基于3D Slicer軟件鞍底重建在經(jīng)鼻蝶垂體瘤切除術(shù)中的指導(dǎo)意義

師忠杰，李玉魁，高鑫，周立偉，朱宏偉，譚國偉，王占祥

垂體腺瘤是神經(jīng)外科比較常見的神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤，目前外科治療的方法主要包括內(nèi)鏡和顯微鏡下經(jīng)鼻蝶入路病灶切除和傳統(tǒng)顯微鏡下開顱病灶切除術(shù)；手術(shù)目的是到達(dá)鞍區(qū)并切除鞍區(qū)病變結(jié)構(gòu)，緩解腫瘤等對視路結(jié)構(gòu)、垂體、垂體柄等周圍結(jié)構(gòu)的壓迫[1-2]。其中，相比傳統(tǒng)的顯微鏡下開顱手術(shù)，內(nèi)鏡下經(jīng)鼻蝶手術(shù)入路有許多優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)鏡可提供一個(gè)全景手術(shù)野，具有良好的照明和放大效果，縮短患者的住院時(shí)間，減少術(shù)后并發(fā)癥等[3]。同時(shí)，帶角度的內(nèi)鏡實(shí)現(xiàn)了病變側(cè)方術(shù)野的可視性，在探查海綿竇內(nèi)側(cè)壁時(shí)，無需過多的分離和牽拉即可實(shí)現(xiàn)。近年來隨著影像學(xué)技術(shù)的不斷提高，可以從形態(tài)結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等不同角度了解腫瘤性質(zhì)，為臨床治療提供更多有價(jià)值的信息[4-5]。本研究對廈門大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科2020年1月—10月行經(jīng)鼻蝶入路手術(shù)的12例垂體腺瘤患者，將其完整的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Slicer軟件進(jìn)行多模態(tài)融合及三維模型重建，實(shí)現(xiàn)術(shù)前可視化及手術(shù)入路模擬，輔助手術(shù)規(guī)劃制定，指導(dǎo)術(shù)中病灶切除，獲得了較為滿意的效果?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 軟件版本及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)介紹 3D Slicer(www.slicer.org)是一款由美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、美國國立衛(wèi)生研究院歷時(shí)近二十年聯(lián)合開發(fā)的影像后處理軟件，具有強(qiáng)大的3D建模、多模態(tài)影像配準(zhǔn)融合、模型分割、內(nèi)鏡模擬等功能，為臨床醫(yī)生、科研人員提供了強(qiáng)大的醫(yī)學(xué)圖像處理、可視化和數(shù)據(jù)分析的便捷，可以在Windows、Linux、Mac多系統(tǒng)上運(yùn)行，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像分析、 導(dǎo)航手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)等[6]。研究中使用的3D Slicer版本為最新穩(wěn)定版(version 4.10)，電腦系統(tǒng)為Windows 7 專業(yè)版64位。

1.2 一般資料 12例經(jīng)鼻蝶入路手術(shù)治療的垂體占位患者，影像數(shù)據(jù)資料均完整，其中男5例，女 7例；年齡22～64 歲，平均年齡43.4 歲；病程1～48 個(gè)月，平均病程13個(gè)月；腫瘤直徑11～38 mm,平均25.5 mm；術(shù)后病理報(bào)告為垂體腺瘤10例，垂體囊腫2例。

