3D-Slicer的虚拟现实技术在神经内镜下经鼻蝶入路垂体瘤手术中的运用*

彭逸龙， 伍益， 陈少霭， 李智斌， 董家军， 冯子泽， 古机泳， 钟鸣谷

江门市中心医院神经外科(广东江门 529000)

垂体腺瘤是颅内第三大原发性肿瘤，尸检中发现率为20%～30%[1-3]，其中有临床症状的垂体腺瘤比率为77.6/10万。目前神经内镜下经鼻蝶入路已逐渐成为垂体瘤治疗的首选术式[4-5]。由于鼻蝶窦内解剖结构的复杂性及个体间变异大，术前对内镜下手术入路的熟悉及了解可以提高手术的安全性及手术效率。我科运用3D-Slicer软件对神经内镜经鼻蝶入路手术的患者术前进行鼻蝶窦内的虚拟三维重建，模拟内镜经鼻蝶入路，制定个体化的手术方案及手术计划，取得较满意效果，现将应用的方法及初步的经验总结报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2016年10月至2018年3月术前诊断为垂体瘤并进行神经内镜下经鼻蝶入路手术的患者30例，其中男16例，女14例，年龄30～71岁，平均(43±5)岁；垂体瘤微腺瘤3例，大腺瘤23例，巨大腺瘤(≥4 cm)4例；术后病理报告为生长激素瘤3例，促肾上腺皮质激素瘤1例，泌乳素瘤1例，无功能腺瘤25例。

1.2 CT、MR的数据采集 头颅影像原始数据(日本东芝64排螺旋CT机、飞利浦3.0磁共振机)通过院内网PACS软件系统获取。CT平扫层厚1 mm，CTA数据层厚0.5 mm，MR数据层厚0.6～7 mm，格式为医学数字影像和通讯(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)。

1.3 3D-Slicer软件对鼻蝶窦内解剖结构进行三维重建及术前计划的制定 所有病例均由同一位副主任医师使用3D-Slicer软件进行重建。在电脑中运行3D-Slicer软件(3D-Slicer4.8.2)，将CT及MR数据以DICOM格式导入。运行Registration模块对CT、MR融合、匹配[6]，成功后再用Segment Editor模块对MR数据进行颈内动脉、肿瘤及视神经的重建，之后导出为Models。CT数据采用Volume Rendering模块进行重建，并用 Display ROI调整至鞍底鞍内范围，通过Shift滚动条调整透明度，显示内部的蝶窦中隔、斜坡、鞍底、颈内动脉隆突、视神经颈内动脉隆突、肿瘤、血管等重要解剖结构，还可以对模型进行随意旋转、放大缩小以及鞍底骨质磨除范围的测量，从不同角度、不同方向观察蝶窦内的骨质解剖结构以及肿瘤与颈内动脉、视神经的关系；还可以通过对中、下鼻甲的模拟切除，了解蝶窦开口的位置，对手术入路进行模拟，对个体差异大的蝶窦内解剖结构可以通过术前的重建进行清楚了解，并指导术中定位鞍底及鞍底骨窗的形成。

1.4 术中图像的获取 所有患者都在手术室气管内全麻下行神经内镜下经鼻蝶窦入路肿瘤切除术。术中应用德国蛇牌(AESCULAP)内镜系统，使用STORZ0°及30°蝶窦观察镜。对手术中相关解剖结构进行观察及图像保存。

1.5 手术方法 大部分患者行单鼻孔经鼻蝶窦入路，部分肿瘤较大者行双侧鼻孔入路。常规麻醉消毒后，肾上腺素棉片收缩鼻腔黏膜，一般从右侧鼻腔入路，在蝶筛隐窝内找到蝶窦开口后用高速气磨钻扩大蝶窦开口(如没有找到蝶窦开口，就在后鼻孔上1.5 cm处开始磨除)，打开蝶窦前壁后，磨除蝶窦内分隔，显露鞍底。磨钻磨开鞍底下部骨质约1 cm，显露鞍底硬膜，十字形切开硬膜，显露肿瘤。切除肿瘤后，脑膜补片修补硬膜，生物蛋白胶封闭鞍底。如出现脑脊液漏，视漏口大小用大腿肌肉及脂肪填塞鞍底或带蒂鼻中隔黏膜瓣修补鞍底。

2 结果

30例手术患者均成功进行了术前手术入路的重建及模拟手术操作。重建的虚拟图像与手术中真实图像有很好的相似性，见图1～3。本组病例所有患者均按计划顺利完成手术。在没有任何定位设备的情况下，术中准确定位鞍底，根据术前计划磨开鞍底骨窗切除肿瘤。本组病例无死亡，无脑脊液漏二次修补，未出现脑膜炎、视力下降等并发症。术后患者的内分泌症状较术前好转。所有患者术后第1天复查CT见鞍底骨窗位置良好。

A：术中内镜图片；B：Slicer重建图片；黑色箭头代表蝶窦开口，蓝色箭头代表鼻中隔，黄色箭头代表上鼻甲

图1鼻甲的重建虚拟图像与手术中真实图像

A：术中内镜图片；B：Slicer重建图片

A：通过调整Shift滚动条模拟鞍底骨窗的形成(蓝色虚线)；B：通过MR重建的神经、血管及肿瘤(黄色的为视神经、绿色的为肿瘤，红色的为颈内动脉)

