3D Slicer軟件在神經外科手術中的臨床應用

馬龍濤 馬紹玉

由于顱腦解剖結構復雜，功能重要，手術要求高，最大程度的切除病灶及保護腦功能是神經外科醫生常常需要權衡的問題。三維切片（three dimensional slicer，3D Slicer）軟件是由哈佛大學和麻省理工學院聯合開發、開源的圖像分析及處理平臺，對計算機配置要求不高，且具有擴展及升級功能，將掃描的原始數據導入軟件進行處理即可獲得三維立體模型，可進行多方位觀察、測量［1］。目前，3D Slicer軟件在高血壓腦出血、腦動脈瘤手術、顱內腫瘤、微血管減壓術、乙狀竇后入路關鍵孔的定位、三叉神經痛球囊壓迫術等手術中已開始應用，也有學者用于評價腦積水腹腔分流術后效果［2］。本文就目前3D Slicer軟件在神經外科的應用進行綜述，旨在充分認識和利用該軟件。

1 3D Slicer軟件在腦內血腫手術中的應用

高血壓腦出血作為一種死亡率高、致殘率高的疾病，是臨床上常見的急危重癥，占所有自發性腦出血的50%～70%［3-5］。高血壓腦出血起病較急，血腫體積增長快，可迅速形成占位效應，引起高顱壓，手術治療是迅速解決高顱壓、占位效應的有效方法［6-7］。血腫體積既是手術指征的重要參考指標，也是高血壓腦出血患者預后的重要參考依據［8-9］。血腫體積的計算目前臨床上多采用多田公式［10］。而崔亞輝等［11］通過研究103例基底節區出血患者，依據血腫大小及血腫形狀進行分組，分別應用多田公式及3D Slicer軟件測量血腫體積，結果顯示由于受血腫形狀的影響多田公式在血腫體積計算上準確性低，尤其對于不規則血腫差異性較大，而3D Slicer軟件利用計算機斷層掃描（computed tomography，CT）掃描原始影像學數據進行三維重建血腫模型，計算血腫體積，不受血腫形狀的影響，結果準確可靠（圖1）。應用3D Slicer軟件進行血腫體積的計算，更利于手術指征的把握。3D Slicer軟件在術前的規劃中發揮著重要的作用。李知陽等［12］將72例高血壓腦出血患者分為3D Slicer軟件聯合神經內鏡血腫清除術組及CT定位下鉆孔引流術組，研究發現，在3D Slicer軟件輔助下于神經內鏡下清除血腫，具有血腫清除率更高，術后并發癥率更低，預后更好的特點（圖2）。彭逸龍等［13］應用3D Slicer軟件聯合手機Sina軟件對20例高血壓腦出血患者進行血腫穿刺引流，20例均成功穿刺血腫，15例到達預設的位置，定位精確，成功率高，效果良好，對手術操作具有一定的指導。有學者將實施腦出血穿刺引流術的50例患者分為觀察組與對照組，觀察組利用3D Slicer軟件輔導3D打印導板技術對患者實施穿刺引流，對照組采用常規簡易定位方法實施手術，觀察組臨床總有效率（96.0%）高于對照組（68.0%），差異具有統計學意義［14］。3D Slicer軟件通過處理腦出血術前影像學數據，設計穿刺導板，結合3D打印技術輔助腦出血穿刺引流術，術中定位準確，降低術后并發癥發生率，縮短住院時間，效果顯著［15］。

圖1 3D Slicer軟件三維重建血腫后精確計算血腫體積

圖2 3D Slicer三維重建血腫后頭皮投影

2 3D Slicer軟件在大面積腦梗死手術中的應用

腦梗死的患者在腦卒中患者中占80%，大面積腦梗死的患者死亡率高，致殘率高，往往預后不佳，去骨瓣減壓術是挽救患者生命的外科治療方法，有學者利用3D Slicer軟件輔助定位去骨瓣減壓范圍，與傳統大骨瓣減壓相比，明顯提高了臨床療效，改善了患者預后［16］。李政等［17］利用3D Slicer軟件通過重建術前與術后頭顱CT影像學資料，通過分析得出較小的術前全腦體積、較大的術前梗死腦組織∕全腦體積比是腦梗死患者去骨瓣減壓術后短期內預后不良的危險因素。

