MRI影像三維重建在垂體瘤質(zhì)地的術(shù)前評估中的應(yīng)用

張彧，吳安華，韓帥，高偉，管格非，于杰夫

（中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科，沈陽 110001）

垂體瘤是常見的神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤，占中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的10%～15%［1］。該疾病一般需要手術(shù)治療，常見的手術(shù)方法包括開顱手術(shù)和經(jīng)蝶手術(shù)［2］。隨著內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)蝶竇入路神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)已經(jīng)成為治療垂體瘤的首選方案［3］。而手術(shù)效果及手術(shù)風(fēng)險與腫瘤的大小、發(fā)展方向及質(zhì)地緊密相關(guān)，大多數(shù)垂體瘤質(zhì)地較軟，經(jīng)典的單鼻孔經(jīng)蝶手術(shù)可以實現(xiàn)完全切除，但仍有少部分質(zhì)地較韌的垂體瘤難以獲得滿意的切除。由此可見，垂體瘤質(zhì)地術(shù)前預(yù)測對于手術(shù)入路的選擇，手術(shù)風(fēng)險的評估及手術(shù)效果的預(yù)期有重要意義。本研究試圖應(yīng)用Mimics軟件獲得垂體瘤術(shù)前磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）重建模型，根據(jù)增強效應(yīng)強弱將重建模型分為不同部分，并測量每一部分的體積與表面積，分析其與腫瘤質(zhì)地的關(guān)系，為手術(shù)入路的選擇和手術(shù)風(fēng)險的評估提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2015年1月至2018年7月于中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科行經(jīng)蝶入路神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)的垂體大腺瘤 （腫瘤直徑>1 cm） 及巨大腺瘤 （腫瘤直徑>3 cm） 患者70例。其中，男33例，女37例，平均年齡 （50.11±12.21） 歲。臨床表現(xiàn)主要包括內(nèi)分泌功能異常 （如肢端肥大、庫欣綜合征、閉經(jīng)、泌乳、性功能減退等），視野缺損，視力下降，頭痛，惡心和嘔吐等。所有納入研究的患者術(shù)前均行增強磁共振檢查并具有完整的臨床資料。由于腫瘤卒中和囊性變可導(dǎo)致MRI信號的改變，所以將出現(xiàn)腫瘤卒中和囊性變的病例予以排除。

MR掃描應(yīng)用西門子3.0 T超導(dǎo)磁共振Magnetom Verio，并應(yīng)用釓噴酸葡胺 （德國Bayer Schering Pharma AG） 作為造影劑。所用PC機主要配置為CPU：Core i5-5250U；內(nèi)存：8 GB；硬盤：121 GB；操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 10 Enterprise。應(yīng)用Mimics 19.0軟件進行圖像重建。

1.2 腫瘤質(zhì)地判斷標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)Mahmoud分級法［4］，依術(shù)中所見將腫瘤質(zhì)地分為3級。質(zhì)地軟：切開硬膜后，瘤體組織可自行涌出，用吸引器較容易吸除腫瘤，不需或較少需要借助刮匙刮除；質(zhì)地中等：瘤體組織不能夠自行涌出，借助刮匙可以刮除；質(zhì)地韌：刮匙刮除困難，用取瘤鉗取瘤有明顯牽拉感，常需電凝及銳器的配合才能切除腫瘤。

1.3 垂體瘤三維重建

（1） 圖像導(dǎo)入：將DICOM格式的鞍區(qū)增強磁共振源文件導(dǎo)入Mimics19.0軟件，選取矢狀位增強像，調(diào)整圖像方向、大小，自動生成橫斷面及冠狀面圖像。 （2） 圖像分割：在項目管理器“Masks”標(biāo)簽下點擊新建蒙版，從分割功能區(qū)中選擇蒙版編輯工具，筆尖形狀選擇磁性套索，設(shè)定梯度幅值為0.5、吸引強度為0，選擇繪制模式，應(yīng)用磁性套索工具在矢狀面圖像中對感興趣的腫瘤區(qū)域逐層進行圖像分割，利用蒙版編輯工具對分割結(jié)果進行細微調(diào)整。（3） 圖像重建：從分割功能區(qū)中選擇計算三維模型工具，選擇分割圖像所在蒙版，圖像質(zhì)量選擇高，進行圖像三維重建。 （4） 3D模型優(yōu)化：首先從3D工具區(qū)中選擇光順工具，設(shè)定迭代次數(shù)為5、光順系數(shù)為0.6，進行3D重建模型光順；然后從3D工具區(qū)中選擇三角形縮減工具，設(shè)定縮減模式為Edge，設(shè)定容許度為0.05、邊緣角度為15、迭代次數(shù)為10，進行三角面片縮減；最后從3D工具區(qū)中選擇包裹工具，設(shè)定最小細節(jié)為1.5、間隙閉合距離為2，進行模型包裹。最后對所建立的腫瘤3D模型進行觀察和測量。

