3D Slicer軟件在神經(jīng)外科手術(shù)中的臨床應(yīng)用

馬龍濤 馬紹玉

由于顱腦解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能重要，手術(shù)要求高，最大程度的切除病灶及保護(hù)腦功能是神經(jīng)外科醫(yī)生常常需要權(quán)衡的問題。三維切片（three dimensional slicer，3D Slicer）軟件是由哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)、開源的圖像分析及處理平臺，對計算機(jī)配置要求不高，且具有擴(kuò)展及升級功能，將掃描的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行處理即可獲得三維立體模型，可進(jìn)行多方位觀察、測量［1］。目前，3D Slicer軟件在高血壓腦出血、腦動脈瘤手術(shù)、顱內(nèi)腫瘤、微血管減壓術(shù)、乙狀竇后入路關(guān)鍵孔的定位、三叉神經(jīng)痛球囊壓迫術(shù)等手術(shù)中已開始應(yīng)用，也有學(xué)者用于評價腦積水腹腔分流術(shù)后效果［2］。本文就目前3D Slicer軟件在神經(jīng)外科的應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在充分認(rèn)識和利用該軟件。

1 3D Slicer軟件在腦內(nèi)血腫手術(shù)中的應(yīng)用

高血壓腦出血作為一種死亡率高、致殘率高的疾病，是臨床上常見的急危重癥，占所有自發(fā)性腦出血的50%～70%［3-5］。高血壓腦出血起病較急，血腫體積增長快，可迅速形成占位效應(yīng)，引起高顱壓，手術(shù)治療是迅速解決高顱壓、占位效應(yīng)的有效方法［6-7］。血腫體積既是手術(shù)指征的重要參考指標(biāo)，也是高血壓腦出血患者預(yù)后的重要參考依據(jù)［8-9］。血腫體積的計算目前臨床上多采用多田公式［10］。而崔亞輝等［11］通過研究103例基底節(jié)區(qū)出血患者，依據(jù)血腫大小及血腫形狀進(jìn)行分組，分別應(yīng)用多田公式及3D Slicer軟件測量血腫體積，結(jié)果顯示由于受血腫形狀的影響多田公式在血腫體積計算上準(zhǔn)確性低，尤其對于不規(guī)則血腫差異性較大，而3D Slicer軟件利用計算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）掃描原始影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建血腫模型，計算血腫體積，不受血腫形狀的影響，結(jié)果準(zhǔn)確可靠（圖1）。應(yīng)用3D Slicer軟件進(jìn)行血腫體積的計算，更利于手術(shù)指征的把握。3D Slicer軟件在術(shù)前的規(guī)劃中發(fā)揮著重要的作用。李知陽等［12］將72例高血壓腦出血患者分為3D Slicer軟件聯(lián)合神經(jīng)內(nèi)鏡血腫清除術(shù)組及CT定位下鉆孔引流術(shù)組，研究發(fā)現(xiàn)，在3D Slicer軟件輔助下于神經(jīng)內(nèi)鏡下清除血腫，具有血腫清除率更高，術(shù)后并發(fā)癥率更低，預(yù)后更好的特點(diǎn)（圖2）。彭逸龍等［13］應(yīng)用3D Slicer軟件聯(lián)合手機(jī)Sina軟件對20例高血壓腦出血患者進(jìn)行血腫穿刺引流，20例均成功穿刺血腫，15例到達(dá)預(yù)設(shè)的位置，定位精確，成功率高，效果良好，對手術(shù)操作具有一定的指導(dǎo)。有學(xué)者將實(shí)施腦出血穿刺引流術(shù)的50例患者分為觀察組與對照組，觀察組利用3D Slicer軟件輔導(dǎo)3D打印導(dǎo)板技術(shù)對患者實(shí)施穿刺引流，對照組采用常規(guī)簡易定位方法實(shí)施手術(shù)，觀察組臨床總有效率（96.0%）高于對照組（68.0%），差異具有統(tǒng)計學(xué)意義［14］。3D Slicer軟件通過處理腦出血術(shù)前影像學(xué)數(shù)據(jù)，設(shè)計穿刺導(dǎo)板，結(jié)合3D打印技術(shù)輔助腦出血穿刺引流術(shù)，術(shù)中定位準(zhǔn)確，降低術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率，縮短住院時間，效果顯著［15］。

