18]。

3D slicer應用于腦出血術前的鑒別診斷。3D Slicer重建動脈瘤形態,可明確腦出血病因,可與高血壓腦出血相鑒別[19],同時,術前將頸部CTA數據導入3D Slicer重建血管形態,可準確地顯示出血部位與每個動脈瘤之間的空間關系,有助于術前確定多發顱內動脈瘤患者的責任動脈瘤[20]。3D Slicer可清晰顯示動脈瘤、腦組織、顱骨和神經之間的關系,幫助神經外科醫生更好地完成術前鑒別及手術準備[21]。

2.2 術中輔助

腦出血的治療,特別是深部血腫的手術方式選擇尚沒有統一標準,常見的手術方式有神經內鏡手術、微創穿刺引流和開顱手術等。Fu等[22]使用3D Slicer重建血腫模型,找到距離血腫最近的神經內鏡手術路徑,術中將重建圖像傳入Sina手機軟件,實現虛擬現實,實時定位,完成手術路徑規劃。術中使用神經內鏡清除血腫,清除效果滿意,具有直觀、有效等優點。彭逸龍等[23]將術前頭顱CT數據導入3D Slicer完成重建,規劃穿刺路徑,聯合虛擬現實軟件,術中實時動態跟蹤,實現術中導航穿刺血腫腔,完成基底節區腦血腫穿刺引流術,手術平均時長26 min,清除率滿意。3D Slicer結合移動AR系統,實現低成本虛擬現實,使得術中完成動態實時跟蹤,代替部分神經導航功能,目前多用于血腫穿刺引流[24]。

2.3 預后評估

腦出血患者的致死率、致殘率極高。Qiu等[25]術前獲取基底節區腦出血患者頭顱CT,利用3D Slicer重建神經纖維束,直觀評估血腫損傷纖維束情況,以此判斷患者偏癱及預后情況。楊鐵牛等[26-27]應用3D Slicer清除腦血腫,將3D Slicer輔助微創穿刺置管術定義為實驗組,開顱顯微手術定義為對照組。結果發現實驗組的并發癥發生率明顯低于對照組,認為3D Slicer輔助可明顯縮短手術時間,從而減少并發癥的發生,改善患者預后。

3D Slicer在腦出血的應用中,通過術前觀察形態,獲取相關影像學參數,規劃手術入路或穿刺路徑;術中聯合AR系統實現低成本虛擬現實,實時獲取動態數據,完成導航功能,提高血腫清除率,減少手術時長;術后重建皮質脊髓束,可觀察損傷情況,評估患者預后。

3 3D Slicer軟件與神經導航功能

在神經外科領域,已經開發并實施了幾種旨在更好地進行術中可視化的技術,其中包括傳統紅外導航、增強現實神經導航、立體定向導航等[28-29]。技術的進步主要體現在神經外科術中導航的簡便性、可靠性和流程順暢[8]。Katsuki等[5]分析75例神經內鏡下實施血腫清除術的高血壓腦出血患者,采用單變量和多變量回歸分析,發現缺乏神經導航是內鏡下實施血腫清除術治療腦出血的不良預后危險因素。術中使用導航治療垂體瘤,可提高癥狀緩解率、腫瘤全切率及降低再治療率[30]。Joud等[31]使用神經導航輔助小兒彌漫性浸潤性橋腦膠質瘤活檢術,成功率高,定位準確,不損傷周圍橋腦組織。

術前使用3D Slicer對腦內血腫進行3D重建,手術中將圖像結果導入Sina手機軟件或AR系統,可以實現術前規劃穿刺路徑、術中實時定位及3維可視化,實現部分神經導航功能[22-24]。目前,3D Slicer在導航中的應用主要體現在腦血腫清除等精準度要求不高的神經外科疾病中,其他疾病的導航功能開發仍在繼續。

神經導航具有精度高、定位準、應用廣等優勢,在處理解剖結構復雜,周圍神經、血管關系密切,以及要求盡可能全切等需要精準定位的病變時顯得尤為重要。但神經導航也存在著不可忽視的弊端:價格昂貴、操作復雜、難以普及[32]。現實中,基層醫院往往沒有神經導航設備,與此同時,腦血腫清除術術前規劃及術中定位等并不需要太高的精度及準確度。因此,3D Slicer完全可以通過結合開源免費的手機軟件實現術中導航及3維可視化,滿足基層醫院需要。

3D Slicer是一款醫學影像處理與3維可視化的免費開源軟件,可用于許多疾病的診斷、術前評估、手術輔助及預后判斷。同時,軟件可實現術中3維可視化,部分代替神經導航功能,在許多基層及下級醫院已成為腦出血手術治療的有效輔助方法。3D Slicer支持自主開發代碼,創建擴展應用,這讓使用者有充分的自主創新力,加之3D Slicer有實用性強、操作簡單、設備要求低等優勢,無疑為神經外科醫師提供了更多的創作空間。另外,3D Slicer仍有許多需要解決的問題,相信在不久的將來,3D Slicer將為基層醫院外科手術治療高血壓腦出血提供更精準、完善的輔助作用。