1.4 閾值測算及驗證

隨機抽取30例垂體瘤患者進行分割閾值的測算。應(yīng)用Mimics軟件對腫瘤區(qū)域進行勾畫，根據(jù)增強效應(yīng)強弱將腫瘤區(qū)域分為明顯強化、中度強化、輕度強化3個部分，分別勾畫蒙版并進行三維模型重建，記錄各部分的閾值分布，并計算各部分體積、表面積占總體體積和表面積的比例。計算分割閾值的平均數(shù)。

按照所計算出的平均閾值再次對此30例患者MRI圖像的腫瘤區(qū)域進行分割，計算各部分體積和表面積占整體的比例，對比手動分割結(jié)果及平均閾值分割結(jié)果，以驗證平均閾值的準(zhǔn)確性。

1.5 腫瘤質(zhì)地預(yù)測及相關(guān)因素分析

應(yīng)用計算得到的分割閾值對全部70例患者術(shù)前磁共振影像進行圖像分割，計算各分割區(qū)域體積和表面積占整體的比例，將所計算比例作為自變量，術(shù)中所見腫瘤質(zhì)地作為因變量進行單因素分析及多因素logistics回歸分析。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計量資料采用±s形式表示，采用配對t檢驗，計數(shù)資料采用χ2檢驗或Fisher確切概率分析。使用單因素方差分析檢驗各連續(xù)性變量的組間差異，對于P < 0.05的變量再行有序logistic回歸分析。檢驗顯著性水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 研究對象的臨床特征

該70例患者手術(shù)方式的選擇主要根據(jù)腫瘤大小，侵襲范圍及術(shù)者習(xí)慣等因素綜合考慮確定。單鼻孔手術(shù)患者資料中質(zhì)地較軟的比例較雙鼻孔手術(shù)患者高，垂體腺瘤體積在一定程度上更小。在術(shù)后并發(fā)癥方面，單鼻孔手術(shù)組術(shù)后發(fā)熱、離子紊亂和垂體低功的發(fā)生率低于雙鼻孔手術(shù)組，但術(shù)后尿崩的發(fā)生率較高。見表1。

2.2 垂體瘤三維重建結(jié)果

表1 單鼻孔手術(shù)及雙鼻孔手術(shù)患者臨床特征Tab.1 Clinical characteristics of patients undergoing single nostril surgery and double nostril surgery

應(yīng)用垂體瘤患者鞍區(qū)增強MRI掃描數(shù)據(jù)，使用Mimics軟件中的輪廓線工具，分別對各分割區(qū)域進行閾值測量，得到雙側(cè)閾值的平均數(shù)分別為458.3±17.9和629.2±18.2，遂選取458及629作為分割閾值。通過磁性套索蒙版編輯法及閾值分割法，分別得到垂體腺瘤及各分割區(qū)域三維模型 （圖1）。對比手動分割法及閾值分割法得到的各部分比例，2組無統(tǒng)計學(xué)差異 （P > 0.05），證明應(yīng)用所求得的平均閾值可以準(zhǔn)確分割圖像。重建模型結(jié)構(gòu)完整，輪廓清晰，與MRI圖像中腫瘤范圍一致，實現(xiàn)了垂體腺瘤的三維可視化。

2.3 各部分比例與腫瘤質(zhì)地的單因素分析

圖1 Mimics中重建垂體腺瘤三維模型Fig.1 Pituitary adenoma 3-dimensionally reconstructed by Mimics software

分別測量腫瘤整體及各分割區(qū)域的體積和表面積，計算各部分占總體的比例，定義各自變量分別為：輕度強化部分的體積占整體體積的比例為自變量1，明顯強化部分的體積占整體體積的比例為自變量2，輕度強化部分的表面積與整體表面積的比值為自變量3，中度強化部分的表面積與整體表面積的比值為自變量4，明顯強化部分的表面積與整體表面積的比值為自變量5。按腫瘤質(zhì)地對患者進行分組，比較各自變量的組間差異，見表2。所有自變量在各組間均存在統(tǒng)計學(xué)差異 （P < 0.01）。

