基于CT平掃圖像處理的顱底骨性結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)測(cè)量

唐 勇，王漢東，馬馳原，詹朝雙，王守巨，何宜盛

0 引 言

解剖學(xué)上，頭顱是一個(gè)相對(duì)密閉結(jié)構(gòu)，顱底實(shí)驗(yàn)往往需要在開(kāi)顱情況下才能得到顱底骨性結(jié)構(gòu)的重要評(píng)估參數(shù)和指標(biāo)。同時(shí)由于位置較深，實(shí)驗(yàn)和臨床上往往需要借助導(dǎo)航技術(shù)或大型計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行顱底影像學(xué)資料的三維重建［1-2］，增加了實(shí)驗(yàn)步驟和成本。本實(shí)驗(yàn)基于薄層頭顱CT平掃，建立三維坐標(biāo)系，結(jié)合空間解析幾何原理，利用圖像處理和計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行編程，通過(guò)程序運(yùn)算直接得出顱底骨性結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，可大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

1 資料與方法

1.1 標(biāo)本與器械 5例(10側(cè))成人頭顱濕性標(biāo)本(10%甲醛溶液固定)均由南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供，無(wú)外傷，無(wú)顱底骨質(zhì)破壞;64排Phillips螺旋CT;自制三釘解剖頭架;常規(guī)開(kāi)顱器械和顯微手術(shù)器械;游標(biāo)卡尺(精確到0.02 mm);兩腳規(guī)。

1.2 計(jì)算機(jī)軟件 Adobe Photoshop CS5圖像處理軟件;Microsoft visual C++6.0計(jì)算機(jī)編程軟件。

1.3 空間直角坐標(biāo)系的建立和三維坐標(biāo)值的確立將5例(10側(cè))成人頭顱濕性標(biāo)本仰臥位固定，行薄層CT頭顱平掃，層厚設(shè)定在0.75mm，掃描起始于眥耳線水平，將掃描斷層圖像刻盤(pán)并導(dǎo)入電腦?？臻g直角坐標(biāo)系的建立見(jiàn)圖1，以O(shè)為原點(diǎn)，分別以垂直于矢狀面、冠狀面和軸面作直線X、Y、Z 3條直線互相垂直。將標(biāo)本掃描斷層圖像進(jìn)行逐層編號(hào):1，2，3，……n。首先在連續(xù)的斷層圖像上定位骨性結(jié)構(gòu)所在層面，將該層面圖像利用Adobe Photoshop CS5圖像處理軟件打開(kāi)(100%縮放)，在“窗口”菜單下勾選“信息”欄，鼠標(biāo)置于圖像上任意位置，則可自動(dòng)在信息欄中顯示鼠標(biāo)所在點(diǎn)的 x、y坐標(biāo)值［3］，結(jié)合層厚和層數(shù)，可得出該點(diǎn)的Z坐標(biāo)值，即z(mm)=(n-1)×0.75(n代表目標(biāo)點(diǎn)所在層面編號(hào))。綜合上述信息，可以確立所有骨性結(jié)構(gòu)目標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(x，y，z)。

圖1 空間直角坐標(biāo)系的建立和骨性結(jié)構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)值的確立Figure 1 The establishment of spatial Cartesian coordinate system and the definition of three-dimensional coordinate values of bone structures

1.4 計(jì)算方法和編程運(yùn)算 空間任意2點(diǎn)(x1，y1)和(x2，y2)之間的距離為:

空間任意2條直線之間的夾角為:

a1=x2-x1;b1=y2-y1;c1=z2-z1;

空間任意一點(diǎn)到任意平面的距離為:

空間任意2個(gè)平面之間的夾角為:

空間任意三點(diǎn)構(gòu)成的三角形的面積以及該三角形在任意平面上的投影面積為:

結(jié)合空間解析幾何原理和關(guān)系式，運(yùn)行Microsoft Visual C++6.0軟件進(jìn)行編程(程序文件擴(kuò)展名為.cpp)。在Microsoft Visual C++6.0界面輸入相應(yīng)程序以及對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，即可得出上述結(jié)果。

