基于混合現(xiàn)實的三維測量技術(shù)輔助診斷顱底凹陷癥

萬 磊，庾偉中，王建華，梁 篤，朱偉亮，辛志強(qiáng)，鄭泉鑫，尹慶水

顱底凹陷癥是枕骨大孔區(qū)的常見畸形，病程進(jìn)展緩慢，臨床上主要表現(xiàn)為枕骨大孔區(qū)綜合征及特有的頭部外貌[1]。既往診斷主要依賴于X線片檢查。由于X線球管投照位置的影響，Chamberlain線等傳統(tǒng)單維度影像學(xué)指標(biāo)測量的準(zhǔn)確性不甚理想。CT掃描和MRI的綜合運(yùn)用，使得顱底凹陷癥的影像學(xué)診斷有了突破性進(jìn)展[2-3]，二維平面圖像上Chamberlain線、McGregor線等指標(biāo)的測量結(jié)果被繼續(xù)用于輔助診斷顱底凹陷癥，但仍存在不確定因素，數(shù)據(jù)可靠性有待提高。本研究運(yùn)用混合現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行計算機(jī)輔助診斷與術(shù)前規(guī)劃，建立基于混合現(xiàn)實的新型三維測量手段，用于輔助顱底凹陷癥患者的影像診斷，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2010年6月至2015年5月廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院收治、年齡＞18歲的19例顱底凹陷癥患者作為觀察組?；颊呔蓄i項部疼痛、頸椎活動受限癥狀，上肢肌力下降9例，共濟(jì)失調(diào)和發(fā)作性眩暈7例，15例合并頸短、頭頸歪斜，3例伴寰樞椎發(fā)育畸形；MRI檢查均提示有小腦扁桃體下極疝出至枕骨大孔以下、腦室擴(kuò)大等特征性影像。同期19名正常成年健康人作為對照組。兩組性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

1.2 顱底凹陷癥三維測量指標(biāo)的建立

1.2.1構(gòu)建原則 所建立的測量指標(biāo)需具有理論上的可測性，指標(biāo)的內(nèi)涵一旦確定，不管采用何種手段測量，數(shù)值必須是唯一的、確定的，與病情嚴(yán)重程度有良好相關(guān)性，對顱底凹陷癥具有輔助診斷價值[4-6]。

1.2.2枕骨大孔出口切面的確定

1.2.2.1顱底坐標(biāo)系的確定 以人體標(biāo)準(zhǔn)解剖位建立X、Y、Z三維空間軸，雙腳并立中點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸指向觀察者，Y軸指向人體左手，Z軸垂直水平面指向上方，由此可得顱底坐標(biāo)系。顱底形態(tài)由坐標(biāo)集合公式?jīng)Q定：顱底=｛N（X,Y,Z）｝。

1.2.2.2顱底出口邊緣的確定 在X、Y標(biāo)值相同的顱底坐標(biāo)集合中，可得到Z值最小的一點(diǎn)N（X,Y,Zmin）：顱底出口邊緣=｛N（X,Y,Zmin）｝。由顱底下部形態(tài)得出，其出口邊緣并非在同一平面上，如果連接｛N（X,Y,Zmin）｝各點(diǎn)并封閉，可以得到一個自由曲面。

1.2.2.3顱底出口切面的確定 假設(shè)數(shù)據(jù)集合｛N（X,Y,Zmin）｝中有3個點(diǎn)，這3個點(diǎn)確定的平面使數(shù)據(jù)集合｛N（X,Y,Z）｝都在平面的上方，這個平面即顱底出口切面P-out；如果P-out值存在多個，那么與水平面夾角（或寰椎入口平面）最小的平面即為枕骨大孔出口切面。

表1兩組一般資料比較

1.2.3顱底凹陷癥三維測量指標(biāo)的建立 患者掃描狀態(tài)下由上述測量得出的枕骨大孔出口切面是唯一的、確定的。若齒突與枕骨大孔出口切面相交（圖1A），可測量齒突數(shù)據(jù)集各點(diǎn)與枕骨大孔出口切面距離的最大值，進(jìn)而得到齒突陷入的最大高度（圖1B），相交的面積S-cro可由計算機(jī)自動計算（圖1C），然后測量枕骨大孔出口切面上的齒突陷入體積V-odn（圖1D），最后得到齒突陷入高度（V-odn/S-cro）。

