顱腦手術(shù)定位中三維影像體表投影技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

游慧超, 孫登江, 歐陽(yáng)和平, 湯 軍, 田 麗, 李文琦

(江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院, 1. 神經(jīng)外科, 2. 超聲科, 湖北 武漢, 430032)

顱內(nèi)病變的精確定位是顱腦手術(shù)順利開(kāi)展的前提，隨著3D-Slicer等影像后處理軟件的出現(xiàn)，醫(yī)師制作顱內(nèi)病變的三維影像模型并投影至頭顱表面以輔助定位的技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于臨床以輔助定位[1-2]。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)三維可視化，科技感與視覺(jué)沖擊強(qiáng)，但體表投影定位技術(shù)的精準(zhǔn)程度有待進(jìn)一步驗(yàn)證，本研究總結(jié)應(yīng)用三維影像體表投影技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，探討該技術(shù)應(yīng)用于臨床的可行性與價(jià)值，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

利用3D-Slicer軟件制作三維影像模型，并使用Sina軟件進(jìn)行體表投影定位，于2019年3月—2021年9月輔助手術(shù)定位15例，其中顱內(nèi)血腫穿刺引流術(shù)9例、腦膜瘤切除術(shù)2例、腦動(dòng)靜脈畸形切除術(shù)2例、微血管減壓術(shù)2例。男9例，女6例，年齡31～87歲，平均(53.2±15.6)歲。

1.2 重建獲取三維影像

下載患者的CT或磁共振成像(MRI)的DICOM數(shù)據(jù)，導(dǎo)入3D-Slicer軟件，在Segment Editor模塊中利用Threshold與Paint等工具進(jìn)行目標(biāo)病變分割，生成病變Model; 進(jìn)入Volume Rendering模塊，點(diǎn)開(kāi)原始volume數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)顏色及透明度使頭皮清晰顯示。選取手術(shù)入路的三維角度保持不動(dòng)，交替顯示病變與頭皮，分別截屏并保存頭皮圖片(圖1A)與病變圖片(圖1B)。利用圖片合成器軟件將上述2張圖片合成1張，得到病變與頭皮位置關(guān)系圖片(圖1C)。

1.3 術(shù)前定位方法

將圖1C導(dǎo)入Sina軟件，此時(shí)帶有投影的實(shí)時(shí)攝像自動(dòng)開(kāi)啟，對(duì)準(zhǔn)患者頭部，將屏幕內(nèi)頭皮投影與患者頭部重疊，根據(jù)屏幕內(nèi)病變的位置，用記號(hào)筆在患者頭部標(biāo)記出病變的位置(圖1D)。根據(jù)上述標(biāo)記的病變位置引導(dǎo)病變穿刺、設(shè)計(jì)切口以指導(dǎo)手術(shù)。

A: 利用3D-Slicer軟件重建病變與靜脈竇的三維模型; B: 利用3D-Slicer軟件渲染功能調(diào)節(jié)透明度生成頭皮三維模型; C: 利用Sina軟件將同一三維角度下的A、B圖重合,獲取病變的體表位置關(guān)系; D: 將圖C投影至患者頭部,標(biāo)記病變位置。圖1 三維影像體表投影定位過(guò)程

2 結(jié) 果

2.1 定位效果的一般情況

術(shù)前根據(jù)3D-Slicer軟件進(jìn)行三維重建，并根據(jù)體表投影進(jìn)行血腫定位。9例顱內(nèi)血腫穿刺引流術(shù)均一次性穿刺血腫成功; 2例腦膜瘤及2例血管畸形，均在設(shè)計(jì)的骨窗內(nèi)。1例頂枕部腦膜瘤及2例微血管減壓術(shù)，術(shù)前定位矢狀竇及橫竇位置，術(shù)中靜脈竇的位置與術(shù)前標(biāo)記相符，但定位過(guò)程耗時(shí)更長(zhǎng)。三維影像體表投影技術(shù)能夠較精準(zhǔn)地進(jìn)行顱內(nèi)病變體表定位。

2.2 增加體表定位精準(zhǔn)度方法

所有患者的頭皮三維投影均無(wú)法與實(shí)際頭部輪廓完全匹配。手機(jī)攝像頭會(huì)使屏幕中顯示的實(shí)景圖像發(fā)生畸變，導(dǎo)致合成的三維影像無(wú)法與患者頭部完全重合，距離匹配標(biāo)志越遠(yuǎn)的部位偏差越大(圖2)，應(yīng)盡量避免使用病變的遠(yuǎn)隔部位作為定位的匹配標(biāo)志。在病變周圍尋找合適的特征性標(biāo)記或者人為增加標(biāo)記，可以增加定位的精準(zhǔn)度。三維合成圖均無(wú)法與患者頭部外形輪廓完全匹配(圖2黑箭頭處)。

