基于計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)的改良側(cè)腦室額角穿刺術(shù)研究

劉宇清， 黃繩躍， 何炳蔚， 呂 翱， 沈恒華， 陳明武， 洪文瑤

基于計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)的改良側(cè)腦室額角穿刺術(shù)研究

劉宇清1， 黃繩躍1， 何炳蔚2， 呂 翱2， 沈恒華2， 陳明武1， 洪文瑤1

成像，三維； 側(cè)腦室； 穿刺術(shù)

側(cè)腦室額角穿刺是神經(jīng)外科醫(yī)師常用的操作，應(yīng)用于嚴(yán)重顱內(nèi)壓增高時(shí)緊急減壓放液，腦室炎、腦室內(nèi)出血的穿刺引流，腦積水腦室-腹腔分流術(shù)，腦室內(nèi)顱內(nèi)壓測(cè)定等[1]。目前主要有2種穿刺方法，方法一：取冠狀縫前或發(fā)際后2～3 cm、中線旁開2.5 cm作為穿刺點(diǎn)，穿刺方向平行于矢狀面，垂直于外耳道假想連線方向穿刺[2]；方法二：穿刺點(diǎn)位置同前，穿刺方向朝向兩側(cè)外耳道假想連線中點(diǎn)[3]。但在具體手術(shù)操作中，上述方法在穿刺點(diǎn)和穿刺方向上均難以準(zhǔn)確把握，常無法一次性到位，增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。本研究借助計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)，制作側(cè)腦室-頭皮(顱骨)三維模型，實(shí)施模擬穿刺，提出一種改良的側(cè)腦室額角穿刺方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造引導(dǎo)裝置，臨床初步應(yīng)用效果良好，穿刺成功率高，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 臨床資料

1.1 一般資料 計(jì)算機(jī)虛擬穿刺組：選取2014年1月-2015年1月在筆者醫(yī)院行三維螺旋CT(掃描層間距0.5 mm)頭顱掃描的患者59例，男性38例，

女性21例，年齡(47±2.3)歲(21～68歲)。其中后顱窩占位性病變21例，腦室內(nèi)出血11例，動(dòng)脈瘤破裂蛛網(wǎng)膜下腔出血15例，單側(cè)去骨瓣術(shù)后12例。臨床穿刺組：選取2015年5月-2016年5月在筆者醫(yī)院行側(cè)腦室額角穿刺的患者32例，男性19例，女性13例，年齡(41±1.6)歲(17～73歲)。其中，后顱窩占位性病變2例，急性腦室內(nèi)出血16例，腦外傷、腦出血經(jīng)治療并發(fā)腦積水14例。2組病例均為雙側(cè)側(cè)腦室中度擴(kuò)大，無受壓、變形、移位。

1.2 方法

1.2.1 計(jì)算機(jī)虛擬穿刺組 在計(jì)算機(jī)上讀取59例患者二維頭顱CT的DICOM原始數(shù)據(jù)(圖1)，分別進(jìn)行頭皮、顱骨和側(cè)腦室的信息提取并重建三維虛擬模型(圖2)，在重建后的顱骨模型上確定矢狀縫及眉心位置，將其沿法線方向投影到頭皮表面并標(biāo)記。取矢狀線眉心上方10 cm、中線旁開3.5 cm作為穿刺點(diǎn)，穿刺方向垂直于顱骨鉆孔點(diǎn)所在平面(方法三)(圖3)。以上各長(zhǎng)度均以頭皮表面實(shí)際曲線距離確定，虛擬引流管直徑0.3 cm，穿刺深度5～6 cm。

A：冠狀面；B：矢狀面；C：橫斷面.黃色部分為側(cè)腦室.圖1 患者頭顱DICOM原始數(shù)據(jù)二維圖像Fig 1 The two-dimensional head CT image in DICOM format

1.2.2 臨床穿刺組 按照方法三，在臨床手術(shù)時(shí)將筆者自行設(shè)計(jì)制造的穿刺引導(dǎo)裝置(圖4)底座緊貼于骨孔所在平面，引流管沿著空心導(dǎo)管內(nèi)壁向顱內(nèi)穿刺，穿刺深度為5～6 cm，見腦脊液流出，即移出引導(dǎo)裝置。

A：頭皮模型；B：側(cè)腦室模型；C：側(cè)腦室-頭皮復(fù)合模型.圖2 患者頭皮、側(cè)腦室及側(cè)腦室-頭皮三維虛擬圖像Fig 2 The 3D reconstruction to show the anatomy of the lateral ventricle

A：引流管穿刺方向?yàn)榇怪庇陲B骨鉆孔點(diǎn)所在的紅色平面； B：引流管進(jìn)入側(cè)腦室額角.圖3 The trajectory of the catheter utilized by method 3Fig 3 方法三模擬穿刺示意圖