1.3 影像學(xué)檢查及3D重建過程 影像重建過程中由副主任及其以上級別的醫(yī)師協(xié)助結(jié)構(gòu)辨別，影像數(shù)據(jù)包括顱腦CT、CTA、MRI、MRA、增強(qiáng)MRI等。影像學(xué)檢查采用飛利浦3.0 T 磁共振掃描儀進(jìn)行MRI檢查，顱腦CT或CTA掃描層厚為1 mm。通過醫(yī)院影像歸檔通訊系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)獲取患者全部原始DICOM格式影像數(shù)據(jù)[7-8]。分別將患者不同模態(tài)的原始DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D Slicer軟件中。骨性結(jié)構(gòu)如鞍底，主要通過CT或者CTA數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，血管主要通過CTA或者M(jìn)RA、增強(qiáng)MRI進(jìn)行重建，視神經(jīng)主要通過CT或MRI進(jìn)行重建；同時(shí)使用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記。重建過程中使用的3D Slicer工具主要集中在Volume Rendering和Segment Editor模塊里面，包括Paint、Grow from Seeds、Threshold等[9]，影像配準(zhǔn)使用的是General Registration(Elastix) 模塊。重建完成以后的3D模型，通過與2D影像融合，初步驗(yàn)證3D影像重建的準(zhǔn)確度。完成鞍底及其周圍血管神經(jīng)等重建以后，調(diào)整模型觀察角度，獲得與以鼻尖至鞍底連線垂直的平面視角，實(shí)現(xiàn)手術(shù)視角的模擬，并將模型導(dǎo)出為STL格式備用。整個(gè)重建流程見圖1。

1.4 手術(shù)過程 選擇單側(cè)鼻孔或雙鼻孔入路，并在蝶篩隱窩內(nèi)找到蝶竇開口后用磨鉆擴(kuò)大蝶竇開口；依次打開蝶竇前壁，磨除蝶竇分隔，并顯露鞍底、斜坡隱窩等結(jié)構(gòu)。磨鉆磨開鞍底下部骨質(zhì)，進(jìn)一步顯露鞍底硬腦膜，以十字形切開硬腦膜，顯露腫瘤。腫瘤切除后，使用腦膜補(bǔ)片聯(lián)合生物蛋白膠修補(bǔ)硬膜及密封鞍底。術(shù)中留存手術(shù)錄像備用。

2 結(jié) 果

2.1 影像重建結(jié)果 本組12例垂體占位患者均順利完成鞍底重建。重建的3D模型正確顯示了病變及其周圍不同結(jié)構(gòu)的相對空間位置，與術(shù)中所見吻合度較高，結(jié)果滿意。

2.2 手術(shù)結(jié)果 本組患者術(shù)前均按照重建模型成功進(jìn)行了手術(shù)入路模擬和規(guī)劃，并按照計(jì)劃順利完成了手術(shù)；術(shù)后1例患者出現(xiàn)腦脊液漏，予以保守治療后痊愈；其余患者均未出現(xiàn)腦脊液漏、視力下降等并發(fā)癥。所有患者術(shù)后24 h內(nèi)復(fù)查顱腦CT示鞍底骨窗位置滿意，手術(shù)區(qū)域未見新增出血。

2.3 典型病例 患者女，54歲，以“左側(cè)視力下降2年余,加重2個(gè)月”于2020年3月入院?；颊卟『鬅o其他不適。入院后顱腦CTA、MRI檢查示：垂體前后葉間囊樣占位并突入鞍上,偏左并壓迫視交叉。術(shù)前將患者CTA聯(lián)合增強(qiáng)MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建(圖2)。完善術(shù)前檢查后，行經(jīng)鼻蝶入路垂體占位切除術(shù)，手術(shù)過程順利；術(shù)中所見與3D重建模型高度吻合(圖3)。術(shù)后病理診斷：垂體囊腫。