1.5 顱底骨性結(jié)構(gòu)直接測(cè)量 為了便于對(duì)該方法的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行比較，我們?cè)俜謩e對(duì)5例成人頭顱濕性標(biāo)本行常規(guī)開(kāi)顱，沿眉弓上緣和枕外隆凸上1cm連線水平鋸開(kāi)并去除顱蓋骨，再利用水煮法［4-5］徹底去除剩余腦組織、血管、神經(jīng)、硬腦膜、韌帶等結(jié)構(gòu)，僅保留顱底骨性結(jié)構(gòu)完整，制作顱底骨性標(biāo)本。本實(shí)驗(yàn)選取前床突中心點(diǎn)、弓狀隆起最高點(diǎn)、鞍背中心點(diǎn)和斜坡中線上一點(diǎn)(平雙側(cè)內(nèi)耳孔水平)共4點(diǎn)，見(jiàn)圖2。通過(guò)對(duì)上述骨性結(jié)構(gòu)之間的距離進(jìn)行直接測(cè)量，得出實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

圖2 顱底骨性標(biāo)本上對(duì)解剖標(biāo)志點(diǎn)的距離直接測(cè)量示意圖Figure 2 Direct measurement of anatomic landmarks of bone structural specimen in skull base

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 利用Bland-Altman分析對(duì)2種測(cè)量方法進(jìn)行一致性評(píng)估，當(dāng)2種測(cè)量方法所得結(jié)果的差值位于95%CI內(nèi)時(shí)，說(shuō)明2種方法的測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。

2 結(jié) 果

利用軟件計(jì)算和直接測(cè)量2種方法得出關(guān)于顱底4個(gè)骨性結(jié)構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)之間距離的4組數(shù)據(jù)，即前床突中心點(diǎn)到鞍背中心點(diǎn)的距離，前床突中心點(diǎn)到弓狀隆起最高點(diǎn)的距離，鞍背中心點(diǎn)到弓狀隆起最高點(diǎn)的距離和斜坡中線上一點(diǎn)到弓狀隆起最高點(diǎn)的距離見(jiàn)表1和表2。對(duì)4組數(shù)據(jù)分別行Bland-Altman分析，見(jiàn)表3。2種測(cè)量結(jié)果的差異(bias)均位于95%CI內(nèi)，見(jiàn)圖3。這一結(jié)果說(shuō)明2種方法的測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性，在實(shí)際操作中可以互相代替使用。

表1 利用軟件計(jì)算方法得出顱底骨性結(jié)構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)之間距離(mm)Table 1 The distances of bony structure landmarks in skull base calculating by the computer software(mm)

表2 利用直接測(cè)量方法得出顱底骨性結(jié)構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)之間距離(mm)Table 2 The distances of bony structure landmarks in skull base calculating by direct measurements(mm)

表3 使用Bland-Altman分析比較2種方法的一致性情況(mm，n=10)Table 3 Consistency analysis between the two methods by Bland-Altman analysis(mm，n=10)

圖3 2種方法測(cè)量的4組數(shù)據(jù)的Bland-Altman分析圖Figure 3 The Bland-Altman analysis picture about 4 groups of data gained by 2 methods