图3鞍底骨窗的重建虚拟图像与MR重建

3 讨论

随着神经内镜的照明和配套器械的不断改进，加上术者手术技术的提高，内镜技术在神经外科的作用日益突出，目前大多数垂体瘤以及部分鞍区、鞍旁病变也都可以通过内镜经鼻蝶窦入路进行手术治疗，此项技术已被国内神经外科医生认可并推崇[7-9]。但是由于内镜有限的视野，缺乏立体感的的二维图像，部分患者鼻窦内复杂的个体解剖结构，还有在狭窄的腔道内进行操作的不协调性，使得神经外科医生首先要熟悉鼻腔、鼻窦、颅底的解剖结构。此外，经验、特殊训练和术前计划是安全使用这项技术的关键。

该区域解剖结构的资料目前以尸体解剖资料为主[10]。由于蝶窦及鞍底的个体化差异较大[11]，有限的尸体解剖资料不能满足临床需要。除此之外，可以通过术前的CT、MR来了解鼻蝶窦内的相关解剖结构及指导术中的定位。术者只能结合自身经验，通过这些影像资料“主观”地构造出其三维解剖关系。对于的蝶窦结构复杂的患者或经蝶窦手术的初学者而言，常常需要通过神经导航等设备辅助来确定鞍底、颈内动脉、视神经及肿瘤的位置[12]，增加了费用、手术时间及感染的概率。

随着虚拟现实技术在医疗领域的应用逐渐广泛，越来越多的单位运用该技术来进行临床教学或者术前计划模拟[13-14]。国外学者Han等[15]利用CT仿真内镜技术(CT virtual endoscopy，CTVE)将患者CT数据进行三维重建，个体化研究患者鼻蝶解剖结构，并与术中对比，认为CTVE能在术前了解患者鼻腔解剖结构并模拟内镜操作，为手术安全提供了保障。鉴于CTVE均需要借助相应的CT工作站或导航软件才能实现，由于硬件的限制，大大降低了该技术的普及性，国内也是只有少数单位对该项技术进行研究报道。现在利用免费开源软件3D-Slicer除了可以实现CTVE对患者鼻腔、蝶窦的三维解剖的术前评估外，还可以匹配MR数据，运用MR对软组织结构高分辨力的特点，对蝶窦内相关的血管、神经进行重建，制定出更加安全、完善的手术方案。该软件操作相对简单，而且支持功能扩展和改进[16]，降低了该技术的门槛，并且拥有更好的交互性和便捷性，近年来在国内被广大临床医生所应用[6，17-19]。

在本组病例中，我们首先对MR及CT进行配准融合，然后用Volume Rendering模块对薄层CT进行头颅重建，观看鼻外观及鼻腔的通道，通过Display ROI的调整，逐步观察鼻中隔、下鼻甲、中鼻甲至蝶窦内。蝶窦开口被作为打开蝶窦前壁的定位，有时会因黏膜肥厚、蝶窦开口不畅或者被上鼻甲遮盖。因为slicer无法模拟牵拉，如果需要观察蝶窦开口，可以通过模拟切除中下鼻甲及部分上鼻甲来显示，避免在手术中花费过多时间来寻找，提高了手术效率(图1)。通过虚拟图像了解到鼻道的大小，以此来选择通道大的一侧为手术入路，减少了在术中反复进出器械所致的鼻腔黏膜损伤。进入蝶窦后通过调整Shift滚动条，可以使阈值较低的黏膜及薄层骨质等结构消失，在类似内镜视野下观察到蝶窦中隔，斜坡及鞍底骨性结构(图2)，蝶窦结构不复杂的患者还可以看到典型的鞍底骨质球形隆起，另外还有颈内动脉隆突、视神经颈内动脉隆突。此时，进一步调整滚动条，蝶窦中隔骨质逐渐消失，显示出鞍底的全貌，类似术中磨除中隔，显露鞍底。大多数鞍底骨质因肿瘤压迫而变薄，通过调整滚动条可使变薄那部分骨质消失而周围的骨质完整，类似模拟鞍底骨窗形成，显示出经MR数据重建的肿瘤、颈内动脉及视神经，从而可以根据肿瘤-颈内动脉、视神经-颈内动脉、颈内动脉-鞍底的关系来进一步确定出骨窗大小，防止手术时损伤颈内动脉及周围其他结构(图3)。该过程模拟术中经鼻蝶入路的视野，具有较高的还原度。对于没有导航的单位，甲介型、鞍前型的蝶窦及有些复杂的蝶窦分隔会增加手术的风险及难度，借助3D-Slicer重建出来的虚拟三维图像，使术者可以在术前反复观察相关的解剖结构，测量并重复模拟骨质磨除的情况，在手术过程中术者对此结构有熟悉的感觉，方向感更好，避免了盲目手术带来的危险。本组30例患者，术中均快速准确打开蝶窦前壁，定位鞍底，未采用任何辅助设备。

然而，我们也发现了一些问题，比如肿瘤在重建的时候不能与压薄的垂体明确分开，不能更真实地模拟手术中对肿瘤进行切除等操作。但不可否认的是，3D-Slicer软件对经鼻蝶入路垂体瘤手术的术前重建具有无创性，操作简单(每例患者20～30 min)，能高度模拟内镜下视野，使术者在术前就可以反复了解内镜下个性化的解剖结构，制定手术计划，模拟手术操作，提高手术效率及安全性。虚拟现实技术目前已成为医疗界中不可或缺的一种辅助技术，基于3D-Slicer软件的虚拟现实技术在神经外科的运用越来越广泛。随着科技的发展，未来AR(augmented reality)、MR(mixed reality)技术将会逐渐进入我们的医疗行业，给我们带来全新的视野，在手术计划、术前讨论、医患沟通、术中指导及医学教育方面发挥更大的作用。