圖1 3D Slicer軟件三維重建血腫后精確計算血腫體積

圖2 3D Slicer三維重建血腫后頭皮投影

2 3D Slicer軟件在大面積腦梗死手術(shù)中的應(yīng)用

腦梗死的患者在腦卒中患者中占80%，大面積腦梗死的患者死亡率高，致殘率高，往往預(yù)后不佳，去骨瓣減壓術(shù)是挽救患者生命的外科治療方法，有學(xué)者利用3D Slicer軟件輔助定位去骨瓣減壓范圍，與傳統(tǒng)大骨瓣減壓相比，明顯提高了臨床療效，改善了患者預(yù)后［16］。李政等［17］利用3D Slicer軟件通過重建術(shù)前與術(shù)后頭顱CT影像學(xué)資料，通過分析得出較小的術(shù)前全腦體積、較大的術(shù)前梗死腦組織∕全腦體積比是腦梗死患者去骨瓣減壓術(shù)后短期內(nèi)預(yù)后不良的危險因素。

3 3D Slicer軟件在顱內(nèi)動脈瘤手術(shù)中的應(yīng)用

顱內(nèi)動脈瘤是顱內(nèi)動脈血管壁的瘤樣突起，該突起為永久性擴(kuò)張，一旦破裂就會急性發(fā)病引發(fā)嚴(yán)重后果。約85%的自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血由顱內(nèi)動脈瘤破裂引起［18］。目前治療顱內(nèi)動脈瘤常規(guī)方法有血管內(nèi)治療和開顱夾閉［19］。雖然腦血管造影術(shù)是診斷顱內(nèi)動脈瘤的金標(biāo)準(zhǔn)，但由于其有創(chuàng)性，需要在麻醉下進(jìn)行（局麻或全麻），具有費(fèi)用高，風(fēng)險高等缺點(diǎn)，有可能被相對無創(chuàng)、安全的計算機(jī)斷層掃描血管造影（computed tomography angiography，CTA）取代［20］。有研究表明利于3D Slicer軟件重建3DCTA動脈瘤與腦血管造影在診斷上具有相同的靈敏度與特異度［21］。有學(xué)者使用3D Slicer軟件重建動脈瘤及其周圍血管三維模型，通過測量動脈瘤的大小、大小比例、子母角，角度、血管角度等參數(shù)評價動脈瘤破裂的風(fēng)險［22］。目前，CTA已成為蛛網(wǎng)膜下腔出血后篩查動脈瘤的首選檢查方法［23］。有研究表明CTA在評估動脈瘤夾閉術(shù)后殘留及血管閉塞方面具有較高的靈敏性和準(zhǔn)確性，是顱內(nèi)動脈瘤術(shù)后長期多次隨訪的可靠方法［24］。白雅林等［25］利用3D Slicer軟件重建并融合顱腦CTA，涉及到26例經(jīng)翼點(diǎn)入路開顱患者，且患者滿足動脈瘤夾閉術(shù)后前交通動脈未破裂的要求，研究通過分析前交通動脈走向以及動脈瘤與載瘤動脈等相關(guān)組織、器官的三維解剖關(guān)系，為術(shù)前制定合適的手術(shù)計劃并于術(shù)前模擬手術(shù)過程，取得較好效果。李文華等［26］術(shù)前利用3D Slicer軟件三維重建動脈瘤模型及其周圍血管結(jié)構(gòu)及部分骨性結(jié)構(gòu)，模擬手術(shù)入路，能夠獲得更多立體解剖信息，指導(dǎo)制定手術(shù)計劃，做到精準(zhǔn)夾閉，降低術(shù)中破裂的風(fēng)險（圖3）。

