多模態(tài)影像融合技術(shù)在復(fù)雜顱底腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用

邱宇 李軍 陳鵬 廖云陽 高炳菊 林李嵩

(福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院口腔頜面外科，福建醫(yī)科大學(xué)面部整復(fù)與重建研究室，福建 福州 350000)

顱底解剖位置深在，包含了許多重要的神經(jīng)及血管通道，且此區(qū)域組織也具多樣性，包括骨、軟骨、黏膜、神經(jīng)、肌肉、血管等多種組織類型，因此該區(qū)域的解剖及組織結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜[1]，相比其他部位的腫瘤手術(shù)，術(shù)者對該區(qū)域腫瘤毗鄰血管及神經(jīng)解剖關(guān)系的精準辨識極其重要[2-4]。近年來，計算機成像技術(shù)的進步極大地推動了顱底外科的發(fā)展，但傳統(tǒng)上單一模態(tài)的影像檢查因成像原理不同，分辨率不同，也都有各自的局限性，因此術(shù)者很難對復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)形成直觀、立體和全面的認識，而多模態(tài)影像融合技術(shù)能充分發(fā)揮不同影像學(xué)檢查的優(yōu)勢，將復(fù)雜的解剖關(guān)系可視化，對顱底腫瘤手術(shù)的安全性發(fā)揮了保障作用[5-7]。本研究旨在探索多模態(tài)影像融合技術(shù)在顱底腫瘤切除手術(shù)中的臨床應(yīng)用價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2017年10月—2020年4月我院口腔頜面外科確診為顱底腫瘤并擬行手術(shù)治療的患者14例，其中男8例，女6例；年齡33～72歲，平均43歲；其中原發(fā)腫瘤9例，復(fù)發(fā)腫瘤5例；前顱底腫瘤3例，側(cè)顱底腫瘤9例，中顱底腫瘤2例。本研究獲得福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會批準。

1.2 影像數(shù)據(jù)采集

所有患者術(shù)前均行CT及MRI平掃+增強掃描檢查。CT數(shù)據(jù)采集：自患者右前臂肘正中靜脈注入碘對比劑，延遲20 s后使用64層螺旋CT(日本東芝公司)行頭顱CT血管平掃+增強掃描檢查。MRI數(shù)據(jù)采集：自患者右前臂肘正中靜脈注射含釓對比劑，隨后行頭顱3.0 T MRI(德國西門子公司)平掃和增強掃描檢查。

1.3 數(shù)據(jù)標記及融合

將獲取的CT和MRI平掃+增強掃描原始數(shù)據(jù)以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)格式導(dǎo)入導(dǎo)航設(shè)計軟件iPlan 3.0軟件(德國BrainLab公司)中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用軟件重建模塊，首先將CT數(shù)據(jù)進行閾值分析，自動三維重建顱底骨質(zhì)，隨后在CT圖像中人工選取勾勒頸內(nèi)動靜脈及興趣結(jié)構(gòu)并標記，之后在MRI圖像中，選取勾勒腫瘤組織及興趣結(jié)構(gòu)并標記，然后利用圖像融合模塊的自動融合功能初步融合上述圖像，再對圖像中骨性標志點進行手動對齊微調(diào)，最終以兩組圖像間眼球及頜骨邊緣平滑連續(xù)為融合完成的判斷標準[8]，然后將融合后的三維重建圖像，利用軟件內(nèi)置功能模塊，通過不同角度觀察腫瘤與顱內(nèi)外重要血管、神經(jīng)及周圍結(jié)構(gòu)的三維位置關(guān)系，指導(dǎo)手術(shù)入路及腫瘤的切除。部分患者再利用融合完成后的數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入3D 打印機，采用光敏樹脂材料，運用光固化立體打印技術(shù)制備3D 模型，打印層厚0.01 mm，打印比例1∶1，經(jīng)固化、噴漆等處理后得到最終3D顱底腫瘤模型，通過此模型聯(lián)合術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，相互驗證比較腫瘤周圍解剖結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)手術(shù)過程[9-11]。

