楊森源 周曉斌 賴潤龍 陳煜 薛澤彬 孫曼珊 李勇

隨著神經外科新技術神經導航、術中超聲、ROSA機器人等技術的應用，目前神經外科手術的目的均趨向于以顱內病灶為中心，力求最小的神經損傷，獲得最佳的治療效果[1-3]。然而神經導航、ROSA機器人的臨床使用雖然使神經外科手術更加精準和微創(chuàng)，但成本高昂。 3D-Slicer是一個免費、開源的醫(yī)學影像軟件平臺(http://www.slicer.org)，用以圖像分析(包括配準和實時編輯)，圖像可視化以及圖像引導治療，擁有強大的可擴展性，可以通過模塊嵌入方式來增加新的功能和應用。3D-Slicer的出現可以讓臨床醫(yī)師更直觀地進行解剖學習，對手術進行術前評估，病變體表定位，引導精確穿刺等，從而使得廣大基層醫(yī)院的神經外科醫(yī)生也能利用較少的資源進行更精準的微創(chuàng)手術。 我們利用個人電腦上3D-Slicer軟件進行三維可視化影像重建并對顱內病變進行體表定位，術前同時利用二維影像圖像及體表標志進行傳統(tǒng)人工測量的方法進行定位測量，比較兩種方法優(yōu)劣及準確性。

對象與方法

一、對象

選取2018年11月1日～2019年12月31日期間我院神經外科顱內病變(腦腫瘤，腦出血，外傷，異物，動脈瘤等)手術病人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(包括額葉膠質瘤2例，顳部腦膜瘤1例，蝶骨嵴腦膜瘤1例，小腦血管母細胞瘤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，腦內異物1例，顱內動脈瘤1例(大腦中M1段動脈瘤)，顱內動靜脈畸形2例(病灶位于額葉)，蛛網膜囊腫1例。入院時神志清楚18例，嗜睡6 例，昏睡6例， 朦朧4例，淺昏迷6例。所有病人術前均行頭顱CT或MRI檢查,影像學資料均包括冠狀位、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記以輔助術前定位。所有病人均在術后第一天復查頭顱CT。納入標準：(1)術前確診為神經外科疾病并有絕對手術指征；(2)病人均自愿參與本研究，自愿簽署知情同意書。排除標準：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??；來診時已呈深昏迷狀態(tài)(GCS<5分)或合并腦疝、生命體征不穩(wěn)定、需緊急搶救等；術后因各種因素無法復查頭顱CT等。

二、方法

1.影像數據獲取及3D Slicer軟件定位：收集病人術前頭顱CT、MRI影像學(薄層掃描，層厚為2.0 mm)電腦數據資料DICOM，將影像學資料導入3D-Slicer軟件進行三維重建建模。在3D-Slicer軟件內對所有病人頭顱進行三維重建獲取重建后三維頭顱圖像，并對顱內病變(血腫、腫瘤、異物、動脈瘤等)進行三維建模，將重建所獲得的兩份圖像在電腦或手機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參數，屬于統(tǒng)一參考系統(tǒng)，重疊后能準確還原病變在頭顱上的位置。以血腫為例，見圖1、圖2。

圖1 顱內血腫水平面、冠狀面及矢狀面影像

圖2 a 顱內血腫三維建模；b 頭皮及頭皮標記物；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，在頭顱上標記出冠狀縫、矢狀縫的位置，將融合的三維圖像導入手機軟件Sina，以手機攝像頭將拼合后的圖像投影到病人頭顱表面。連接虛擬現實(VR)眼鏡并固定在三腳架上以防手持的不穩(wěn)定，在術中進行圖像-頭顱融合，對顱內病變進行體表定位，按照手機圖片輪廓在病人頭顱標記出病變的輪廓。定位時可以選擇矢狀縫、冠狀縫或者做參考，也可以選頭皮標定點做參考，匹配后即可在病人頭部畫出病變位置。

2.傳統(tǒng)定位方式 ：簡易定位病人根據術前頭部CT 影像為定位依據，通常選取血腫最大層面中后1/3 處為置管靶點，以聽眥線為基線，選取血腫長軸距離置管靶點最近的顳部或額部投射點作為穿刺點，結合經驗在預設穿刺點粘貼 1 枚或多枚標記物(一次性心電電極)。病人佩戴標記物 再次進行標準頭部 CT 檢查， 必要時可調整標記物位置多次掃描，于計算機上進行閱片分析，確認穿刺點并進行標記，測量置管靶點距穿刺點處顱骨距離。

3.兩種方法比較：術中直視下、術后CT或MRI復查對比兩種定位方法的準確性：如為腫瘤，異物，動脈瘤等需要手術摘除的病變，術中確定病變部位后，分別測量術前兩種定位標記中心點距離術中發(fā)現病變中心點的距離，并做好記錄；如為血腫行鉆孔引流術，術后復查CT后，測量引流管中心點分別距離術前血腫中心點的距離并記錄(圖3、圖4、圖5)。