1.3 測量方法

觀察組和對照組均采用雙源64排螺旋CT機(jī)（德國，SIEMENS公司）掃描，探測器掃描層厚0.625 mm。選取DICOM格式數(shù)據(jù)，在MyAR交互式混合現(xiàn)實醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)（廣州市萬雄科技開發(fā)有限公司）中調(diào)用圖像數(shù)據(jù)序列，建立顱底-頸椎三維混合現(xiàn)實模型。在顱底像素集合中確定3點(diǎn)構(gòu)成平面，使顱底像素集合均位于該平面上方，并與水平面夾角最小化，得到枕骨大孔出口切面。記錄齒突與枕骨大孔出口切面的相交情況。若無相交，記為0；若相交，加載measurement模塊，測量齒突陷入最大高度，同時計算平均陷入體積和高度。

將兩組人群隨機(jī)排序，在CT數(shù)據(jù)矢狀面上由同一位脊柱科主治醫(yī)師測量Chamberlain線（樞椎齒突尖高過此線3 mm者為異常）及McGregor線（樞椎齒突尖高過此線7 mm者為異常）[7]。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，兩組比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗，計量資料以例表示，比較采用χ2

圖1基于混合現(xiàn)實建立顱底凹陷癥三維測量指標(biāo) 1A枕骨大孔出口切面（綠色部分）與陷入的齒突相交，枕骨大孔出口邊緣均在出口切面以上 1B計算相交面積S-cro（紫色部分）1C測量齒突陷入最大高度 1D測量齒突陷入體積V-odn（紫色部分）

檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組傳統(tǒng)矢狀面二維測量指標(biāo)結(jié)果

正常組樞椎齒突尖高于Chamberlain線3 mm者2例，觀察組低于3 mm者3例，假陽性率11%（2/19），假陰性率 16%（3/19）；正常組高于McGregor線7 mm者1例，觀察組低于7 mm者5例，假陽性率5%（1/19），假陰性率26%（5/19）。

2.2 兩組基于混合現(xiàn)實三維指標(biāo)測量結(jié)果

正常組19例均為0；觀察組1例為0，平均齒突陷入體積（456.0± 141.2）mm3，平均陷入高度（4.6±1.3）mm。無假陽性結(jié)果，假陰性率為5%（1/19）。

3 討論

3.1 顱底凹陷癥的影像學(xué)診斷

顱底凹陷癥又稱顱底陷入癥，是指以枕骨大孔為中心的顱底骨組織內(nèi)翻，寰椎、樞椎齒狀突等上頸椎結(jié)構(gòu)陷入顱內(nèi)，致使顱后窩容積縮小、枕骨大孔前后徑縮短而產(chǎn)生癥狀的一種疾病[8]。其發(fā)病無地區(qū)及性別差異，一般在有明顯繼發(fā)性神經(jīng)損害時才予以手術(shù)治療[9-10]。影像學(xué)診斷多借助X線檢查，傳統(tǒng)的X線單維度指標(biāo)主要有Chamberlain線和McGregor線。實際操作中由于X線球管投照位置的干擾，一定程度上影響了這些測量指標(biāo)的準(zhǔn)確性[11]，因此在診斷顱底凹陷癥時，需全面觀察顱底枕骨大孔區(qū)有無骨質(zhì)改變，并綜合分析患者的癥狀體征等，以期做出明確診斷。

隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CT掃描和MRI目前已廣泛用于顱底凹陷癥的臨床診斷。矢狀面二維平面圖像上的測量指標(biāo)主要包括Chamberlain線、Mc Gregor線、頸髓角等；此外，MRI還可清晰顯示下垂的腦結(jié)構(gòu)及合并的其它畸形，其對脊髓壓迫情況的有效評估也具有重要的臨床價值[12-13]。

3.2 基于混合現(xiàn)實的顱底凹陷癥三維測量指標(biāo)

