标准立体空间坐标系膜迷路模型的建立

吴曙智 李熹 郑炎焱 陈晓素 林萍 杨晓国 杨晓凯

内耳位于颞骨岩部，因其结构精细而复杂又被称为迷路，由骨迷路和膜迷路构成，解剖显示困难。临床影像学检查可以获取骨迷路清晰影像，但不能或仅能部分显示膜迷路结构[1]。尸体颞骨切片和MR显微成像、显微CT可以显示切面膜半规管结构，但通常不具备空间方位信息，无法进行测量[2]。因此，良性阵发性位置性眩晕（BPPV）的复位治疗虽然主要同膜半规管空间方向有关，但通常用骨半规管代替来进行演示和判断[3]。目前研究半规管空间方向的文献不多，关于壶腹嵴空间方向的研究则更少[4]。Baloh等[5]报道向地眼震水平半规管BPPV，其图示膜水平半规管描绘自胎儿颞骨切片图像，其椭圆囊和壶腹部和头部的关系根据经过水平半规管层面颞骨CT检查图像进行校准；但左右水平半规管并不在同一个平面上，其校准后对空间方向的判断可能会有偏差。目前，Baloh对水平半规管空间方向的描绘被广为引用。Epley等[6]使用绘图描绘了后半规管壶腹嵴空间方向，并提出了半Dix-hallpike试验用于诊断后半规管嵴石症，认为直立位后半规管壶腹嵴和水平面夹角为60°。Teixido等[7]根据新生儿颞骨切片图像分割获取一侧膜半规管模型，根据解剖学知识和正常头颅进行校准，没有对壶腹嵴空间方向进行具体描述。David等[8]使用尸体颞骨染色显微CT检查数据分割获取膜迷路结构，与组织切片比较，膜迷路扭曲变形的可能性减少；进一步将显微CT检查数据分割获取的骨迷路和1位正常人头颅CT检查分割获取的骨迷路进行校准的方法来确立膜迷路空间方向，并提供了完整的壶腹帽模型（不包括壶腹帽下间隙和壶腹嵴）。由于半规管空间方向存在个体差异，David等建立的膜迷路空间方向是否具备代表性还需进一步确认。本研究拟通过建立标准立体空间坐标系膜迷路模型，并对壶腹嵴空间方向进行测量。

1 资料和方法

1.1 影像资料 选择在本院行内耳检查显示清晰且无伪影的33例正常者的影像资料，其中男9例，女24例；年龄7～66（43±13.4）岁。排除存在局部病变可能影响半规管解剖结构、头颅结构异常者。采用SIEMENS公司1.5T超导型MR系统，标准头线圈，应用三维稳态构成干预序列（3D-CISS）进行内耳检查，扫描参数：TR 6.0ms，TE 2.7ms，FOV 135×180，矩阵 256×192，层厚0.7mm。1例尸体颞骨染色显微CT检查数据分割获取左侧膜迷路模型、骨迷路模型，包括壶腹帽模型[8]。

1.2 建立内耳眼球统计形状模型 使用3D Slicer（4.7版）软件分割双侧内耳和眼球模型[9]。首先选择1个内耳模型作为参考模型，再将其他模型和参考模型进行配准，根据参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行进一步点对点的配准，最终可以根据配准的模型来建立统计形状模型。为消除初始选择参考模型所产生的选择偏移，根据统计形状模型导出平均模型作为参考模型，重复以上过程直至最后生成的平均模型稳定无明显变化，作为标准模型。

1.3 建立标准立体空间坐标系 3D Slicer Transform模块进行坐标平移和旋转，使得水平面经过标准模型双侧半规管总脚分叉点和眼球下缘（半规管眼底平面），双侧半规管关于矢状面对称[10]。

1.4 膜迷路校准 将显微CT检查数据分割获取的左侧骨迷路模型与标准模型进行校准，膜迷路模型随之进行三维空间变换。

1.5 参考模型比较 将David等使用的骨迷路参考模型和标准模型进行校准并观察分析，判断其是否具备代表性。

1.6 壶腹嵴空间方向测量 调整平面使其和壶腹帽模型完全重合，使用Angle Planes模块测算壶腹帽平面和水平面或者矢状面夹角，计算结果包括俯仰角、偏航角和翻滚角，以翻滚角作为夹角计算根据。

2 结果

使用3D Slicer软件Otsu模块可以快速分割获取高质量的半规管眼球结构，用于生成内耳眼球统计形状模型。使用Statismo软件，将模型与平均模型进行点对点的配准来建立统计形状模型的过程耗时，反复建模4～5次后结果稳定，统计形状模型所导出的标准模型结构完整[11]，见图1a-b（插页）。David等使用的骨迷路参考模型与标准模型配准后，匹配较好，具备代表性，见图1b（插页）。校准后的膜迷路有利于观察壶腹帽空间方向，见图1c（插页）。通过Transform模块可以使得水平面经过标准模型半规管眼底平面且双侧半规管关于矢状面对称，从而建立参照标准立体空间坐标系[10]，见图2a（插页）；内耳模型与标准模型校准后加三棱柱作为空间标识，见图2b（插页）。平卧位左侧后半规管壶腹嵴和矢状面的夹角偏航角为8.8°，翻滚角为42.8°，见图2c（插页）；平卧位外半规管壶腹嵴和矢状面的夹角偏航角为 9.6°，翻滚角为 3.8°，见图 2d-e（插页）。