A：虛擬模型； B：實(shí)體模型.圖4 引導(dǎo)裝置實(shí)體模型Fig 4 The virtual model of guide device and the entity model of guide device

1.3 穿刺結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算機(jī)虛擬穿刺組：引流管進(jìn)入同側(cè)側(cè)腦室額角為成功；引流管未進(jìn)入同側(cè)側(cè)腦室額角或進(jìn)入對(duì)側(cè)側(cè)腦室為失敗。臨床穿刺組：一次性穿刺進(jìn)入側(cè)腦室且復(fù)查CT引流管頭端位于同側(cè)側(cè)腦室額角為成功；多次穿刺、引流管未進(jìn)入同側(cè)側(cè)腦室額角或進(jìn)入對(duì)側(cè)側(cè)腦室為失敗。

1.4 結(jié)果 計(jì)算機(jī)虛擬穿刺組59例中，成功57例，失敗2例(2例均為引流管進(jìn)入對(duì)側(cè)側(cè)腦室額角)，成功率為96.61%；臨床穿刺組32例中，成功30例(圖5)，失敗2例(1例進(jìn)入對(duì)側(cè)側(cè)腦室額角，另1例第2次穿刺成功)，成功率為93.75%。

A：術(shù)前側(cè)腦室影像圖； B：術(shù)后側(cè)腦室影像圖白色箭頭指示為引流管.圖5 側(cè)腦室CT影像Fig 5 Image of lateral ventricles

2 討 論

正常成人側(cè)腦室的形態(tài)是一個(gè)可變的幾何體[4]。臨床上根據(jù)側(cè)腦室擴(kuò)大的程度大致分為輕度、中度、重度，正常時(shí)側(cè)腦室體部橫徑與對(duì)應(yīng)層面的頂骨橫徑之比約為1∶5～1∶6，輕度擴(kuò)大時(shí)約為1∶4～1∶5，中度擴(kuò)大時(shí)約為1∶3～1∶4，重度擴(kuò)大時(shí)約為1∶2～1∶3[5]，本研究選擇常見的中度擴(kuò)大側(cè)腦室進(jìn)行研究。

在臨床實(shí)踐中，由于每個(gè)患者的個(gè)體差異及手術(shù)過程的不可復(fù)制性，對(duì)于成功或失敗案例無法還原其穿刺過程，難以總結(jié)成敗經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得利用該技術(shù)驗(yàn)證目前常用的側(cè)腦室額角穿刺方法的成功率，并尋找出一種新的穿刺方法成為可能[6]。筆者通過計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)，構(gòu)建出單個(gè)個(gè)體側(cè)腦室-頭皮(顱骨)三維可視化虛擬模型，并在此模型上進(jìn)行側(cè)腦室額角模擬穿刺，尋找一種簡(jiǎn)單有效的穿刺方法，為臨床實(shí)踐提供參考依據(jù)。

2.1 傳統(tǒng)穿刺方法及其局限性 方法一為經(jīng)典的側(cè)腦室額角穿刺方法，本研究前期經(jīng)計(jì)算機(jī)重建模擬穿刺結(jié)果顯示成功率為59.52%。方法二是在方法一的基礎(chǔ)上改變穿刺方向，本研究前期結(jié)果顯示，該方法在計(jì)算機(jī)模擬穿刺上較方法一成功率明顯提高，達(dá)到92.86%[6]。但上述2種穿刺方法在實(shí)際操作中均存在解剖學(xué)結(jié)構(gòu)及參考系無法準(zhǔn)確確定的問題，如：冠狀縫由于頭皮覆蓋難以定位及發(fā)際高低因人而異，使穿刺點(diǎn)的位置不易把握；矢狀面、外耳道假想連線及其中點(diǎn)均需術(shù)者主觀想象確定，人為因素影響較大，增加了穿刺方向的不確定性。因此，方法一除了成功率不高外，加上實(shí)際操作中人為因素的影響，其實(shí)際成功率必然更低；而方法二雖然在計(jì)算機(jī)模擬穿刺上成功率較高，但有文獻(xiàn)報(bào)道，其在臨床實(shí)際應(yīng)用中引流管頭端能達(dá)到理想位置的比例低于77%[7]，與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果差距較大，且未統(tǒng)計(jì)是否一次性穿刺成功，說明該方法受人為因素影響較大。

鑒于目前側(cè)腦室額角穿刺方法存在的不足，神經(jīng)外科學(xué)者仍在不斷嘗試各種新的輔助穿刺方法，以提高一次性穿刺的成功率，如腦室鏡引導(dǎo)下留置外引流管、紅外線水平儀引導(dǎo)下穿刺、顱周定位儀引導(dǎo)下穿刺等[7-9]。也有報(bào)道運(yùn)用顱腦CT成像數(shù)據(jù)，每位患者均重建側(cè)腦室額角穿刺平面，得到穿刺方向及穿刺深度，但在臨床實(shí)際工作中，患者常常病情緊急，來不及進(jìn)行CT數(shù)據(jù)獲取、重建、設(shè)計(jì)穿刺點(diǎn)及方向[10]，故術(shù)前穿刺方法的個(gè)性化確定，目前在臨床上尚難以廣泛推廣。