3 3D Slicer軟件在顱內動脈瘤手術中的應用

顱內動脈瘤是顱內動脈血管壁的瘤樣突起，該突起為永久性擴張，一旦破裂就會急性發病引發嚴重后果。約85%的自發性蛛網膜下腔出血由顱內動脈瘤破裂引起［18］。目前治療顱內動脈瘤常規方法有血管內治療和開顱夾閉［19］。雖然腦血管造影術是診斷顱內動脈瘤的金標準，但由于其有創性，需要在麻醉下進行（局麻或全麻），具有費用高，風險高等缺點，有可能被相對無創、安全的計算機斷層掃描血管造影（computed tomography angiography，CTA）取代［20］。有研究表明利于3D Slicer軟件重建3DCTA動脈瘤與腦血管造影在診斷上具有相同的靈敏度與特異度［21］。有學者使用3D Slicer軟件重建動脈瘤及其周圍血管三維模型，通過測量動脈瘤的大小、大小比例、子母角，角度、血管角度等參數評價動脈瘤破裂的風險［22］。目前，CTA已成為蛛網膜下腔出血后篩查動脈瘤的首選檢查方法［23］。有研究表明CTA在評估動脈瘤夾閉術后殘留及血管閉塞方面具有較高的靈敏性和準確性，是顱內動脈瘤術后長期多次隨訪的可靠方法［24］。白雅林等［25］利用3D Slicer軟件重建并融合顱腦CTA，涉及到26例經翼點入路開顱患者，且患者滿足動脈瘤夾閉術后前交通動脈未破裂的要求，研究通過分析前交通動脈走向以及動脈瘤與載瘤動脈等相關組織、器官的三維解剖關系，為術前制定合適的手術計劃并于術前模擬手術過程，取得較好效果。李文華等［26］術前利用3D Slicer軟件三維重建動脈瘤模型及其周圍血管結構及部分骨性結構，模擬手術入路，能夠獲得更多立體解剖信息，指導制定手術計劃，做到精準夾閉，降低術中破裂的風險（圖3）。

圖3 3D Slicer重建動脈瘤模型及其周圍血管和部分骨性結構

4 3D Slicer軟件在顱腦腫瘤中的應用

顱腦腫瘤目前以手術為主要治療方式，最大限度的切除腫瘤及保護腦功能是外科醫生的追求，充分的術前規劃是精準切除腫瘤的有力保障。3D Slicer軟件在腦腫瘤切除方面具有廣泛的應用。有學者應用3D Slicer軟件輔助神經內鏡經鼻蝶入路進行垂體瘤切除術，根據是否使用3D Slicer軟件輔助手術，分為觀察組（應用3D Slicer軟件輔助手術）與對照組（單純神經內鏡經鼻蝶入路），與傳統的神經內鏡經鼻蝶入路進行對比，觀察組在術中出血量，手術時長，減少海綿間竇損傷及腦脊液漏發生率方面優于對照組，術后內分泌激素改善及改善視野缺損方面優于對照組［27］。有學者應用3D Slicer軟件利用多模態影像三維重建技術切除中央區矢狀竇旁腦膜瘤來指導手術，術中在最大程度地切除腫瘤的同時能夠較好的保護瘤周靜脈和大腦皮質，取得較好效果［28］。彭逸龍等［29］利用3D Slicer軟件處理患者術前多模態影像學數據，重建出腫瘤及其周圍結構，利用重建模型與患者家屬溝通，制定手術計劃，輔助開顱，可提高手術成功率，并在腦功能保護、減少術后并發癥方面發揮作用。馬龍濤等［30］術前利用3D Slicer軟件處理多模態影像學原始數據并重建腫瘤與鄰近結構的三維模型（圖4），通過立體觀察更好地掌握病灶與毗鄰結構的位置關系，利于病灶的切除及更好的保護腦組織，該方法可于術前模擬手術入路，精準規劃手術方案，腫瘤全切率高，并發癥少，提高患者生活質量。楊佳等［31］在腦干腫瘤手術中利用3D Slicer軟件重建腦干纖維束及毗鄰結構，可準確地觀察到纖維束的走行，了解到腫瘤與纖維束的三維空間位置關系，以便確定相對安全區，選擇最佳手術入路。綜上，使用3D Slicer軟件重建技術在最大限度的切除腫瘤的同時，又能夠很好的保護腦功能。目前腦膠質瘤在治療上以手術切除為主，術后輔助放療和化療等綜合治療手段，最大范圍安全切除腫瘤有助于延緩和預防腫瘤的進展與復發，改善生活質量［32］。如何實現腫瘤全切與腦功能保護的平衡是當下膠質瘤手術的難點與研究核心［33］。膠質瘤腫瘤細胞生長方式為呈膨脹性浸潤性的特點，手術時需以腦溝、腦回為邊界，沿著腫瘤與周圍毗鄰白質纖維束的走形進行"鏤刻式"切除，有助于神經功能的保護，從而降低術后致殘率，提高生活質量［34］。因此，神經膠質瘤手術術前定位至關重要［35］。目前臨床上主要以神經導航輔助定位，但是由于設備高昂、體位限制及腦脊液的丟失導致術中腦漂移等問題，使其在神經外科手術中的應用受限。而開源軟件3D Slicer可以重建出腦皮層及腫瘤周邊結構，結合相應設備或者坐標定位法輔助手術定位，利用自然解剖結構及術中超聲的輔助可減少術中因腦漂移引起的誤差，實現精準手術，適合推廣到各級醫院。

