3D-Slicer在神经外科手术中的研究进展

方莎莎 综述 陈洁，范瑞明 审校

遵义医科大学附属医院脑血管科，贵州 遵义 563000

神经外科手术后容易遗留神经功能缺损，严重影响患者预后，因此人们对如何最大化清除受损组织及最小化减少神经功能缺损要求日益严格。近几年3D-Slicer 引导的三维成像技术越来越受到国内外同行的学习和关注。其三维成像技术不仅可以使复杂的操作简单化，而且也可精确计算颅内血肿、水肿、肿瘤等体积，全方位三维展现不同神经纤维束通路及受损情况。现本文就其三维成像技术在神经系统的应用进行综述。

1 3D-Slicer在颅内血肿清除手术中的应用

脑出血是最常见的脑血管疾病之一，出血后血肿压迫颅内组织，导致严重神经功能缺损严重可致死亡。严重脑出血时，大部分双侧侧脑室、第三脑室和第四脑室充满了血液或血栓，脑脊液(CSF)通路经常被血块阻塞，导致急性脑积水，这种情况的预后差，死亡率高，需要积极快速的血肿清除手术治疗以降低颅内高压，而手术治疗的关键是精确计算血肿的体积并最大化清除血肿[1]。临床上最常用的血肿体积估算方式是多田公式(1/2ABC)，该公式一般适用于形状规则的血肿体积计算，对于形状不规则的血肿体积计算并不准确，对于颅内某些特殊部位的血肿来说其误差甚至是不可接受的[2]。DUQUE 等[3]研究发现，利用3D-Slicer测量血肿体积比传统方式更加准确，尤其是对不规则血肿体积的测量。这能满足外科高精确度的要求。除测量体积更准确外，3D-Slicer在颅内血肿清除手术中也发挥重要作用。SONG 等[1]利用3D-Slicer 计算机辅助技术在术前得到脑内血肿三维模型，精确快速模拟进入颅内血肿的最佳路径并测量穿刺深度及角度，他们发现3D-Slicer不仅能降低手术创伤，也能提高手术效率及安全性。另外，也有研究发现3D-Slicer结合神经内窥镜辅助血肿清除术，跟显微镜辅助血肿清除手术相比，临床疗效更为显著[4-5]。对于深部血肿，如丘脑出血，3D-Slicer 模拟导航定位软通道穿刺丘脑联合脑室钻孔引流术治疗丘脑出血，与临床昂贵的医学分析工具相比3D-Slicer准确可靠，且可以免费获得源代码[6]。

2 3D-Slicer在神经导航手术中的应用

神经导航系统在20世纪80年代末和90年代初被引入神经外科，并已被证明是重要的神经外科手术工具[7]。常规的神经导航系统是光学系统(红外光反射)，这种导航系统的缺点之一是神经外科医生必须远离手术场才能看到导航显示，因为导航显示器远离显微镜的透镜管和神经内镜[8]；二是其成本过高，获得源代码进行手术器械的校准及配准费用非常昂贵。而3D-Slicer 引导的图像导航系统由开源软件3D-Slicer和Web摄像机组成，任何设施都可以轻松地设置这个系统。与标准神经导航系统相比较，3D-Slicer引导的简单导航系统简单实用。而3D-slicer 软件又在三维空间中显示对象方面具有显著的优势，不仅能很好的识别肿瘤、血管和神经的空间位置关系，而且通过计算机将信息添加到真实的环境中显示纤维束等，使虚拟三维颅内成像与现实头颅完美重叠，提供各种视角的虚拟3D 图像和相同的叠加图像，使外科医生提高手术精度并减少术中损伤[9-10]。它还可以根据手术器械的位置，在三维空间中显示任意的横截面平面，通过优化体积和表面绘制技术可以实现肿瘤或血管等三维图形对象的可视化，其参数可以根据外科医生的意图进行微调，满足外科颅脑手术的高精确度要求[7，9-10]。另3D-Slicer 引导的术中成像技术能通过实时跟踪手术过程中的解剖结构位置变化三维图形，解决开颅时脑脊液流出及脑组织肿胀造成手术中的脑组织移位这些问题[11]。3D-Slicer 模拟导航相比较正规导航系统来说相对简单方便，这个优点对无导航的基层医院来说有较大的应用价值[12]。