3 討 論

目前神經(jīng)內(nèi)鏡下經(jīng)鼻蝶入路已逐漸成為垂體腺瘤的首選術(shù)式[2]，如果在術(shù)前能夠?qū)?fù)雜的鼻蝶竇內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行熟悉和了解，勢必可以提高手術(shù)的安全性及手術(shù)效率。隨著影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，顱腦CT、CTA、MRI等已成為了鞍區(qū)病變患者的常規(guī)檢查，并且通過醫(yī)院影像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡單的3D重建。但是這種影像重建基本上由放射科醫(yī)生完成，因此對于手術(shù)過程中外科醫(yī)生關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)把握并不十分準(zhǔn)確，重建模型也很難達(dá)到手術(shù)醫(yī)生所期望的理想狀態(tài)。此外，在大部分醫(yī)院PACS系統(tǒng)，無法將不同模態(tài)影像的重建結(jié)果放置于同一空間進(jìn)行觀察。對于專業(yè)的神經(jīng)外科醫(yī)生，在將神經(jīng)影像檢查作為診斷手段的同時(shí),更希望將影像檢查作為輔助手術(shù)治療的工具，而不再局限于疾病的診斷。顱腦CT掃描可以更好地顯示鞍底的骨性輪廓、蝶竇分隔、視神經(jīng)管等；顱腦MRI的掃描可以更好地顯示垂體腺瘤大小、質(zhì)地以及頸內(nèi)動脈等。利用3D Slicer將兩種模態(tài)影像進(jìn)行成功配準(zhǔn)后，在同一空間下，分別使用顱腦CT進(jìn)行鞍底骨性輪廓、蝶竇分隔、視神經(jīng)及視神經(jīng)管重建，使用顱腦MRI進(jìn)行垂體腺瘤及頸內(nèi)動脈重建，充分結(jié)合了兩種不同影像模態(tài)的各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)鞍底的立體可視化，使之更加直觀。另外，使用CTA與MRI組合同樣可完成各結(jié)構(gòu)的重建。

A、B：調(diào)整模型角度，使觀察平面與鞍底至鼻尖連線(紫色線)垂直； C:逐層推進(jìn)觀察平面(紅色線)至蝶竇內(nèi)； D：觀察鞍底結(jié)構(gòu)(1-視神經(jīng)隆突；2-鞍底；3-視神經(jīng)-頸內(nèi)動脈隱窩；4-蝶竇分隔；5-斜坡隱窩；6-頸內(nèi)動脈隆突)； E：術(shù)中內(nèi)鏡下所見鞍底各部分結(jié)構(gòu)(1-視神經(jīng)隆突；2-鞍底；3-視神經(jīng)-頸內(nèi)動脈隱窩；4-蝶竇分隔；5-斜坡隱窩；6-頸內(nèi)動脈隆突，以上結(jié)構(gòu)與模型高度吻合)； F：進(jìn)一步將骨性結(jié)構(gòu)半透明化，顯露內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確認(rèn)D中各結(jié)構(gòu)位置準(zhǔn)確圖3 模擬手術(shù)及3D模型與術(shù)中所見對比

通過多模態(tài)三維重建，不僅可以為外科醫(yī)生提供術(shù)中解剖信息，還可以直接任意調(diào)整3D模型模擬手術(shù)視角，預(yù)測術(shù)中可能出現(xiàn)的情況及手術(shù)難點(diǎn)，并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施和計(jì)劃，最大程度提高手術(shù)治療的安全性。與建立在二維影像基礎(chǔ)上制定的手術(shù)計(jì)劃相比較，采用3D Slicer軟件制作的3D立體模型更加直觀、準(zhǔn)確，組織結(jié)構(gòu)層次更加清晰明了，并且與術(shù)中可見的真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)具有較高的吻合度，在一定程度上可以減少術(shù)中因組織結(jié)構(gòu)識別有誤而造成的不必要損傷[10]。

