3D Slicer 在臨床中的研究進展

吳浩冉 杜彥李（通訊作者） 李雨

（1 內蒙古醫(yī)科大學 內蒙古 呼和浩特 010010）

（2 呼倫貝爾市人民醫(yī)院 內蒙古 呼倫貝爾 021000）

3D Slicer 是一款專門用于醫(yī)學圖像可視化和計算的開放源代碼軟件，研發(fā)之初既明確預計用于臨床研究，1999 年David開發(fā)了該軟件初始原型，將其用于前列腺相關疾病的病灶定位。此后，隨著醫(yī)學的發(fā)展，計算機圖像分析在滿足臨床和研究需求方面起著越來越重要的作用，3D Slicer 軟件被廣泛的用于各學科的臨床研究[1]。

1.3D Slicer 圖像重建技術在臨床中的應用

近些年，該軟件被作為骨性結構的重建與分割的工具，例如Wallner 應用了3D Slicer 等三款不同的軟件，對開源分割方法的質量和準確性進行了評估，在這項研究中，作者使用了患者的頜面部CT 數(shù)據，對下頜骨圖像進行不同方法的圖像分割，評價參數(shù)為常用的dice 系數(shù)和Hausdorff 距離等，最終得出使用GrowCut 和Canny 分割方法在3D Slicer 等不同的醫(yī)學圖像處理軟件上，可以實現(xiàn)高質量的圖像半自動分割[2]。此外，Benavente 將患者膝關節(jié)MRI 數(shù)據輸入3D Slicer 完成3D 模型重建，首次在膝關節(jié)MRI 中確定髕骨骨膜形態(tài)測量，并將其作為常規(guī)的影像學檢查結果[3]。

雖然目前正常的耳蝸解剖研究，已經發(fā)展到足以了解其大小和形狀變化，但是病理性耳蝸結構的二維圖像尚不能滿足臨床所需，仍需要可靠的工具協(xié)助臨床醫(yī)生測量耳蝸大小、形狀變化。3D Slicer實現(xiàn)了內耳所有結構的大小和形狀變化的3D 可視化，還提高了臨床醫(yī)生直觀了解耳蝸解剖和附近解剖結構的能力，這比2D 圖像切片更易令人接受[4]。

直觀的了解人體復雜的解剖結構除了三維重建，同時可以使用三維（3D）打印機將數(shù)字模型制作成物理模型。從1990 年代開始，3D 打印在口腔頜面外科、神經外科、骨科中得到應用。隨著技術的成熟，成像技術與時俱進。研究人員能夠使用CT 圖像指導大腦、心臟和肺部血管結構等物理模型的創(chuàng)建。這些進步已被證明在臨床護理、學員培訓和設備開發(fā)等方面非常有價值。但是，醫(yī)師通常缺乏使用3D 設計和建模軟件的技術能力。這種缺乏導致3D 打印在醫(yī)療保健領域的發(fā)展速度變慢。面對這些障礙，學者們選擇通過引入開放源代碼軟件如3D Slicer，進行數(shù)字建模來解決最大的障礙，即便使用較低分辨率的CT 掃描數(shù)據，3D Slicer 依然能構建可接受的模型。3D Slicer 輔助3D 打印也被用于動物實驗。同時，這款功能強大的平臺已被443 份出版物和36 篇肺部相關疾病文章使用和引用[5]。

2.3D Slicer 圖像定量、定性技術在臨床中的應用

目前不少學者將3D Slicer 運用于骨密度與腦萎縮相關性研究中，患者接受雙能X 線骨密度掃描和大腦核磁共振成像檢查，研究人員通過查看雙能X 射線吸收（DXA）圖表，對患者的骨密度（BMD）信息進行分析，使用3D Slicer 對核磁數(shù)據完成三維重建模型，并對顱內、腦實質和側腦室進行分割，分別計算體積，整合數(shù)據后發(fā)現(xiàn)，骨質疏松可能在人類正常衰老的早期過程中起到加速腦實質萎縮的作用，在晚期過程中導致腦室擴大[6-7]。Pendem 等學者在乳腺癌與乳房密度的研究中，運用3D Slicer 軟件測量乳房密度（BD），從而確定乳腺癌和乳房乳房密度（BD）之間的關聯(lián)[8]。而3D Slicer 應用最多的無疑是神經外科，其中主要包括在顱內腫瘤、腦血管疾病、功能神經外科診療中的應用，大腦結構復雜、功能重要，臨床中神經外科醫(yī)生面臨著種種困難，正需要如3D Slicer 這類軟件輔助診療。國內多項研究中均使用3D Slicer 輔助測量血腫、腫瘤體積，并在術前重建病灶指導手術入路選擇及病灶定位。最為常見的為依據患者顱腦CT、MRI 等影像數(shù)據，完成自發(fā)性小腦出血、高血壓腦出血血腫體積、顱內腫瘤的測量，相較傳統(tǒng)人工測量更為精準，術前重建病變血管、動脈瘤及周圍解剖結構，為臨床工作人員在不同情況下選擇不同的手術方式提供依據。尤其是高血壓腦出血中應用較多，因部分患者承受手術能力較差，耐受全身麻醉、氣管插管能力弱，開顱手術、麻醉所帶來的打擊嚴重影響患者患病后的生存率，微創(chuàng)通道手術則成為了首選，但是，對于不具備導航等設備的基層地區(qū)，存在定位準確性不穩(wěn)定等因素。在不具備定位設備的條件下，此種手術方式屬于憑借經驗進行盲穿，穿刺點的定位存在極大的不穩(wěn)定性。因此，3D slicer 軟件的定位功能顯得尤為的重要，大大提高了手術的精確度[9-11]。

商業(yè)供應商可提供多種放射學工作站和圖像分析工具，在臨床和研究中使用的一些流行工具如AW 工作站、PMOD 、Definiens、MimVista、MATLAB 等軟件，這些軟件為用戶提供了一套分析工具，部分被專門批準用于臨床任務，但是這樣的臨床導向系統(tǒng)費用高昂，需要特殊的工作站或設備支持，總是給學術研究人員帶來巨大的經濟負擔。商業(yè)軟件的解決方案通常無法由最終用戶擴展，也不適合新工具的原型設計，并且可能需要專用硬件，從而限制了它們在開發(fā)新圖像分析方法中的適用性。而被使用相對最廣泛的MATLAB 并非為醫(yī)療應用而設計，因此缺乏對臨床環(huán)境中常見的界面和顯示約定的支持。與商用工作站相反，3D Slicer 旨在提供一個免費提供且不需要專門設備的研究平臺，與功能相似的開源軟件工具及工作站相比較，主要具備的特點包括功能廣度、可擴展性、跨平臺的可移植性以及非限制性軟件許可[1]。多年來，3D Slicer 已在醫(yī)學影像研究界獲得了廣泛認可，在醫(yī)學中的應用渠道不斷增加，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。