3 3D-Slicer在术前规划中的应用

神经外科手术后纤维束的损伤程度与神经功能缺损及患者预后切相关，纤维束的损伤程度及纤维束的整体走形是每一位神经外科医生关注的重点，术前精确重建纤维束与周围病变组织的三维病理解剖位置关系，对保留患者神经功能尤为重要。然而纤维束投射轨迹的三维重建是一个复杂的过程，临床环境下的轨迹驱动信息的有效性尚未完全建立。而传统影像学只可显示肿瘤影像学边界，却无法分辨白质纤维束结构。3D-Slicer 配合基于弥散张量成像(DTI)的纤维束示踪成像技术，能清楚显示脑白质的走行，为医师提供更加精确术前规划及诊疗[13]。3D-Slicer的扩张模块slicerDMRI使纤维素可视化，通过纤维束线描记法追踪大脑连接，计算跟踪白质纤维束，支持单纤维和多纤维束成像[14]。将DTI数据整合到3D-Slicer中进行纤维束追踪和重叠解剖图像，以确定神经的走行，对病理状态下病变组织走行、定位及与病变组织的关系行三维重建[15]，避免了术中二次损伤。

4 3D-Slicer在原发性三叉神经痛解压手术中的应用

原发性三叉神经痛(TN)是神经血管性压迫(NVC)最常见的类型，微血管减压术(MVD)是首选的手术方式，神经血管压迫的存在、侵犯血管的位置和压迫的严重程度对MVD的有效性有重要影响。准确的术前评估NVC的特征不仅对MVD手术的计划和结果至关重要，同时可以缩短手术时间。目前磁共振(MRI)的评价方法是TN 的常规诊断方法，但该方法存在一些不足，三维MRI[用稳定快速采集(fiesta)序列]虽然可以提供高的空间分辨率并对血管神经进行三维重构，但利用这一序列的图像很难区分血管结构和神经，特别是当它们有相似的直径并且平行走行时[16]。而且进行神经血管三维重建的方法有局限性，当涉及检测小口径血管时，其灵敏度会降低，这可能是三叉神经痛的潜在原因，会导致假阴性结果[17]。据HAN 等[16]、YAO 等[17]研究发现使用3D-Slicer 的多模态图像显示技术可以清楚地显示神经血管的关系，在探讨病变血管神经压迫方面比MRI (fiesta 序列)准确。3D-Slicer可测量三叉神经脑池段的体积来评估三叉神经痛与受累神经的关系[18]，利于手术医师评判手术效果及预后。三叉神经痛的手术预后的结局与神经血管的压迫严重程度密切相关，3D-Slicer在一定程度上可以提高MVD手术的有效性，缩短手术时间，减轻阴性患者疼痛。

5 3D-Slicer在难治性癫痫手术中的应用

癫痫是神经系统常见疾病，多数患者规律服用抗癫痫药物能控制癫痫发作，仍有部分患者癫痫药物治疗效果欠佳。对于抗癫痫药物难以治疗的癫痫，手术是潜在候选者。手术的目的是切除或断开致癫痫区。在立体脑电图(SEEG)信号的评估中，医生的工作流程涉及多个操作，包括确定单个电极触点的位置与灰质或白质的关系以及特定脑区中的位置等。这些操作是通常由计算机支持有限的神经科专家手动执行，耗费大量时间，经常不准确、不完整且容易出错。3DSlicer 的 SEEG Assistant，使用 CT 的成像数据定位电极接触位置的模块，确定记录活动最可能的大脑位置的模块，和计算灰质接近指数的模块，即每个接触距离大脑皮层的距离，以区分接触的白质和灰质位置，使用SEEG助手可将植入后处理时间缩短，提高结果质量，并减少植入后处理中的错误[19-20]。该软件使用MRI和植入后CT融合来定位颅内深部电极及其与自动标记周围皮质的关系被PRINCICH等[21]证明是快速有效的。