圖3 3D Slicer重建動脈瘤模型及其周圍血管和部分骨性結(jié)構(gòu)

4 3D Slicer軟件在顱腦腫瘤中的應(yīng)用

顱腦腫瘤目前以手術(shù)為主要治療方式，最大限度的切除腫瘤及保護(hù)腦功能是外科醫(yī)生的追求，充分的術(shù)前規(guī)劃是精準(zhǔn)切除腫瘤的有力保障。3D Slicer軟件在腦腫瘤切除方面具有廣泛的應(yīng)用。有學(xué)者應(yīng)用3D Slicer軟件輔助神經(jīng)內(nèi)鏡經(jīng)鼻蝶入路進(jìn)行垂體瘤切除術(shù)，根據(jù)是否使用3D Slicer軟件輔助手術(shù)，分為觀察組（應(yīng)用3D Slicer軟件輔助手術(shù)）與對照組（單純神經(jīng)內(nèi)鏡經(jīng)鼻蝶入路），與傳統(tǒng)的神經(jīng)內(nèi)鏡經(jīng)鼻蝶入路進(jìn)行對比，觀察組在術(shù)中出血量，手術(shù)時長，減少海綿間竇損傷及腦脊液漏發(fā)生率方面優(yōu)于對照組，術(shù)后內(nèi)分泌激素改善及改善視野缺損方面優(yōu)于對照組［27］。有學(xué)者應(yīng)用3D Slicer軟件利用多模態(tài)影像三維重建技術(shù)切除中央?yún)^(qū)矢狀竇旁腦膜瘤來指導(dǎo)手術(shù)，術(shù)中在最大程度地切除腫瘤的同時能夠較好的保護(hù)瘤周靜脈和大腦皮質(zhì)，取得較好效果［28］。彭逸龍等［29］利用3D Slicer軟件處理患者術(shù)前多模態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)，重建出腫瘤及其周圍結(jié)構(gòu)，利用重建模型與患者家屬溝通，制定手術(shù)計劃，輔助開顱，可提高手術(shù)成功率，并在腦功能保護(hù)、減少術(shù)后并發(fā)癥方面發(fā)揮作用。馬龍濤等［30］術(shù)前利用3D Slicer軟件處理多模態(tài)影像學(xué)原始數(shù)據(jù)并重建腫瘤與鄰近結(jié)構(gòu)的三維模型（圖4），通過立體觀察更好地掌握病灶與毗鄰結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，利于病灶的切除及更好的保護(hù)腦組織，該方法可于術(shù)前模擬手術(shù)入路，精準(zhǔn)規(guī)劃手術(shù)方案，腫瘤全切率高，并發(fā)癥少，提高患者生活質(zhì)量。楊佳等［31］在腦干腫瘤手術(shù)中利用3D Slicer軟件重建腦干纖維束及毗鄰結(jié)構(gòu)，可準(zhǔn)確地觀察到纖維束的走行，了解到腫瘤與纖維束的三維空間位置關(guān)系，以便確定相對安全區(qū)，選擇最佳手術(shù)入路。綜上，使用3D Slicer軟件重建技術(shù)在最大限度的切除腫瘤的同時，又能夠很好的保護(hù)腦功能。目前腦膠質(zhì)瘤在治療上以手術(shù)切除為主，術(shù)后輔助放療和化療等綜合治療手段，最大范圍安全切除腫瘤有助于延緩和預(yù)防腫瘤的進(jìn)展與復(fù)發(fā)，改善生活質(zhì)量［32］。如何實(shí)現(xiàn)腫瘤全切與腦功能保護(hù)的平衡是當(dāng)下膠質(zhì)瘤手術(shù)的難點(diǎn)與研究核心［33］。膠質(zhì)瘤腫瘤細(xì)胞生長方式為呈膨脹性浸潤性的特點(diǎn)，手術(shù)時需以腦溝、腦回為邊界，沿著腫瘤與周圍毗鄰白質(zhì)纖維束的走形進(jìn)行"鏤刻式"切除，有助于神經(jīng)功能的保護(hù)，從而降低術(shù)后致殘率，提高生活質(zhì)量［34］。因此，神經(jīng)膠質(zhì)瘤手術(shù)術(shù)前定位至關(guān)重要［35］。目前臨床上主要以神經(jīng)導(dǎo)航輔助定位，但是由于設(shè)備高昂、體位限制及腦脊液的丟失導(dǎo)致術(shù)中腦漂移等問題，使其在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用受限。而開源軟件3D Slicer可以重建出腦皮層及腫瘤周邊結(jié)構(gòu)，結(jié)合相應(yīng)設(shè)備或者坐標(biāo)定位法輔助手術(shù)定位，利用自然解剖結(jié)構(gòu)及術(shù)中超聲的輔助可減少術(shù)中因腦漂移引起的誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)手術(shù)，適合推廣到各級醫(yī)院。