本研究中通過3D Slicer重建了鞍底、頸內(nèi)動脈、視神經(jīng)、蝶竇分隔等，通過調(diào)整模型透明度及角度可以清晰地顯示不同結(jié)構(gòu)的空間位置以及腫瘤位置，并且在模型中可以使用不同的顏色進(jìn)行結(jié)構(gòu)標(biāo)記，使各部分結(jié)構(gòu)更加清晰明了。通過術(shù)前對三維模型的反復(fù)觀察熟悉，使得術(shù)者在手術(shù)過程中對頸內(nèi)動脈隆突、視神經(jīng)隆突、斜坡隱窩等的位置判斷更為準(zhǔn)確。如本研究中的典型病例,術(shù)前通過3D Slicer將患者原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)后，完成3D模型重建，通過調(diào)整模型角度，成功模擬了術(shù)中內(nèi)鏡視角，同時(shí)確定了以鞍底為中心的周圍各結(jié)構(gòu)的相對位置；在模型中可以清晰地識別出蝶竇分隔、鞍底、斜坡、頸內(nèi)動脈隆突等周圍結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了術(shù)前手術(shù)區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)的立體可視化，手術(shù)過程中術(shù)者通過內(nèi)鏡到達(dá)蝶竇之后，觀察到了蝶竇分隔，其走行和3D模型所示完全吻合。通過觀察模型并結(jié)合術(shù)中所見，使得術(shù)中各解剖結(jié)構(gòu)更加明確，進(jìn)而很容易確定鞍底及斜坡隱窩位置，術(shù)中仔細(xì)操作，避免了頸內(nèi)動脈、視神經(jīng)等重要結(jié)構(gòu)的損傷；術(shù)后通過回看手術(shù)錄像，結(jié)合模型進(jìn)一步評估模型的應(yīng)用價(jià)值及手術(shù)操作中的不足。另外，由于部分患者的頸內(nèi)動脈隆突并不是非常明顯，術(shù)前通過觀察蝶竇分隔模型，將其作為解剖學(xué)參考標(biāo)志指導(dǎo)術(shù)中結(jié)構(gòu)識別，不失為一種好的方法[11]。本研究典型病例的蝶竇分隔比較突出，通過分析模型可知，其兩側(cè)蝶竇分隔的中間區(qū)域即為鞍底和斜坡隱窩，按照內(nèi)鏡視角方位，其中蝶竇左側(cè)分隔的上方起始部即為左側(cè)頸內(nèi)動脈隆突位置和左側(cè)視神經(jīng)管隆突的位置，蝶竇右側(cè)分隔的上方起始部外側(cè)即為右側(cè)頸內(nèi)動脈隆突的位置。

根據(jù)病變特點(diǎn)，外科醫(yī)生將影像數(shù)據(jù)選擇性地進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)3D重建，處理后的3D影像模型不僅可以導(dǎo)入到移動設(shè)備中，隨時(shí)隨地查看，還可以直接用于3D打印[12]。另外關(guān)于3D Slicer軟件的應(yīng)用，除了本研究采用的經(jīng)鼻蝶手術(shù)模型制作，還包括大腦其他腫瘤模型制作、腦血腫及垂體瘤體積計(jì)算、神經(jīng)纖維束示蹤、影像組學(xué)研究等[13-15]。近幾年，虛擬現(xiàn)實(shí)及人工智能技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸普及，越來越多的機(jī)構(gòu)以此進(jìn)行醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)輔助等[16]，而這一切都是建立在影像3D可視化的基礎(chǔ)之上。盡管神經(jīng)導(dǎo)航等技術(shù)聯(lián)合內(nèi)鏡可提高腫瘤全切率，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[17-18]，但是在一些基層醫(yī)院由于條件限制，神經(jīng)導(dǎo)航、神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人等[19-21]并不能得到廣泛應(yīng)用，因此第三方影像可視化處理軟件會成為最佳選擇。

另外，本研究亦有一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)由于樣本量小，利用3D Slicer輔助術(shù)前規(guī)劃能否縮短整體手術(shù)時(shí)間，有待進(jìn)一步證實(shí)；(2)影像重建使用的是原始DICOM格式數(shù)據(jù)，模型的重建效果很大程度受限于所使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此使用3D Slicer必須和影像科醫(yī)生相互溝通合作。盡管如此，這并不影響3D Slicer在經(jīng)鼻蝶入路手術(shù)中的重要使用價(jià)值。

綜上所述，在不增加醫(yī)療資源消耗和患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的前提下，利用3D Slicer軟件聯(lián)合現(xiàn)有的影像檢查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)影像的三維重建，使得病變解剖結(jié)構(gòu)3D可視化，可以幫助醫(yī)生制定更完善的術(shù)前計(jì)劃。另外，3D模型還可以作為醫(yī)療團(tuán)隊(duì)之間、醫(yī)患交流和術(shù)前談話的媒介工具，清晰、易懂，值得提倡和推廣。盡管垂體瘤等鞍區(qū)病變的外科治療任重道遠(yuǎn)，但是相信隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的進(jìn)步，治療手段將會更加完善。