6 3D-Slicer在动脉瘤手术中的应用

颅内动脉瘤是动脉壁向外突出形成的永久性扩张，一旦破裂后果严重，目前颅内动脉瘤的诊断金标准是数字减影血管造影(DSA)，其是一种有创伤性、辐射量大、风险高的有创检查，耗时较长，手术费用较高。所以有症状者一般造影术前先行CT血管造影(CTA)检查有无动脉瘤存在。CTA是一种无创性血管成像技术，扫描时间短、空间分辨率高且全身均可检查。有学者研究发现，使用3D-Slicer软件结合CTA诊断颅内动脉瘤的敏感度、特异性及准确性接近DSA[22]。CAN 等[23]、LIN 等[24-25]研究发现，使用3D-Slicer 软件可以生成动脉瘤及其周围血管结构的3D 模型，在每个模型中检查动脉瘤大小、长宽比、动脉瘤角度、血管角度、大小比例、到膝部的距离和子母角等的形态学参数有助于评价动脉瘤破裂的风险。3D-Slicer 对颅内动脉瘤磁共振血管成像和高分辨磁共振数据重建具有较好的准确性，有利于指导动脉瘤手术[26]。

7 3D-Slicer在脑肿瘤手术中的应用

原发性脑肿瘤患者的生存率受到多种因素的影响，手术切除在低、高级别原发性脑肿瘤的治疗中起着重要作用。目前颅内肿瘤手术存在最大限度切除肿瘤及减少术后神经功能缺损之间的矛盾、手术过程中的脑移位使肿瘤定位困难及不能明确肿瘤与重要功能的脑皮质和白质的关系等几大难点。3D-Slicer的半自动区域增长的体积分割算法，对肿瘤医学图像换成可提取数据，对肿瘤表型进行量化，可用于大型队列研究的定量图像特征提取和高通量图像数据挖掘，其半自动分割方法减少了观察者间的变异性和描绘的不确定性，具有更高的可靠性、准确性和稳定性，可能会提高成像标记物的预后性能[27-28]。而且，3D-Slicer 用于分割颅内肿瘤体积的半自动分割方法要比纯手动分割节30%～60%的时间和工作量[29]。除此之外，BUTZ等[30]研究发现，3D-Slicer有降低癌症治疗不足的风险，在最大切除肿瘤组织和最小损害周围组织之间达到一个最佳治疗平衡点。

8 展望

综上所述，3D-Slicer 是一种强大的可视化工具，允许在二维、三维和四维中探索成像数据集。3D-Slicer能重建大脑结构的整体形态，和任何空间位置进行多平面重建，并能进行血肿、水肿、肿瘤体积测量、纤维束的三维重建、术中导航等。3D-Slicer 的价值在于：(1)就其分割而言，对于深部血肿的清除和肿瘤切割方面，3D-Slicer能精确区分肿瘤、血管、纤维束的关系，拟定术前规划，在达到最大治疗量和最小损害周围组织之间达到一个最佳治疗方案，为患者提供个体化治疗。而且其半自动体积分割方法可能逐渐取代人工手动分割，对肿瘤的表面特征进行量化分析比人工分析有更高的准确性，可能有助于更早发现肿瘤及预测肿瘤的生长及预后，早期行手术治疗。(2)在手术导航上，3D-Slicer组装的导航系统相比较正规导航系统来说简单方便，使医生在使用导航系统的同时无需远离手术台，而且能减少术中损伤。再者3D-Slicer组装的导航系统对无导航的基层医院来说有较大的推广价值，且可能成为减少高额检查费用的替代软件，节约工作时间及医师工作量。(3)在动脉瘤诊断方面，3D-Slicer 结合CTA的准确性与特异性与DSA无明显差别，可能成为潜在DSA 替代技术，并有利于指导动脉瘤手术。但是3D-Slicer并不是FDA批准的设备，其许可证也没有对该软件的临床适用性做出任何声明，而且3D-Slicer 辅助临床的实用性也需随机大规模多中心研究进一步证实及探讨。