1.4 典型病例

患者，男，63歲，以“左顳部中耳惡性腫瘤術(shù)后2年余，復(fù)發(fā)3月余”為主訴入院，患者于2年前因中耳反復(fù)流膿伴聽力下降，就診于外院，行“右側(cè)側(cè)顱底病損切除術(shù)+外耳道病損切除術(shù)”，切除組織病理檢查示鱗狀細胞癌，術(shù)后行放療。本次入院前3月，患者再次出現(xiàn)耳部腫脹疼痛，外院考慮中耳惡性腫瘤復(fù)發(fā)，遂轉(zhuǎn)診我院，CT平掃+增強掃描顯示左側(cè)顳骨呈術(shù)后改變，左中耳結(jié)構(gòu)失常，其內(nèi)見片狀不規(guī)則軟組織密度影，邊界欠清，增強掃描病灶不均勻，與鄰近結(jié)構(gòu)分界不清，與頸內(nèi)動脈關(guān)系密切，考慮腫瘤復(fù)發(fā)伴感染。MRI平掃+增強掃描提示左側(cè)中耳內(nèi)可見結(jié)節(jié)狀片狀長T1、長T2異常信號影，DWI內(nèi)見片狀高信號，相應(yīng)ADS圖呈低信號，增強掃描病灶不均勻強化，DWI高信號區(qū)域未見強化，符合腫瘤復(fù)發(fā)伴感染表現(xiàn)。獲得CT及MRI的DICOM數(shù)據(jù)后，將其導(dǎo)入BrainLab導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，利用iPlan 3.0模塊分別于CT和MRI圖像勾勒顱頜面骨、頸內(nèi)動脈、頸內(nèi)靜脈及腫瘤，并融合重建(圖1～3)，而后將上述數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)入3D 打印機，采用光敏樹脂材料，制備3D 模型，打印層厚0.01 mm，打印比例1∶1，經(jīng)固化、上色等處理后得到最終3D顱底腫瘤模型。手術(shù)中圍繞耳屏前后設(shè)計腮頸聯(lián)合根治術(shù)切口，暴露腫瘤后，通過多模態(tài)融合影像重建的區(qū)域解剖圖像和直觀等比例的3D模型的比對引導(dǎo)，結(jié)扎頸內(nèi)靜脈，磨除乙狀竇表面骨質(zhì)，切除側(cè)顱底被破壞骨質(zhì)，暴露硬腦膜，隨后緊貼頸內(nèi)動脈表面，完整切除病灶，切緣應(yīng)干凈，之后行頸部淋巴結(jié)清掃，完成腮頸聯(lián)合根治術(shù)，最后再設(shè)計游離股前外側(cè)皮瓣重建側(cè)顱底軟組織缺損(圖4)。

A：顯示重建的頸動脈和顱面骨的三維關(guān)系，B～D：分別在水平位、矢狀位、冠狀位勾勒頸動脈和顱面骨

A、B、C、D分別顯示從不同層面人工識別勾勒的腫瘤區(qū)域

A：顯示CT和MRI數(shù)據(jù)融合重建后腫瘤(綠色)、頸動脈(紅色)及顱面骨(紫色)的三維關(guān)系，B～D：分別顯示水平位、矢狀位、冠狀位的腫瘤、頸動脈與顱面骨的融合圖像

A：根據(jù)融合后數(shù)據(jù)打印形成的3D模型，B：手術(shù)切口設(shè)計，C：完整切除腫瘤后的創(chuàng)面，D：利用游離股前外側(cè)皮瓣完成側(cè)顱底重建術(shù)

2 結(jié) 果

2.1 治療情況

術(shù)前對14例患者的影像數(shù)據(jù)均進行了圖像融合重建，其中8例行3D腫瘤模型打?。凰谢颊呔谛g(shù)前組織多學(xué)科討論，共同制定序貫治療方案；所有患者中有4例腫瘤與顱內(nèi)相通，術(shù)中請神經(jīng)外科會診處理顱內(nèi)段，并行硬腦膜修復(fù)；所有患者中有11例行游離血管化股前外側(cè)皮瓣修復(fù)，2例行游離血管化腓骨肌瓣修復(fù)，1例行局部顳肌筋膜瓣修復(fù)。

2.2 術(shù)后結(jié)果及隨訪

所有患者病理檢查結(jié)果示腦膜瘤3例，影細胞癌1例，上頜竇癌2例，成骨肉瘤1例，腺樣囊性癌2例，血管肉瘤1例，軟骨母細胞瘤2例，鱗狀細胞癌2例。13例游離皮瓣均成活，術(shù)中修復(fù)硬腦膜患者，均未出現(xiàn)腦脊液漏，患者無明顯并發(fā)癥發(fā)生。所有患者均順利出院。術(shù)后隨訪3～30個月(隨訪至2020年4月)，術(shù)后牙源性影細胞癌復(fù)發(fā)1例，腺樣囊腺癌復(fù)發(fā)1例，其余患者均未出現(xiàn)復(fù)發(fā)。

3 討 論

顱底區(qū)域解剖位置深在，向上緊鄰顱內(nèi)組織，向下與頜面部、眼、耳、鼻竇等結(jié)構(gòu)相連，諸多顱神經(jīng)及血管穿行其中[12-13]。同時該區(qū)域的腫瘤來源復(fù)雜，可來源于神經(jīng)、腦膜、顱骨及周圍各種組織，部分惡性腫瘤的生長方式呈侵蝕性，界限不清，且多血運豐富并破壞了顱底正常的組織結(jié)構(gòu)，該區(qū)域手術(shù)入路及操作空間都極為有限，病灶無法像其他部位一樣充分顯露，一旦術(shù)中出現(xiàn)計劃外出血，容易造成術(shù)野不清，腫瘤完整切除難度大，重要神經(jīng)血管或周圍器官的損傷發(fā)生率比較高[14-16]。

