3D-Slicer在神經(jīng)外科手術(shù)中的研究進(jìn)展

方莎莎 綜述 陳潔，范瑞明 審校

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院腦血管科，貴州 遵義 563000

神經(jīng)外科手術(shù)后容易遺留神經(jīng)功能缺損，嚴(yán)重影響患者預(yù)后，因此人們對(duì)如何最大化清除受損組織及最小化減少神經(jīng)功能缺損要求日益嚴(yán)格。近幾年3D-Slicer 引導(dǎo)的三維成像技術(shù)越來越受到國(guó)內(nèi)外同行的學(xué)習(xí)和關(guān)注。其三維成像技術(shù)不僅可以使復(fù)雜的操作簡(jiǎn)單化，而且也可精確計(jì)算顱內(nèi)血腫、水腫、腫瘤等體積，全方位三維展現(xiàn)不同神經(jīng)纖維束通路及受損情況。現(xiàn)本文就其三維成像技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 3D-Slicer在顱內(nèi)血腫清除手術(shù)中的應(yīng)用

腦出血是最常見的腦血管疾病之一，出血后血腫壓迫顱內(nèi)組織，導(dǎo)致嚴(yán)重神經(jīng)功能缺損嚴(yán)重可致死亡。嚴(yán)重腦出血時(shí)，大部分雙側(cè)側(cè)腦室、第三腦室和第四腦室充滿了血液或血栓，腦脊液(CSF)通路經(jīng)常被血塊阻塞，導(dǎo)致急性腦積水，這種情況的預(yù)后差，死亡率高，需要積極快速的血腫清除手術(shù)治療以降低顱內(nèi)高壓，而手術(shù)治療的關(guān)鍵是精確計(jì)算血腫的體積并最大化清除血腫[1]。臨床上最常用的血腫體積估算方式是多田公式(1/2ABC)，該公式一般適用于形狀規(guī)則的血腫體積計(jì)算，對(duì)于形狀不規(guī)則的血腫體積計(jì)算并不準(zhǔn)確，對(duì)于顱內(nèi)某些特殊部位的血腫來說其誤差甚至是不可接受的[2]。DUQUE 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，利用3D-Slicer測(cè)量血腫體積比傳統(tǒng)方式更加準(zhǔn)確，尤其是對(duì)不規(guī)則血腫體積的測(cè)量。這能滿足外科高精確度的要求。除測(cè)量體積更準(zhǔn)確外，3D-Slicer在顱內(nèi)血腫清除手術(shù)中也發(fā)揮重要作用。SONG 等[1]利用3D-Slicer 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在術(shù)前得到腦內(nèi)血腫三維模型，精確快速模擬進(jìn)入顱內(nèi)血腫的最佳路徑并測(cè)量穿刺深度及角度，他們發(fā)現(xiàn)3D-Slicer不僅能降低手術(shù)創(chuàng)傷，也能提高手術(shù)效率及安全性。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)3D-Slicer結(jié)合神經(jīng)內(nèi)窺鏡輔助血腫清除術(shù)，跟顯微鏡輔助血腫清除手術(shù)相比，臨床療效更為顯著[4-5]。對(duì)于深部血腫，如丘腦出血，3D-Slicer 模擬導(dǎo)航定位軟通道穿刺丘腦聯(lián)合腦室鉆孔引流術(shù)治療丘腦出血，與臨床昂貴的醫(yī)學(xué)分析工具相比3D-Slicer準(zhǔn)確可靠，且可以免費(fèi)獲得源代碼[6]。