A: 匹配腫瘤鄰近的耳廓定位; B: 匹配血腫臨近的矢狀縫與冠狀縫(綠色)等骨性標(biāo)志輔助定位; C: 在血管畸形附近貼魚肝油膠囊(黃色)以增加體表標(biāo)志,輔助精準(zhǔn)定位。圖2 三維影像體表投影定位的效果

2.3 指導(dǎo)手術(shù)的價(jià)值

利用本技術(shù)獲取的三維影像，可以輔助手術(shù)設(shè)計(jì)手術(shù)入路，模擬手術(shù)，指導(dǎo)手術(shù)的操作(圖3)。

A: 右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈床突上段動(dòng)脈瘤的CTA影像; B: 用3D-Slicer軟件制作的動(dòng)脈瘤與顱骨建模,可直觀地明確動(dòng)脈瘤與前床突的位置關(guān)系; C: 模擬翼點(diǎn)入路開(kāi)顱,可見(jiàn)前床突(綠箭頭)阻擋載瘤動(dòng)脈近端顯露; D: 模擬切除前床突后的效果,載瘤動(dòng)脈近端的頸內(nèi)動(dòng)脈(藍(lán)箭頭)被顯露。圖3 三維影像制作用于模擬手術(shù)

3 討 論

顱內(nèi)病變精準(zhǔn)定位是顱腦手術(shù)順利實(shí)施的前提，也是神經(jīng)外科醫(yī)師的必備技能。目前使用的精準(zhǔn)定位技術(shù)主要有神經(jīng)導(dǎo)航及有框架立體定向儀[3]，費(fèi)用較高、應(yīng)用復(fù)雜，大部分基層醫(yī)院神經(jīng)外科尚不能普及。因而目前多采用病變與外耳道等解剖標(biāo)志的關(guān)系較精準(zhǔn)推算病變的大致部位，并不能達(dá)到精準(zhǔn)定位的效果[4]。3D-Slicer軟件是用于醫(yī)學(xué)圖像信息學(xué)、圖像處理和三維可視化的開(kāi)源軟件[5]，可通過(guò)對(duì)顱腦CT、MRI及數(shù)字減影血管造影(DSA)等影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重建與融合，獲取顱腦病變與正常組織的三維影像及解剖關(guān)系。隨著該軟件在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的普及，利用其重建的三維影像進(jìn)行體表投影以輔助定位的技術(shù)，也逐漸被部分神經(jīng)外科醫(yī)師應(yīng)用于臨床[6-7]。利用該軟件結(jié)合智能手機(jī)輔助的定位技術(shù)，可以使神經(jīng)外科術(shù)前定位更加準(zhǔn)確和便捷[8-10]?；谠撥浖ㄎ幌碌哪X出血穿刺引流術(shù)，也能獲得更好的血腫清除率[11]。

3.1 三維影像體表投影定位的可行性

三維可視化醫(yī)學(xué)影像是大勢(shì)所趨，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，三維影像的獲取將越來(lái)越重要[3]。目前許多醫(yī)學(xué)影像處理的軟件，如3D-Slicer及MIMICS[7]，均可以免費(fèi)下載獲取，利用上述軟件實(shí)現(xiàn)三維影像體表投影定位并不增加設(shè)備上的投入，僅需要使用一部臺(tái)式電腦和普通的智能手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。臨床醫(yī)師掌握上述軟件的使用方法也無(wú)需花費(fèi)太多精力。通過(guò)開(kāi)展利用3D-Slicer軟件進(jìn)行影像重建并輔助投影定位的技術(shù)培訓(xùn)，大部分基層醫(yī)院醫(yī)生可在半天內(nèi)掌握該技術(shù)，而且互聯(lián)網(wǎng)中有大量關(guān)于3D-Slicer軟件應(yīng)用的教學(xué)視頻，臨床醫(yī)生可以快速掌握并精通該項(xiàng)技術(shù)。雖然三維影像體表投影定位技術(shù)入門門檻較低，但該技術(shù)在臨床普及仍面臨一些困難，主要有以下3個(gè)方面: ① 醫(yī)生的精力投入與零收費(fèi)的矛盾; ② 影像重建需要耗時(shí)與急診手術(shù)時(shí)間緊迫的矛盾; ③ 依靠軟件的耗時(shí)耗力與依靠經(jīng)驗(yàn)推算的簡(jiǎn)易快捷的矛盾。正是因?yàn)樯鲜雒艿拇嬖?，目前三維影像體表投影定位技術(shù)的使用者多為基層醫(yī)院神經(jīng)外科的初級(jí)醫(yī)生。而實(shí)際上，即便有豐富經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)外科醫(yī)生，僅通過(guò)二維影像在腦海中構(gòu)建三維形態(tài)亦較困難，尤其是不規(guī)則病變，構(gòu)建三維立體影像會(huì)更加困難。3D-Slicer等軟件實(shí)現(xiàn)三維可視化的同時(shí)，既可以明確不規(guī)則病變的形態(tài)、體積、輔助手術(shù)定位，其邊緣價(jià)值也十分豐富。該軟件的多模態(tài)影像融合、手術(shù)模擬、三維展示等功能，對(duì)神經(jīng)外科醫(yī)師的解剖學(xué)習(xí)、疾病診治和醫(yī)患溝通都有幫助[12]，這也是該軟件能被越來(lái)越多神經(jīng)外科中心應(yīng)用的原因所在。臨床實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，醫(yī)生的興趣與科室對(duì)三維影像體表投影定位技術(shù)的認(rèn)同與重視，對(duì)該技術(shù)在神經(jīng)外科的應(yīng)用推廣同等重要。