隨著各種計算機成像技術(shù)的逐漸進步，有力的推動了顱底外科的發(fā)展[17-19]，國內(nèi)口腔頜面外科醫(yī)生也緊跟數(shù)字化發(fā)展的步伐，開始涉足這一領(lǐng)域，在國內(nèi)較早開展了基于CT影像數(shù)據(jù)的3D打印模型及數(shù)字化導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)手術(shù)，但此階段的數(shù)字化設(shè)計，對病灶區(qū)域解剖信息的獲取多是基于單一模態(tài)的影像學(xué)信息，由于各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的工作原理不同，對不同的組織結(jié)構(gòu)或器官的顯示情況也不同，單純MRI能夠精確定位病灶，但卻無法準確定位病灶周圍的血管，術(shù)者通過傳統(tǒng)的單一模態(tài)的影像獲取的信息有限，還需要依靠術(shù)者的臨床經(jīng)驗以及對各種影像的綜合分析，將不同的復(fù)雜的影像信息整合，才能形成主觀的、包含多種信息價值的立體圖像[20-21]，這種空間模型構(gòu)建主觀性強，不便于和手術(shù)團隊交流討論，對于術(shù)中可能出現(xiàn)的風(fēng)險和操作難點較難進行全面預(yù)估評判，存在一定的誤差和風(fēng)險。而目前通過計算機技術(shù)將多模態(tài)影像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一配準融合，協(xié)同應(yīng)用，能夠充分發(fā)揮不同數(shù)字化成像技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)信息的優(yōu)化和互補，在一張影像上既顯示病變區(qū)域又顯示周圍重要的血管神經(jīng)及組織結(jié)構(gòu)，有效地提高了術(shù)者對腫瘤及毗鄰血管、神經(jīng)解剖關(guān)系的認識[22-23]。高質(zhì)量的多模態(tài)影像融合，不僅對顱底腫瘤患者術(shù)前的個體化治療策略、手術(shù)規(guī)劃的制定起到了重要輔助作用，而且提高了術(shù)者在術(shù)中對復(fù)雜的解剖關(guān)系的理解，做到心中有數(shù)，同時能夠向手術(shù)團隊成員直觀展示多模態(tài)融合圖像，便于團隊討論及術(shù)中配合[24]，這些都極大地提高了腫瘤完整切除率，降低了并發(fā)癥的發(fā)生率。

多模態(tài)影像融合后的圖像不僅在手術(shù)中有著很好的指導(dǎo)作用，同時利用其融合后的數(shù)據(jù)是標準的DICOM格式這一特點，還可以進行數(shù)字化功能擴展。如同前文中的典型病例所示，利用此數(shù)據(jù)打印3D模型，可將顱底腫瘤、神經(jīng)和血管的立體解剖結(jié)構(gòu)直觀地展示出來，從而更好地指導(dǎo)手術(shù)；同時還可將多模態(tài)影像融合后的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入到導(dǎo)航系統(tǒng)[25]，從而使術(shù)者在手術(shù)中于狹小而深在的顱底區(qū)域，實時了解手術(shù)區(qū)域周圍的解剖結(jié)構(gòu)，在完整切除腫瘤的同時，避免損傷周圍重要的血管、神經(jīng)等。隨著科技的發(fā)展及技術(shù)的不斷完善，將來可進一步衍生出基于多模態(tài)融合數(shù)據(jù)的混合現(xiàn)實技術(shù)，使在臨床上的應(yīng)用前景更為廣闊[26]。

對于復(fù)雜的顱底外科手術(shù)，多模態(tài)影像融合及其衍生技術(shù)是精準醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個趨勢，但目前也存在一些不足之處，如目前所采用的iPlan軟件，對不同結(jié)構(gòu)的識別能力不足，常常需要人工修改確認，耗時較多，而且由于不同影像技術(shù)掃描層厚不一致，可能導(dǎo)致融合時出現(xiàn)血管或其他細微結(jié)構(gòu)的連續(xù)性不佳。但總體來說，對于局部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、腫瘤毗鄰重要血管及周圍結(jié)構(gòu)的顱底腫瘤，多模態(tài)影像融合及其衍生技術(shù)的應(yīng)用，可為術(shù)者提供大量可視性、直觀性、立體化的影像，極大地提高了顱底腫瘤手術(shù)的精準性和安全性。