2 3D-Slicer在神經(jīng)導(dǎo)航手術(shù)中的應(yīng)用

神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代末和90年代初被引入神經(jīng)外科，并已被證明是重要的神經(jīng)外科手術(shù)工具[7]。常規(guī)的神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)是光學(xué)系統(tǒng)(紅外光反射)，這種導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是神經(jīng)外科醫(yī)生必須遠(yuǎn)離手術(shù)場(chǎng)才能看到導(dǎo)航顯示，因?yàn)閷?dǎo)航顯示器遠(yuǎn)離顯微鏡的透鏡管和神經(jīng)內(nèi)鏡[8]；二是其成本過高，獲得源代碼進(jìn)行手術(shù)器械的校準(zhǔn)及配準(zhǔn)費(fèi)用非常昂貴。而3D-Slicer 引導(dǎo)的圖像導(dǎo)航系統(tǒng)由開源軟件3D-Slicer和Web攝像機(jī)組成，任何設(shè)施都可以輕松地設(shè)置這個(gè)系統(tǒng)。與標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)相比較，3D-Slicer引導(dǎo)的簡(jiǎn)單導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用。而3D-slicer 軟件又在三維空間中顯示對(duì)象方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，不僅能很好的識(shí)別腫瘤、血管和神經(jīng)的空間位置關(guān)系，而且通過計(jì)算機(jī)將信息添加到真實(shí)的環(huán)境中顯示纖維束等，使虛擬三維顱內(nèi)成像與現(xiàn)實(shí)頭顱完美重疊，提供各種視角的虛擬3D 圖像和相同的疊加圖像，使外科醫(yī)生提高手術(shù)精度并減少術(shù)中損傷[9-10]。它還可以根據(jù)手術(shù)器械的位置，在三維空間中顯示任意的橫截面平面，通過優(yōu)化體積和表面繪制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)腫瘤或血管等三維圖形對(duì)象的可視化，其參數(shù)可以根據(jù)外科醫(yī)生的意圖進(jìn)行微調(diào)，滿足外科顱腦手術(shù)的高精確度要求[7，9-10]。另3D-Slicer 引導(dǎo)的術(shù)中成像技術(shù)能通過實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)過程中的解剖結(jié)構(gòu)位置變化三維圖形，解決開顱時(shí)腦脊液流出及腦組織腫脹造成手術(shù)中的腦組織移位這些問題[11]。3D-Slicer 模擬導(dǎo)航相比較正規(guī)導(dǎo)航系統(tǒng)來說相對(duì)簡(jiǎn)單方便，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)無導(dǎo)航的基層醫(yī)院來說有較大的應(yīng)用價(jià)值[12]。

3 3D-Slicer在術(shù)前規(guī)劃中的應(yīng)用

神經(jīng)外科手術(shù)后纖維束的損傷程度與神經(jīng)功能缺損及患者預(yù)后切相關(guān)，纖維束的損傷程度及纖維束的整體走形是每一位神經(jīng)外科醫(yī)生關(guān)注的重點(diǎn)，術(shù)前精確重建纖維束與周圍病變組織的三維病理解剖位置關(guān)系，對(duì)保留患者神經(jīng)功能尤為重要。然而纖維束投射軌跡的三維重建是一個(gè)復(fù)雜的過程，臨床環(huán)境下的軌跡驅(qū)動(dòng)信息的有效性尚未完全建立。而傳統(tǒng)影像學(xué)只可顯示腫瘤影像學(xué)邊界，卻無法分辨白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)。3D-Slicer 配合基于彌散張量成像(DTI)的纖維束示蹤成像技術(shù)，能清楚顯示腦白質(zhì)的走行，為醫(yī)師提供更加精確術(shù)前規(guī)劃及診療[13]。3D-Slicer的擴(kuò)張模塊slicerDMRI使纖維素可視化，通過纖維束線描記法追蹤大腦連接，計(jì)算跟蹤白質(zhì)纖維束，支持單纖維和多纖維束成像[14]。將DTI數(shù)據(jù)整合到3D-Slicer中進(jìn)行纖維束追蹤和重疊解剖圖像，以確定神經(jīng)的走行，對(duì)病理狀態(tài)下病變組織走行、定位及與病變組織的關(guān)系行三維重建[15]，避免了術(shù)中二次損傷。