3 讨论

对于膜迷路的结构和功能的研究已取得一定进展。膜迷路包括椭圆囊和球囊、膜半规管和蜗管，在椭圆囊和球囊内囊斑，能感受直线加速或减速运动。膜半规管一端膨大为膜壶腹，壁上有隆起的壶腹嵴，壶腹帽是覆盖在壶腹嵴上的胶质状物质，其基底与壶腹嵴上皮之间有一微细的腔隙，称为壶腹帽下间隙，宽2～10μm，感觉细胞的毛穿过其间[12]。壶腹嵴能感受头部旋转运动，当内淋巴沿管流动时，可冲动壶腹帽使之向一侧摆动，同时毛细胞的纤毛向一侧倾倒。外半规管内淋巴液向壶腹运动产生兴奋冲动，上、后两半规管内淋巴液离壶腹运动产生兴奋冲动。病理状态下，当脱落的耳石进入膜半规管内或黏附于壶腹帽上，会导致BPPV。当头位改变如低头、仰头、躺下、坐起、翻身时，会产生异常的兴奋冲动，表现突发头晕、视物旋转，片刻缓解，严重时伴恶心、呕吐。通过头位改变，根据眩晕诱发情况和眼震观察可以判断耳石位置，还可以使脱落的耳石回到椭圆囊内，从而消除症状。

膜半规管和壶腹嵴的空间位置，对于BPPV的发病机制的研究、耳石复位治疗都至关重要。相关文献使用了各种方法进行BPPV的模拟演示，包括构造模型、组织切片图像、动物膜半规管、绘画插图、人骨半规管模型、人膜半规管模型等[7,13-17]，它们最大的缺点是空间方向欠规范且常常不一致。目前关于壶腹嵴空间方向的研究数据很少，其最大的原因是组织切片图像通常缺乏空间信息。近年来影像检查技术不断发展，但临床MRI检查无法显示壶腹嵴结构；而尸体的壶腹帽会皱缩变形，且MR显微技术和显微CT也只检查一侧颞骨，同样存在缺乏空间信息的问题，因此缺少活体壶腹嵴数据[2,8,18]。David等使用颞骨染色后进行显微CT检查的方法分割获取膜迷路结构，对壶腹嵴的显示较好，且能显示壶腹帽下间隙，虽然壶腹帽也有皱缩，但有些壶腹帽显示完整。颞骨钆盐浸泡后MR显微成像可以显示膜迷路，对于前半规管、外半规管壶腹嵴的轮廓显示较好，但不能显示壶腹帽下间隙，特别是后半规管壶腹嵴显示不清，后半规管短臂界限模糊[2，19-20]。David等研究首次提供了获取的包括壶腹帽结构的膜迷路模型，具有重要的参考意义。David等通过将显微CT检查数据分割获取的骨迷路和1例作为参照头颅的骨迷路进行校准，然后同步三维空间变换膜迷路来确立膜迷路空间方向。但由于半规管空间方向存在个体差异，其参照模型的的代表性需要进行确认，应使用标准模型作为参照模型。

标准膜迷路模型可以通过建立统计形状模型基于主成分分析导出平均模型作为标准模型，但是缺乏空间坐标信息[11]。常见的立体空间参考平面系统包括法兰克福立体坐标系统和瑞德立体坐标系，需要根据骨性标志点来确立[21]。笔者前期研究发现双侧眼球最下缘和双侧半规管总管的顶端组成的平面即半规管眼底平面和法兰克福平面平行，为水平面，也就是半规管眼球统计形状模型根据半规管和眼球自身就可以构造标准的立体空间参考平面系统[10]。David等使用的参照骨迷路模型和标准内耳眼球模型匹配良好，具有一定的代表性。

Hall等[13]认为直立位时后半规管壶腹嵴接近垂直，Dix-Hallpike诱发试验时接近水平。但Epley等[6]认为直立位后半规管壶腹嵴和水平面夹角为60°；本研究测量结果直立位后半规管壶腹嵴和矢状面的夹角翻滚角为42.8°，相应与水平面的夹角为余角即47.2°，两者结果相近。Dix-hallpike试验头部后仰30°后半规管壶腹嵴与地面接近垂直，后半规管嵴顶结石症不易诱发阳性检查结果。笔者对Dix-hallpike试验进行了改良，平卧后头部不后仰，临床应用同样有效，且因为上半规管BPPV检查阴性，使得判断更加简便，见图3[22]。Baloh等[5]报道向地眼震水平半规管BPPV，其图示平卧位膜外半规管壶腹嵴向内侧倾斜约为45°。也有其他研究报道平卧位外半规管壶腹嵴向外侧倾斜[23-24]，可见结果不一。根据前庭生理知识，外半规管嵴帽结石症，平卧位出现水平眼震，根据眼震方向来判断患侧，壶腹嵴向椭圆囊侧还是半规管侧倾斜定位完全相反。本研究测量结果显示平卧位外半规管壶腹嵴偏航角为9.6°，翻滚角为3.8°。可见外半规管壶腹嵴平均翻滚角较小，由于半规管空间方向存在个体差异，后半规管夹角较小时水平半规管壶腹嵴随之从向内倾斜转为向外侧倾斜也即翻滚角方向会发生改变。由于平卧位外半规管壶腹嵴既可能向椭圆囊侧偏斜，也可能向半规管侧倾斜，外半规管嵴帽结石症平卧位出现水平眼震，无法根据眼震方向判断患侧，也无法通过头部向一侧转动使得半规管壶腹嵴和地面垂直从而眼震消失来判断患侧。

图3 平卧Dix-Hallpike试验（右侧后半规管）[a：患者垂直坐位；b：头向右侧转45°；c：患者从坐位快速躺下平卧；d：c的侧面观；箭头所示为右侧后半规管]

本研究成功建立了标准立体空间坐标系膜迷路模型，并测量了壶腹嵴空间方向，可用于BPPV的研究[25-26]。下一步将基于此模型建立拟真BPPV模型。

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