圖3 a 右側基底節(jié)區(qū)腦出血病人；b 術后第一天復查頭顱CT，提示術前定位準確；血腫清除滿意

圖5 一例顳部腫瘤，術中病人大腦中動脈與腫瘤關系

三、統(tǒng)計學分析

結果

40例病人術前三維重建、測量數值及導入手機用時平均約(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，所有病人術前均無腦疝表現，術前生命體征穩(wěn)定。40例病例中，采用3D-Slicer軟件輔助術前定位方式，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)計學意義(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個病例偏離距離>0.5 cm。所有病例均未出現腦功能區(qū)及重要血管結構的損傷。術后40例病人均預后良好，經治療后好轉出院。

討論

神經外科發(fā)展到微創(chuàng)神經外科階段是以CT、MRI等現代影像學為基礎的。三維可視化醫(yī)學影像是大勢所趨，隨著虛擬現實以及增強現實技術的出現和發(fā)展，神經外科手術的操作將更加精準[4]。在個人電腦上3D-Slicer軟件對病人頭顱病變(腫瘤，出血，異物，動脈瘤等)的CT、MRI二維影像進行三維可視化影像重建，將重建的圖像導入到手機Sina軟件中，利用虛擬現實眼鏡在術中進行圖像-頭顱融合來對顱內病變進行體表定位，較利用二維影像圖像進行傳統(tǒng)人工測量的方法更加簡單和準確。

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、動脈瘤以及淺表腫瘤病人。對于高血壓腦出血病人，目前越來越多的采用微創(chuàng)鉆孔引流的手術方式，這就需要術前進行精確的定位。盡管神經導航已成為一項成熟的輔助技術，限于基層醫(yī)院財力、物力等客觀因素，無法購置昂貴的設備，不能實現精準的神經導航。

3D-Slicer 軟件是由哈佛大學和麻省理工學院聯(lián)合開發(fā)的一個免費開源圖像分析處理平臺,操作相對簡單,且支持功能擴展和改進[5]，在我國廣泛應用于各類顱腦手術的術前評估、病變體表定位及精準穿刺。通過3D-Slicer軟件對病人頭顱CT、MRI二維影像進行三維可視化影像重建，將重建的圖像融合后導入到手機Sina軟件中,可以直觀顯示顱內病變及其周圍組織的解剖結構,增加術前定位的準確性[6-7]。與傳統(tǒng)手術計劃相比，結果更加真實可靠。

在高血壓腦出血病人的治療中，本研究對21例高血壓性腦出血病人的術前CT 數據資料應用 3D-Slicer 軟件進行三維重建，均在較短時間內完成，在沒有粘貼頭皮標記物、額外進行 CT 掃描、導航信息注冊等操作的輔助下，均準確到達病變位置。同時根據術前3D-Slicer軟件重建結果，所有病例均成功避免腦功能區(qū)及重要血管結構的再次損傷，并且在一定程度上節(jié)省了手術時間。本文中圖4、圖5的病例經過3D-Slicer 軟件重建后的圖像可以清晰地顯示腫瘤與顱內血管的關系，并在術中確證兩者的毗鄰關系，可以較好地評估腫瘤血供情況以及協(xié)助術前評估，并進一步指導術中規(guī)避功能區(qū)血管，避免損傷。采用3D-Slicer軟件可以提高神經外科手術的精準性，節(jié)省手術時間及減少手術并發(fā)癥。崔亞輝等[8]指出，對于形狀不規(guī)則的血腫，運用傳統(tǒng)的血腫估計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顱內血腫量估算準確性，還能在微創(chuàng)手術的精準定位上發(fā)揮重要的作用。

在顱內動脈瘤、顱內異物及腦腫瘤的術前準備評估中，借助于3D-Slicer軟件的三維重建圖像和手術模擬,還能讓術者獲取大量立體解剖信息，更清楚了解術區(qū)的解剖關系，從而樹立術者的信心。術者可根據三維重建圖像進行個體化手術入路的規(guī)劃和設計，對于表淺的病變，可以規(guī)避腦功能區(qū)及重要血管結構的損傷，而對于深部的病變則可以實現精準的定位，提高手術成功率并減少手術并發(fā)癥[9]。有學者指出，對于位于深部腦組織、血管分支復雜或存在較高變異的動脈瘤，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、病人及家屬呈現更加直觀的手術方式及風險的解釋，協(xié)助臨床醫(yī)師在術前談話中關于手術方式和風險的告知，同時增加病患及家屬的理解，從而避免因專業(yè)知識缺乏及理解不全面引起的焦慮及疑惑[9,11]。

3D- Slicer的出現，不僅降低了實現三維可視化影像的門檻，還改變了醫(yī)生對傳統(tǒng)二維影像的認知模式，直觀的進行解剖學習，對手術進行術前評估，病變體表定位，引導精確穿刺等，從而使得廣大基層醫(yī)院的神經外科醫(yī)生也能利用較少的資源進行更精準的微創(chuàng)手術。固然，傳統(tǒng)定位方式及體表定位對于學習神經解剖及培養(yǎng)臨床思維很重要。然而在未來，隨著社會更全面的信息化及5G網絡的普及，3D-Slicer將得到廣泛應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，需有較高質量的影像掃描數據，對部分基層醫(yī)院及設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)本研究僅通過術前掃描原始數據三維重建以提供術中定位指導，未聯(lián)用術中CT、MRI 及導航等技術，無法進行術中精確的實時評估。

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