4 3D-Slicer在原發(fā)性三叉神經(jīng)痛解壓手術(shù)中的應(yīng)用

原發(fā)性三叉神經(jīng)痛(TN)是神經(jīng)血管性壓迫(NVC)最常見的類型，微血管減壓術(shù)(MVD)是首選的手術(shù)方式，神經(jīng)血管壓迫的存在、侵犯血管的位置和壓迫的嚴(yán)重程度對(duì)MVD的有效性有重要影響。準(zhǔn)確的術(shù)前評(píng)估NVC的特征不僅對(duì)MVD手術(shù)的計(jì)劃和結(jié)果至關(guān)重要，同時(shí)可以縮短手術(shù)時(shí)間。目前磁共振(MRI)的評(píng)價(jià)方法是TN 的常規(guī)診斷方法，但該方法存在一些不足，三維MRI[用穩(wěn)定快速采集(fiesta)序列]雖然可以提供高的空間分辨率并對(duì)血管神經(jīng)進(jìn)行三維重構(gòu)，但利用這一序列的圖像很難區(qū)分血管結(jié)構(gòu)和神經(jīng)，特別是當(dāng)它們有相似的直徑并且平行走行時(shí)[16]。而且進(jìn)行神經(jīng)血管三維重建的方法有局限性，當(dāng)涉及檢測(cè)小口徑血管時(shí)，其靈敏度會(huì)降低，這可能是三叉神經(jīng)痛的潛在原因，會(huì)導(dǎo)致假陰性結(jié)果[17]。據(jù)HAN 等[16]、YAO 等[17]研究發(fā)現(xiàn)使用3D-Slicer 的多模態(tài)圖像顯示技術(shù)可以清楚地顯示神經(jīng)血管的關(guān)系，在探討病變血管神經(jīng)壓迫方面比MRI (fiesta 序列)準(zhǔn)確。3D-Slicer可測(cè)量三叉神經(jīng)腦池段的體積來評(píng)估三叉神經(jīng)痛與受累神經(jīng)的關(guān)系[18]，利于手術(shù)醫(yī)師評(píng)判手術(shù)效果及預(yù)后。三叉神經(jīng)痛的手術(shù)預(yù)后的結(jié)局與神經(jīng)血管的壓迫嚴(yán)重程度密切相關(guān)，3D-Slicer在一定程度上可以提高M(jìn)VD手術(shù)的有效性，縮短手術(shù)時(shí)間，減輕陰性患者疼痛。

5 3D-Slicer在難治性癲癇手術(shù)中的應(yīng)用

癲癇是神經(jīng)系統(tǒng)常見疾病，多數(shù)患者規(guī)律服用抗癲癇藥物能控制癲癇發(fā)作，仍有部分患者癲癇藥物治療效果欠佳。對(duì)于抗癲癇藥物難以治療的癲癇，手術(shù)是潛在候選者。手術(shù)的目的是切除或斷開致癲癇區(qū)。在立體腦電圖(SEEG)信號(hào)的評(píng)估中，醫(yī)生的工作流程涉及多個(gè)操作，包括確定單個(gè)電極觸點(diǎn)的位置與灰質(zhì)或白質(zhì)的關(guān)系以及特定腦區(qū)中的位置等。這些操作是通常由計(jì)算機(jī)支持有限的神經(jīng)科專家手動(dòng)執(zhí)行，耗費(fèi)大量時(shí)間，經(jīng)常不準(zhǔn)確、不完整且容易出錯(cuò)。3DSlicer 的 SEEG Assistant，使用 CT 的成像數(shù)據(jù)定位電極接觸位置的模塊，確定記錄活動(dòng)最可能的大腦位置的模塊，和計(jì)算灰質(zhì)接近指數(shù)的模塊，即每個(gè)接觸距離大腦皮層的距離，以區(qū)分接觸的白質(zhì)和灰質(zhì)位置，使用SEEG助手可將植入后處理時(shí)間縮短，提高結(jié)果質(zhì)量，并減少植入后處理中的錯(cuò)誤[19-20]。該軟件使用MRI和植入后CT融合來定位顱內(nèi)深部電極及其與自動(dòng)標(biāo)記周圍皮質(zhì)的關(guān)系被PRINCICH等[21]證明是快速有效的。

6 3D-Slicer在動(dòng)脈瘤手術(shù)中的應(yīng)用

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是動(dòng)脈壁向外突出形成的永久性擴(kuò)張，一旦破裂后果嚴(yán)重，目前顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的診斷金標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字減影血管造影(DSA)，其是一種有創(chuàng)傷性、輻射量大、風(fēng)險(xiǎn)高的有創(chuàng)檢查，耗時(shí)較長(zhǎng)，手術(shù)費(fèi)用較高。所以有癥狀者一般造影術(shù)前先行CT血管造影(CTA)檢查有無動(dòng)脈瘤存在。CTA是一種無創(chuàng)性血管成像技術(shù)，掃描時(shí)間短、空間分辨率高且全身均可檢查。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，使用3D-Slicer軟件結(jié)合CTA診斷顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的敏感度、特異性及準(zhǔn)確性接近DSA[22]。CAN 等[23]、LIN 等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，使用3D-Slicer 軟件可以生成動(dòng)脈瘤及其周圍血管結(jié)構(gòu)的3D 模型，在每個(gè)模型中檢查動(dòng)脈瘤大小、長(zhǎng)寬比、動(dòng)脈瘤角度、血管角度、大小比例、到膝部的距離和子母角等的形態(tài)學(xué)參數(shù)有助于評(píng)價(jià)動(dòng)脈瘤破裂的風(fēng)險(xiǎn)。3D-Slicer 對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤磁共振血管成像和高分辨磁共振數(shù)據(jù)重建具有較好的準(zhǔn)確性，有利于指導(dǎo)動(dòng)脈瘤手術(shù)[26]。