3 討 論

3.1 局部解剖及影像學(xué)技術(shù)在顱底外科的應(yīng)用顱底外科是神經(jīng)外科、眼科、耳鼻喉科等學(xué)科的交叉學(xué)科，由于位置深在，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，顱底外科在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)發(fā)展緩慢，一度被稱為手術(shù)禁區(qū)［6］。20世紀(jì)80年代，隨著顱底解剖學(xué)和影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，顱底外科的研究也越來(lái)越多元化［7-9］。除了在局部解剖學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)顱底重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和描述外，人們開(kāi)始結(jié)合影像學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬可視化的三維顱底重建模型，更加直觀地呈現(xiàn)顱底結(jié)構(gòu)［10］。同時(shí)，結(jié)合術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)［11］，可有效避免損傷顱底重要神經(jīng)、血管等結(jié)構(gòu)，減少手術(shù)并發(fā)癥，降低致殘率和致死率。近年來(lái)，隨著術(shù)中影像技術(shù)的發(fā)展，特別是術(shù)中MRI的應(yīng)用，可以幫助神經(jīng)外科醫(yī)師判斷術(shù)中病變切除情況，有效降低了復(fù)發(fā)率。因此，顱底外科也成為實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)，包括對(duì)顱底部分骨性標(biāo)志坐標(biāo)點(diǎn)的描述［12-13］，結(jié)合影像學(xué)技術(shù)研究計(jì)算機(jī)三維重建［3，14］以及導(dǎo)航技術(shù)比較顱底手術(shù)入路涉及的顱底重要結(jié)構(gòu)的距離、操作角度、顯露面積等參數(shù)［15］。實(shí)驗(yàn)研究主要采用的影像學(xué)技術(shù)包括CT和MRI，從適用范圍來(lái)看，CT主要應(yīng)用于骨性結(jié)構(gòu)的定位，干擾因素少，準(zhǔn)確性高，但其對(duì)軟組織的密度變化敏感程度欠佳，并且掃描的層厚和間隔可影響其精確程度。MRI對(duì)信號(hào)變化敏感，對(duì)顱底軟組織的評(píng)估效果好，如顱底硬腦膜、腦實(shí)質(zhì)和骨髓等結(jié)構(gòu)，但由于受磁場(chǎng)穩(wěn)定性和偽影的干擾，對(duì)骨性結(jié)構(gòu)定位的準(zhǔn)確性不如CT［16-17］。顱底病變的占位效應(yīng)、手術(shù)體位改變、術(shù)中腦脊液釋放和腦葉牽拉等因素往往容易造成軟組織移位，而骨性標(biāo)志點(diǎn)不易因病變生長(zhǎng)和侵蝕發(fā)生位置變化，因此，顱底重要骨性結(jié)構(gòu)的參數(shù)結(jié)果對(duì)顱底病變的治療和評(píng)估更具有參考依據(jù)［18-20］。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)越性 本實(shí)驗(yàn)采用64排Phillips高分辨率螺旋CT，層厚僅為0.75 mm，可通過(guò)減少層間隔、增加掃描層面來(lái)有效提高數(shù)據(jù)的精確性。該方法利用空間解析幾何原理，可通過(guò)程序運(yùn)算得出2點(diǎn)之間的距離、兩直線的夾角、點(diǎn)到面的距離、兩平面的夾角、空間三角形的面積以及在任意平面的投影面積等重要參數(shù)。根據(jù)空間解析幾何關(guān)系反映顱底骨性結(jié)構(gòu)的距離、顱底手術(shù)入路的操作角度、顯露面積等關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)可以避免使用導(dǎo)航，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟和節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本［2］。另外，該方法在距離、角度和面積的計(jì)算上具有相對(duì)性，因此不必嚴(yán)格遵循特定的掃描起始層面和掃描角度，降低了實(shí)際操作難度。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法的局限性 在實(shí)際操作中，該方法也有一定的局限性。首先，所有的骨性結(jié)構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)的定位均在CT圖像上完成，這對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的影像及解剖學(xué)知識(shí)要求較高，盡可能在專業(yè)解剖老師及影像學(xué)人員幫助下進(jìn)行定位分析，否則定位的準(zhǔn)確性可能會(huì)降低;另外，該方法僅對(duì)骨性結(jié)構(gòu)有良好的適用性，如果進(jìn)行軟組織、血管、神經(jīng)的研究，可能還需結(jié)合大型計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維重建或者結(jié)合神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行注冊(cè)和標(biāo)記。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，這種在薄層頭顱CT平掃基礎(chǔ)上建立三維坐標(biāo)系，利用空間解析幾何原理進(jìn)行圖像處理和計(jì)算機(jī)軟件編程并通過(guò)程序運(yùn)算直接得出顱底骨性結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)的方法，在具體的顱底解剖學(xué)研究和顱底入路比較過(guò)程中，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟和節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，具有良好的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性及實(shí)用價(jià)值，值得在顱底外科的實(shí)驗(yàn)研究中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

［1］ Forsberg A，Kullberg J，Agartz I，et al.Landmark-based software for anatomical measurements:a precision study［J］.Clin Anat，2009，22(4):456-462.