3.2 三維影像體表投影定位技術(shù)的局限性

投影或利用手機(jī)攝像頭，都會(huì)使圖像產(chǎn)生畸變，難以與原輪廓完全匹配，導(dǎo)致定位偏差; 外耳道與面部等周圍因具有特征性輪廓可以較好地輔助投影匹配，但是頂枕部及后顱窩沒(méi)有明顯的輪廓標(biāo)志，投影定位誤差較大，耗時(shí)更長(zhǎng); 不同角度，病變的體表投影位置不同，使得該技術(shù)更適合于標(biāo)準(zhǔn)正側(cè)位或顱腦淺表部位病變的體表定位，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。由于外耳道與面部特征明顯，標(biāo)準(zhǔn)正側(cè)位可以較快速且準(zhǔn)確地進(jìn)行投影定位，但若需要以某個(gè)特定角度作為手術(shù)入路，需要花費(fèi)較多的時(shí)間以確保較為精準(zhǔn)的定位。再者，三維影像的獲取，首先需要下載患者的DICOM影像數(shù)據(jù)，然后利用軟件重建病變與顱腦表面的三維模型，并選取手術(shù)入路角度的影像截屏，最后利用智能手機(jī)或其他投影設(shè)備進(jìn)行定位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，熟練掌握上述技巧并應(yīng)用于臨床定位需要30～60 min, 如需要多模態(tài)影像融合或特定結(jié)構(gòu)重建，所需時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)4 h以上。這對(duì)于神經(jīng)外科醫(yī)師而言，所耗費(fèi)的時(shí)間與有限的精力形成矛盾。鑒于上述不足與矛盾，為提高定位精準(zhǔn)度，醫(yī)師應(yīng)盡量選擇病變鄰近的體表標(biāo)記輔助定位; 對(duì)于頂枕部或者其他需要特殊體位入路定位時(shí)，可以在病變周圍顱腦表面貼數(shù)枚電極片或者特殊形狀的標(biāo)記物，以增加匹配度; 雙人操作或利用固定支架等輔助設(shè)備，可以減少標(biāo)記劃線時(shí)的抖動(dòng)，提高定位的精準(zhǔn)性; 選擇標(biāo)準(zhǔn)正側(cè)位的手術(shù)入路，可減少定位定向匹配的耗時(shí)。由于該定位技術(shù)需要耗時(shí)較多，指派科室某一名專業(yè)人員進(jìn)行影像重建或直接與第三方公司合作，形成良好的分工，可提高效率并減輕醫(yī)生的負(fù)擔(dān)。臨床實(shí)踐中會(huì)根據(jù)不同的需求采用不同方案。對(duì)于定位精準(zhǔn)度要求不高的手術(shù)，如顱內(nèi)血腫穿刺引流術(shù)的穿刺點(diǎn)與穿刺方向設(shè)計(jì)、腦出血內(nèi)鏡手術(shù)入路的選擇等，醫(yī)師可以直接快速地進(jìn)行重建并投影定位，能取得很好的效果; 對(duì)于精準(zhǔn)度要求較高或者深部小病變的手術(shù)，醫(yī)師則應(yīng)增加體表標(biāo)記以增加投影的匹配度及定位的精準(zhǔn)性。

3.3 顱內(nèi)病變精準(zhǔn)定位的前景

神經(jīng)導(dǎo)航及有框架立定定向儀，定位精準(zhǔn)，但有費(fèi)用較高及應(yīng)用復(fù)雜等缺點(diǎn); 三維影像體表投影技術(shù)價(jià)格低廉卻需要耗時(shí)、耗力且定位精準(zhǔn)性需增加體表標(biāo)志以糾正。目前臨床已有利用3D打印技術(shù)輔助定位的嘗試，可以為顱腦手術(shù)提供個(gè)性化定位、定向引導(dǎo)，也有利用腦表面重建技術(shù)輔助術(shù)中實(shí)時(shí)定位的研究[13]。隨著科技的發(fā)展，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、全息投影等技術(shù)輔助定位，可能會(huì)越來(lái)越普及。不同的神經(jīng)外科中心可根據(jù)不同的條件和需求，選擇不同的定位手段[14-15]。

總之，三維影像體表投影定位技術(shù)能較精準(zhǔn)地定位顱腦病變，適合不同級(jí)別神經(jīng)外科中心使用; 增加體表標(biāo)志輔助定位，可以提高該技術(shù)的定位精準(zhǔn)性。