7 3D-Slicer在腦腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用

原發(fā)性腦腫瘤患者的生存率受到多種因素的影響，手術(shù)切除在低、高級(jí)別原發(fā)性腦腫瘤的治療中起著重要作用。目前顱內(nèi)腫瘤手術(shù)存在最大限度切除腫瘤及減少術(shù)后神經(jīng)功能缺損之間的矛盾、手術(shù)過程中的腦移位使腫瘤定位困難及不能明確腫瘤與重要功能的腦皮質(zhì)和白質(zhì)的關(guān)系等幾大難點(diǎn)。3D-Slicer的半自動(dòng)區(qū)域增長(zhǎng)的體積分割算法，對(duì)腫瘤醫(yī)學(xué)圖像換成可提取數(shù)據(jù)，對(duì)腫瘤表型進(jìn)行量化，可用于大型隊(duì)列研究的定量圖像特征提取和高通量圖像數(shù)據(jù)挖掘，其半自動(dòng)分割方法減少了觀察者間的變異性和描繪的不確定性，具有更高的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可能會(huì)提高成像標(biāo)記物的預(yù)后性能[27-28]。而且，3D-Slicer 用于分割顱內(nèi)腫瘤體積的半自動(dòng)分割方法要比純手動(dòng)分割節(jié)30%～60%的時(shí)間和工作量[29]。除此之外，BUTZ等[30]研究發(fā)現(xiàn)，3D-Slicer有降低癌癥治療不足的風(fēng)險(xiǎn)，在最大切除腫瘤組織和最小損害周圍組織之間達(dá)到一個(gè)最佳治療平衡點(diǎn)。

8 展望

綜上所述，3D-Slicer 是一種強(qiáng)大的可視化工具，允許在二維、三維和四維中探索成像數(shù)據(jù)集。3D-Slicer能重建大腦結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)，和任何空間位置進(jìn)行多平面重建，并能進(jìn)行血腫、水腫、腫瘤體積測(cè)量、纖維束的三維重建、術(shù)中導(dǎo)航等。3D-Slicer 的價(jià)值在于：(1)就其分割而言，對(duì)于深部血腫的清除和腫瘤切割方面，3D-Slicer能精確區(qū)分腫瘤、血管、纖維束的關(guān)系，擬定術(shù)前規(guī)劃，在達(dá)到最大治療量和最小損害周圍組織之間達(dá)到一個(gè)最佳治療方案，為患者提供個(gè)體化治療。而且其半自動(dòng)體積分割方法可能逐漸取代人工手動(dòng)分割，對(duì)腫瘤的表面特征進(jìn)行量化分析比人工分析有更高的準(zhǔn)確性，可能有助于更早發(fā)現(xiàn)腫瘤及預(yù)測(cè)腫瘤的生長(zhǎng)及預(yù)后，早期行手術(shù)治療。(2)在手術(shù)導(dǎo)航上，3D-Slicer組裝的導(dǎo)航系統(tǒng)相比較正規(guī)導(dǎo)航系統(tǒng)來說簡(jiǎn)單方便，使醫(yī)生在使用導(dǎo)航系統(tǒng)的同時(shí)無需遠(yuǎn)離手術(shù)臺(tái)，而且能減少術(shù)中損傷。再者3D-Slicer組裝的導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)無導(dǎo)航的基層醫(yī)院來說有較大的推廣價(jià)值，且可能成為減少高額檢查費(fèi)用的替代軟件，節(jié)約工作時(shí)間及醫(yī)師工作量。(3)在動(dòng)脈瘤診斷方面，3D-Slicer 結(jié)合CTA的準(zhǔn)確性與特異性與DSA無明顯差別，可能成為潛在DSA 替代技術(shù)，并有利于指導(dǎo)動(dòng)脈瘤手術(shù)。但是3D-Slicer并不是FDA批準(zhǔn)的設(shè)備，其許可證也沒有對(duì)該軟件的臨床適用性做出任何聲明，而且3D-Slicer 輔助臨床的實(shí)用性也需隨機(jī)大規(guī)模多中心研究進(jìn)一步證實(shí)及探討。