表2 各分割區(qū)域體積、表面積與整體體積、表面積的比值和垂體瘤質(zhì)地的關(guān)系Tab.2 Relationship between the ratio of each signal part and the texture of pituitary adenoma

2.4 各部分比例的有序多因素logistics回歸分析

將各組間有統(tǒng)計學(xué)意義的自變量納入有序logistics回歸分析。其中自變量1、自變量3、自變量5雖在各分組間存在統(tǒng)計學(xué)差異，但納入有序logistics回歸分析后，P均>0.05，提示以上自變量與垂體瘤質(zhì)地?zé)o明顯相關(guān)性，見表3。自變量2行有序logistics回歸分析后P = 0.007 （<0.05），提示明顯強化部分的體積占腫瘤整體體積的比例與垂體瘤質(zhì)地相關(guān)，OR>1，說明其比例越高，垂體瘤的質(zhì)地越韌。自變量4中P = 0.049 （<0.05），提示中度強化部分的表面積與腫瘤整體表面積的比值與垂體瘤質(zhì)地相關(guān)，OR >1，說明其比例越高，垂體瘤的質(zhì)地越韌。

3 討論

垂體瘤起源于垂體前葉的腺垂體［1］。由于其引發(fā)的激素分泌異常［5］，占位效應(yīng)等可導(dǎo)致嚴(yán)重的臨床癥狀，常會影響患者的生長發(fā)育和生活質(zhì)量［6］。目前，除泌乳素型垂體瘤可用多巴胺激動劑治療以外［7-8］，其他類型垂體瘤的治療仍以手術(shù)治療為主。手術(shù)目的不僅在于腫瘤的徹底切除，還要求盡量保留正常垂體組織。隨著神經(jīng)內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)蝶手術(shù)逐漸取代開顱手術(shù)，成為手術(shù)治療垂體瘤的首選方案［3，9］。而手術(shù)方案的選擇取決于垂體瘤的質(zhì)地、大小和侵襲范圍等因素。

表3 各部分比例的有序logistic回歸分析Tab.3 Ordinal polytomous logistics regression analysis of the ratio of each signal part

其中，垂體瘤質(zhì)地是手術(shù)方案選擇的重要影響因素。對于質(zhì)地較軟的垂體瘤，單鼻孔神經(jīng)內(nèi)鏡經(jīng)蝶手術(shù)較為適宜。對于質(zhì)地較韌的腫瘤，以雙鼻孔擴大經(jīng)蝶神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)為宜，而瘤體較大且質(zhì)地較韌者則以開顱手術(shù)或經(jīng)額下蝶聯(lián)合入路切除為宜。目前對于腫瘤質(zhì)地的評估方法主要有以下幾種：（1） 術(shù)前MRI T2WI上瘤體與白質(zhì)的信號比越低，質(zhì)地越韌［10］；（2） 瘤體膠原蛋白含量越高腫瘤質(zhì)地越韌［11］；（3） 高功能腺瘤質(zhì)地較軟，無功能者質(zhì)地較硬。本研究通過對垂體瘤術(shù)前MRI影像上的不同信號區(qū)域進行三維重建，以各部分所占比例評估腫瘤質(zhì)地。

增強MRI掃描有助于垂體瘤的診斷［12］，雖然增強效應(yīng)主要與瘤組織供血是否豐富有關(guān)，但增強掃描的優(yōu)勢在于對瘤組織邊界的分辨更為清晰準(zhǔn)確，且有少部分研究［13］指出，T1增強成像有預(yù)測垂體腺瘤質(zhì)地的價值。應(yīng)用軟件對二維圖像進行重建操作解決了腫瘤可視化的問題［14］。Mimics軟件是比利時Materialise公司開發(fā)的交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)［15］，可將磁共振二維影像重建成三維模型，并為研究者提供了多種測量工具以供不同類型的研究需要［16-17］。此前，Mimics多用于CT圖像上骨骼部分的重建［18］，在腫瘤領(lǐng)域應(yīng)用較少，本研究通過不同分割工具的使用準(zhǔn)確勾畫了腫瘤邊緣，為腫瘤的三維建模提供了新方法。

本研究中，對70例患者的研究結(jié)果表明，垂體瘤質(zhì)地與明顯強化部分的體積所占的比例及中度強化部分的表面積與整體表面積的比值正相關(guān) （P <0.05）。

綜上所述，MRI影像三維重建可作為腫瘤可視化的一個新方式，本研究所建立的預(yù)測模型可幫助臨床醫(yī)生判斷垂體瘤質(zhì)地。