2.2 改良穿刺方法及其優(yōu)勢(shì) 基礎(chǔ)解剖研究顯示，側(cè)腦室是一個(gè)位于大腦中央的形狀不規(guī)則的復(fù)雜幾何體，走向形同張開、高舉的翅膀，從內(nèi)下斜向外上[4]，CT圖像沿齜耳基線上54 mm層面可同時(shí)顯示側(cè)腦室的前角、體部、三角區(qū)及部分后角[11]。幾何學(xué)角度上，可將顱蓋骨設(shè)想為近似球面，側(cè)腦室位于球體中央，顱蓋骨表面上任意一點(diǎn)的法線方向應(yīng)均能通過側(cè)腦室。本研究依此思路，通過計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)，構(gòu)建側(cè)腦室-頭皮(顱骨)三維模型，經(jīng)反復(fù)模擬穿刺發(fā)現(xiàn)，取矢狀線眉心上方9～11 cm、中線旁開3.5 cm作為穿刺點(diǎn)，穿刺方向垂直于顱骨鉆孔點(diǎn)所在平面的穿刺方法(方法三)能準(zhǔn)確到達(dá)側(cè)腦室額角區(qū)域。在本模擬穿刺實(shí)驗(yàn)中，穿刺成功率為96.61%，明顯高于方法一，與方法二接近。筆者認(rèn)為該方法最大的優(yōu)勢(shì)在于穿刺成功率高，且穿刺點(diǎn)和穿刺方向在實(shí)際操作中易于把握。穿刺點(diǎn)的位置是以眉心為基點(diǎn)沿矢狀線向上9～11 cm，眉心及矢狀線均容易定位，無需參考發(fā)際及冠狀縫；而中線旁開3.5 cm，略大于傳統(tǒng)方法旁開的2～3 cm，這是因?yàn)榇┐谭较虼怪庇陲B骨鉆孔點(diǎn)所在平面，與傳統(tǒng)的穿刺方向平行于矢狀面或朝向兩側(cè)外耳道假想連線中點(diǎn)相比，與矢狀面夾角較大，通過增大旁開距離實(shí)現(xiàn)側(cè)腦室額角的準(zhǔn)確穿刺。垂直穿刺方向的選擇，也使得術(shù)者無需助手幫助指示外耳孔，不必想象矢狀面、兩側(cè)外耳道假想連線及連線的中點(diǎn)，并免受手術(shù)鋪巾的干擾。

為了在實(shí)際手術(shù)應(yīng)用中最大限度把握穿刺點(diǎn)的垂直方向，筆者設(shè)計(jì)并通過3D打印技術(shù)，制作出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的側(cè)腦室額角穿刺引導(dǎo)裝置。該引導(dǎo)裝置的使用原理為：顱骨表面1 cm孔徑的圓孔范圍內(nèi)曲面度小，近似為一平面，將引導(dǎo)裝置底座緊貼于骨孔，其空心缺口導(dǎo)管基本垂直于顱骨表面，即使有少許誤差，由于靶目標(biāo)為一立體空間范圍，穿刺為點(diǎn)到體的操作且距離僅5～6 cm，故仍可保證穿刺達(dá)側(cè)腦室額角。本研究在臨床手術(shù)中實(shí)施32例，30例均一次性穿刺成功，成功率為93.75%，接近于計(jì)算機(jī)模擬穿刺結(jié)果。

本研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立側(cè)腦室-頭皮(顱骨)三維模型，通過側(cè)腦室額角模擬穿刺，探尋到一種改良的側(cè)腦室額角穿刺方法，該方法對(duì)于側(cè)腦室中度擴(kuò)大，無腦室受壓、變形、移位的患者，穿刺成功率高，且操作過程簡(jiǎn)單、人為因素干擾少，經(jīng)臨床初步實(shí)踐實(shí)用性好，但該方法仍需通過更多病例的驗(yàn)證，積累經(jīng)驗(yàn)，逐漸完善。

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(編輯：何佳鳳)

2016-05-11

福建省自然科學(xué)基金(2015J01421)

1.福建省立醫(yī)院 神經(jīng)外科，福建醫(yī)科大學(xué) 省立臨床醫(yī)學(xué)院，福州 350001； 2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116

劉宇清，男，副主任醫(yī)師

黃繩躍. Email: huangshenyue@126.com

R322.811； R446.8； R615； R651.1

B

1672-4194(2017)01-0068-03