［2］ Whitley E，Valverde P，Wells K，et al.Establishing common cost measures to evaluate the economic value of patient navigation programs［J］.Cancer，2011，117(15 Suppl):3618-3625.

［3］ 陳 禹，韓 鋒，王 偉，等.數(shù)字人體頭部的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及斷面重建［J］.中國(guó)臨床解剖學(xué)雜志，2010，28(5):554-556.

［4］ 李克攻.人體斷層解剖與臨床［J］.大理醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，8(4):68-71.

［5］ 史二栓.利用學(xué)生解剖操作過(guò)的尸體制作骨骼標(biāo)本的方法［J］.包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，18(4):339.

［6］ 李勁松，史繼新，王漢東.顱底溝通性腫瘤術(shù)后顱底重建［J］.醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)，2007，20(12):1254-1256.

［7］ Stevens WP.Reconstruction of three-dimensional anatomical landmark coordinates using video-based stereophotogrammetry［J］.J Anat，1997，191(Pt 2):277-284.

［8］ 顧康康，靳 晶，費(fèi) 強(qiáng)，等.多層螺旋CT三維血管造影對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的診斷價(jià)值［J］.醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)，2012，25(4):387-391.

［9］ 陸新宇，史繼新，林毅興.枕下遠(yuǎn)外側(cè)入路的顯微解剖及臨床應(yīng)用［J］.醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)，2006，19(7):600-602.

［10］ Laurent CP，Jolivet E，Hodel J，et al.New method for 3D reconstruction of the human cranial vault from CT-scan data［J］.Med Eng Phys，2011，33(10):1270-1275.

［11］ Freeman HP，Rodriguez RL.History and principles of patient navigation［J］.Cancer，2011，117(15 Suppl):3539-3542.

［12］ 劉元清.顱底內(nèi)面部分骨性標(biāo)志三維空間坐標(biāo)的研究［J］.解剖學(xué)雜志，1999，(5):455-459.

［13］ 邱明國(guó)，張紹祥.側(cè)顱底解剖學(xué)研究及其臨床意義［J］.中國(guó)臨床解剖學(xué)雜志，2002，20(4):318-320.

［14］ 付升旗，王 華，苗瑩瑩，等.側(cè)顱底的斷層影像及其三維重建［J］.中國(guó)臨床解剖學(xué)雜志，2010，28(4):401-404.

［15］ Staecker H，O'malley BW，Eisenberg H，et al.Use of the LandmarXtrade mark Surgical Navigation System in Lateral Skull Base and Temporal Bone Surgery［J］.Skull Base，2001，11(4):245-255.

［16］ Morani AC，Ramani NS，Wesolowski JR.Skull base，orbits，temporal bone，and cranial nerves:anatomy on MR imaging［J］.Magn Reson Imaging Clin N Am，2011，19(3):439-456.

［17］ 張宗軍，盧光明.雙源CT及其臨床應(yīng)用［J］.醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)，2007，20(4):416-418.

［18］ Krayenbuhl N，Isolan GR，Al-Mefty O.The foramen spinosum:a landmark in middle fossa surgery［J］.Neurosurg Rev，2008，31(4):397-401.

［19］ Ray B，Rajagopal KV，Rajesh T，et al.Morphometry and CT measurements of useful bony landmarks of skull base［J］.Rom J Morphol Embryol，2011，52(3):873-877.

［20］ Harvey RJ，Shelton W，Timperley D，et al.Using fixed anatomical landmarks in endoscopic skull base surgery［J］.Am J Rhinol Allergy，2010，24(4):301-305.