3.2.1混合現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢 相對于傳統(tǒng)CT平面成像，新型混合現(xiàn)實立體成像技術(shù)可以形成嵌入式三維影像，將復(fù)雜的骨結(jié)構(gòu)更加立體直觀地展示在臨床醫(yī)生面前，使脊柱畸形、復(fù)雜骨折等的評估、分型變得更加容易。而混合現(xiàn)實技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計、手術(shù)機(jī)器人、手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)等相結(jié)合，可輔助完成術(shù)中病灶的三維形態(tài)匹配以及內(nèi)植物的三維定位，縮短手術(shù)時間，減少透視次數(shù)，在經(jīng)皮手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)中具有較好的應(yīng)用價值[14]。

在外科領(lǐng)域，Goelho和Defino[15]評估三維混合現(xiàn)實模型在平面解剖、病理診斷以及影像學(xué)等方面的作用，結(jié)果表明，該模型提供了一個高效的觀察工具，可加強(qiáng)脊柱外科醫(yī)生對三維解剖結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，并能在安全的環(huán)境中縮短醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線；Lee等[16]介紹一個融合多模式數(shù)據(jù)的混合現(xiàn)實手術(shù)支持系統(tǒng)，創(chuàng)建了可支持骨科手術(shù)中螺釘置放的混合現(xiàn)實環(huán)境；Condino等[17]則認(rèn)為，將混合現(xiàn)實模擬器融入外科培訓(xùn)項目，學(xué)員能夠在安全可控的環(huán)境中積累外科經(jīng)驗。但由于混合現(xiàn)實技術(shù)開展時間尚短，目前在頸椎外科領(lǐng)域的臨床應(yīng)用還非常有限。

3.2.2建立基于混合現(xiàn)實三維測量指標(biāo)的理論基礎(chǔ) 目前CT/MRI測量的先決條件之一是矢切面與顱底-寰樞椎保持垂直，否則兩者夾角將影響顱底-寰樞椎各結(jié)構(gòu)在矢切面投影的位置，投影到某一平面的寰樞椎結(jié)構(gòu)的位置將發(fā)生不同程度的變形，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

一般認(rèn)為正中矢狀面的切面可以將這種變形效應(yīng)降到最低，但是，CT/MRI掃描時無法保證患者頭部位置重建后矢切面與寰樞椎正中矢切面一定重合。而病理狀態(tài)下因發(fā)育畸形可能導(dǎo)致顱底-寰樞椎根本不存在一個對稱矢切軸面，正中矢切面也就無從尋找；即使是在顱底-寰樞椎完整的物理正中矢切面中測量，也不能確定此平面齒突就是最突出的部位。從這個意義上講，無論是CT掃描還是MRI檢查，由其矢切面上測得的Chamberlain線、McGregor線等指標(biāo)將隨測量平面位置的變化而變化，其數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性有待提高。因此，建立一種不因矢狀面位置變化而影響測量結(jié)果的評價指標(biāo)，對于提高顱底凹陷癥影像學(xué)診斷的準(zhǔn)確性具有重要意義。

3.2.3基于混合現(xiàn)實的三維測量指標(biāo)的建立 本研究依據(jù)立體幾何原理，基于CT數(shù)據(jù)采用混合現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行重建，測算出齒突平均陷入體積和高度，并以此作為一種新型的顱底凹陷癥三維測量指標(biāo)。通過與正常對照組以及與傳統(tǒng)矢狀面二維測量指標(biāo)的比較，證實這一測量技術(shù)具有直觀準(zhǔn)確、結(jié)果可靠、真實反映齒突在顱底椎管內(nèi)骨性占位情況等特點(diǎn)，可作為輔助診斷顱底凹陷癥的影像學(xué)評估指標(biāo)。

本研究中三維測量方法的假陰性率為5%，可能與顱底出口切面的選擇有關(guān)。當(dāng)P-out值存在多個時，需要測量者人工干預(yù)，選出與水平面夾角（或寰錐入口平面）最小的平面作為枕骨大孔出口切面，這一過程中的人為因素可能導(dǎo)致最終結(jié)果存在一定偏差，測量者需要不斷積累三維測量經(jīng)驗以減少這一誤差；未來人工智能技術(shù)的進(jìn)展、大數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動測量方法的應(yīng)用將彌補(bǔ)這一不足。