圖4 多模態(tài)影像三維模型

5 3D Slicer軟件在功能性手術(shù)中的應(yīng)用

5.1 血管神經(jīng)壓迫綜合征 原發(fā)性三叉神經(jīng)痛及面肌痙攣是臨床上常見的血管神經(jīng)壓迫綜合征，其臨床癥狀嚴(yán)重的影響患者的工作和生活，微血管減壓術(shù)是目前主要的治療手段［36-37］。術(shù)前通過影像學(xué)判斷是否存在責(zé)任血管及其走行，術(shù)中將責(zé)任血管及神經(jīng)徹底分開是手術(shù)成功的關(guān)鍵所在［38］。目前臨床上主要通過磁共振成像技術(shù)（magnetic resonance imaging，MRI）來判斷責(zé)任血管與神經(jīng)的關(guān)系［39-41］。但是由于MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)為二維圖像，無法完全在三維空間結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)血管與神經(jīng)的關(guān)系，利用3D Slicer軟件可以對術(shù)前MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合，分別重建出血管、神經(jīng)、腦干等結(jié)構(gòu)，并對相應(yīng)模型進(jìn)行多方位立體觀察，有助于發(fā)現(xiàn)責(zé)任血管及其壓迫點(diǎn)，指導(dǎo)手術(shù)［42-43］（圖5）。研究發(fā)現(xiàn)術(shù)前利用3D Slicer軟件進(jìn)行血管神經(jīng)重建，責(zé)任血管Kappa值達(dá)0.921，顯著高于傳統(tǒng)影像閱片對責(zé)任血管的預(yù)測［44］。枕下乙狀竇后入路手術(shù)中準(zhǔn)確的判斷橫竇乙狀竇移行處是開顱的重要步驟［45］。理想的關(guān)鍵孔既可顯露橫竇-乙狀竇移行處內(nèi)側(cè)緣又能顯露部分硬腦膜的骨孔，能夠降低損傷橫竇及乙狀竇的概率，減少開顱時間，目前臨床上主要還是依據(jù)星點(diǎn)、顳骨巖部及枕骨等骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位［46-47］。但由于存在個體差異，術(shù)中開顱時難免出現(xiàn)定位偏移，引起靜脈竇損傷、顱骨缺損過多等情況［48］。劉桂彪等［49］基于橫竇-乙狀竇溝的位置實(shí)現(xiàn)關(guān)建孔的定位，利用星點(diǎn)坐標(biāo)系在顱骨表面標(biāo)記關(guān)鍵孔的位置進(jìn)行顱骨的三維重建。楊吉鵬等［50］利用3D Slicer軟件輔助定位關(guān)鍵孔技術(shù)應(yīng)用于20例患者的手術(shù)治療，并取得良好的效果，既縮短了開顱時間，保護(hù)了靜脈竇，又減少術(shù)中損傷，且顱骨缺損較少。經(jīng)皮三叉神經(jīng)半月節(jié)球囊壓迫術(shù)是治療原發(fā)性三叉神經(jīng)痛有效的方法之一［51］。該術(shù)式由Mullan［52］于1983年首先應(yīng)用于臨床，因其無需開顱、創(chuàng)傷小、手術(shù)時間短、療效確切、接受程度高等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。其中卵圓孔的穿刺是手術(shù)操作過程中的難點(diǎn)，因此精確定位卵圓孔是影響手術(shù)成功的關(guān)鍵性因素。3D打印技術(shù)具有精準(zhǔn)化，個體化的特點(diǎn)，能夠滿足卵圓孔定位的要求［53］。邱俊等［54］應(yīng)用3D Slicer軟件，重建顱底模型，打印3D穿刺導(dǎo)板，輔助三叉神經(jīng)半月節(jié)球囊壓迫術(shù)研究中與傳統(tǒng)徒手穿刺對比，更準(zhǔn)確、更快的穿刺卵圓孔，降低了手術(shù)風(fēng)險和手術(shù)難度，取得較好效果。