圖4 多模態影像三維模型

5 3D Slicer軟件在功能性手術中的應用

5.1 血管神經壓迫綜合征 原發性三叉神經痛及面肌痙攣是臨床上常見的血管神經壓迫綜合征，其臨床癥狀嚴重的影響患者的工作和生活，微血管減壓術是目前主要的治療手段［36-37］。術前通過影像學判斷是否存在責任血管及其走行，術中將責任血管及神經徹底分開是手術成功的關鍵所在［38］。目前臨床上主要通過磁共振成像技術（magnetic resonance imaging，MRI）來判斷責任血管與神經的關系［39-41］。但是由于MRI影像學數據為二維圖像，無法完全在三維空間結構上體現血管與神經的關系，利用3D Slicer軟件可以對術前MRI影像學數據進行配準融合，分別重建出血管、神經、腦干等結構，并對相應模型進行多方位立體觀察，有助于發現責任血管及其壓迫點，指導手術［42-43］（圖5）。研究發現術前利用3D Slicer軟件進行血管神經重建，責任血管Kappa值達0.921，顯著高于傳統影像閱片對責任血管的預測［44］。枕下乙狀竇后入路手術中準確的判斷橫竇乙狀竇移行處是開顱的重要步驟［45］。理想的關鍵孔既可顯露橫竇-乙狀竇移行處內側緣又能顯露部分硬腦膜的骨孔，能夠降低損傷橫竇及乙狀竇的概率，減少開顱時間，目前臨床上主要還是依據星點、顳骨巖部及枕骨等骨性結構進行定位［46-47］。但由于存在個體差異，術中開顱時難免出現定位偏移，引起靜脈竇損傷、顱骨缺損過多等情況［48］。劉桂彪等［49］基于橫竇-乙狀竇溝的位置實現關建孔的定位，利用星點坐標系在顱骨表面標記關鍵孔的位置進行顱骨的三維重建。楊吉鵬等［50］利用3D Slicer軟件輔助定位關鍵孔技術應用于20例患者的手術治療，并取得良好的效果，既縮短了開顱時間，保護了靜脈竇，又減少術中損傷，且顱骨缺損較少。經皮三叉神經半月節球囊壓迫術是治療原發性三叉神經痛有效的方法之一［51］。該術式由Mullan［52］于1983年首先應用于臨床，因其無需開顱、創傷小、手術時間短、療效確切、接受程度高等優勢而被廣泛應用。其中卵圓孔的穿刺是手術操作過程中的難點，因此精確定位卵圓孔是影響手術成功的關鍵性因素。3D打印技術具有精準化，個體化的特點，能夠滿足卵圓孔定位的要求［53］。邱俊等［54］應用3D Slicer軟件，重建顱底模型，打印3D穿刺導板，輔助三叉神經半月節球囊壓迫術研究中與傳統徒手穿刺對比，更準確、更快的穿刺卵圓孔，降低了手術風險和手術難度，取得較好效果。

圖5 MRTA數據重建腦干、面神經及動脈

5.2 難治性癲癇 目前臨床上針對于難治性癲癇的主要治療手段依舊是癲癇灶切除或毀損手術［55-56］，因此癲癇灶的精確定位是手術效果的關鍵。然而，癲癇灶與腫瘤不同，在實體組織上可能肉眼無法辨別，其切除范圍需要進行多學科綜合評估進行確定，較傳統的二維影像學來說，3D Slicer軟件可以將MRI、正電子放射斷層造影術（positron emission tomography，PET）等多模態影像學數據進行配準重建，結合可視化模型能夠更加直觀準確的確定影像異常區域，結合臨床癥狀、體征和腦電圖的結果確定最終的切除范圍，在3D Slicer軟件重建模型上描繪出來，術中依據模型及腦溝腦回特點，很容易確定切除范圍［57-58］。李佳等［59］利用3D Slicer軟件處理17例癲癇患者術前影像學數據，進行術前規劃，確定手術切除范圍，手術順利，術后效果良好。此外，3D Slicer軟件還可以用于指導立體定向腦電圖（stereoelectroencephalography ，SEEG）手術，進行術前規劃、術后位置的驗證，結合立體定向腦電圖的結果決定切除范圍［60］。Liu等［61］利用3D Slicer輔助SEEG植入提高了建模速度和分辨率、縮短電極植入計劃時間、提高了臨床工作效率。

綜上，3D Slicer軟件是一款強大的三維可視化處理軟件，在神經外科的應用已廣泛開展，在基層醫院指導腦出血的定位及血腫重建，體積的精確計算，在大型神經外科醫學中心，應用于功能神經外科，腫瘤術前重建等領域已成績斐然，在解剖結構的學習及手術模擬的教學上具有獨特的優勢。手術醫師可以佩戴專門的VR眼鏡學習、 研究虛擬的三維圖像，熟悉個體化手術過程及路徑，從而更好地理解手術患者的神經解剖結構［62］。在術前溝通中也可以利用三維重建圖像向患者及家屬更直觀的解釋病情、手術方案及術中可能遇到的風險，在手術方案制定時也可以充分做好多種應急預案。隨著3D Slicer軟件功能不斷的開發與完善，對神經外科手術的指導會提供越來越多的幫助。