圖5 MRTA數(shù)據(jù)重建腦干、面神經(jīng)及動脈

5.2 難治性癲癇 目前臨床上針對于難治性癲癇的主要治療手段依舊是癲癇灶切除或毀損手術(shù)［55-56］，因此癲癇灶的精確定位是手術(shù)效果的關(guān)鍵。然而，癲癇灶與腫瘤不同，在實(shí)體組織上可能肉眼無法辨別，其切除范圍需要進(jìn)行多學(xué)科綜合評估進(jìn)行確定，較傳統(tǒng)的二維影像學(xué)來說，3D Slicer軟件可以將MRI、正電子放射斷層造影術(shù)（positron emission tomography，PET）等多模態(tài)影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)重建，結(jié)合可視化模型能夠更加直觀準(zhǔn)確的確定影像異常區(qū)域，結(jié)合臨床癥狀、體征和腦電圖的結(jié)果確定最終的切除范圍，在3D Slicer軟件重建模型上描繪出來，術(shù)中依據(jù)模型及腦溝腦回特點(diǎn)，很容易確定切除范圍［57-58］。李佳等［59］利用3D Slicer軟件處理17例癲癇患者術(shù)前影像學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，確定手術(shù)切除范圍，手術(shù)順利，術(shù)后效果良好。此外，3D Slicer軟件還可以用于指導(dǎo)立體定向腦電圖（stereoelectroencephalography ，SEEG）手術(shù)，進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、術(shù)后位置的驗(yàn)證，結(jié)合立體定向腦電圖的結(jié)果決定切除范圍［60］。Liu等［61］利用3D Slicer輔助SEEG植入提高了建模速度和分辨率、縮短電極植入計劃時間、提高了臨床工作效率。

綜上，3D Slicer軟件是一款強(qiáng)大的三維可視化處理軟件，在神經(jīng)外科的應(yīng)用已廣泛開展，在基層醫(yī)院指導(dǎo)腦出血的定位及血腫重建，體積的精確計算，在大型神經(jīng)外科醫(yī)學(xué)中心，應(yīng)用于功能神經(jīng)外科，腫瘤術(shù)前重建等領(lǐng)域已成績斐然，在解剖結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)及手術(shù)模擬的教學(xué)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢。手術(shù)醫(yī)師可以佩戴專門的VR眼鏡學(xué)習(xí)、 研究虛擬的三維圖像，熟悉個體化手術(shù)過程及路徑，從而更好地理解手術(shù)患者的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)［62］。在術(shù)前溝通中也可以利用三維重建圖像向患者及家屬更直觀的解釋病情、手術(shù)方案及術(shù)中可能遇到的風(fēng)險，在手術(shù)方案制定時也可以充分做好多種應(yīng)急預(yù)案。隨著3D Slicer軟件功能不斷的開發(fā)與完善，對神經(jīng)外科手術(shù)的指導(dǎo)會提供越來越多的幫助。