3D-Slicer软件在颅内病变手术定位中的应用

杨森源 周晓斌 赖润龙 陈煜 薛泽彬 孙曼珊 李勇

随着神经外科新技术神经导航、术中超声、ROSA机器人等技术的应用，目前神经外科手术的目的均趋向于以颅内病灶为中心，力求最小的神经损伤，获得最佳的治疗效果[1-3]。然而神经导航、ROSA机器人的临床使用虽然使神经外科手术更加精准和微创，但成本高昂。 3D-Slicer是一个免费、开源的医学影像软件平台(http://www.slicer.org)，用以图像分析(包括配准和实时编辑)，图像可视化以及图像引导治疗，拥有强大的可扩展性，可以通过模块嵌入方式来增加新的功能和应用。3D-Slicer的出现可以让临床医师更直观地进行解剖学习，对手术进行术前评估，病变体表定位，引导精确穿刺等，从而使得广大基层医院的神经外科医生也能利用较少的资源进行更精准的微创手术。 我们利用个人电脑上3D-Slicer软件进行三维可视化影像重建并对颅内病变进行体表定位，术前同时利用二维影像图像及体表标志进行传统人工测量的方法进行定位测量，比较两种方法优劣及准确性。

对象与方法

一、对象

选取2018年11月1日～2019年12月31日期间我院神经外科颅内病变(脑肿瘤，脑出血，外伤，异物，动脉瘤等)手术病人40例，其中男性22例，女性18例，年龄18～85岁，平均年龄(59.4±16.9)岁。40例病人中，脑肿瘤5例(包括额叶胶质瘤2例，颞部脑膜瘤1例，蝶骨嵴脑膜瘤1例，小脑血管母细胞瘤1例)，高血压脑出血21例(包括基底节区脑出血15例，额叶出血2例，小脑出血4例)，脑外伤9例，脑内异物1例，颅内动脉瘤1例(大脑中M1段动脉瘤)，颅内动静脉畸形2例(病灶位于额叶)，蛛网膜囊肿1例。入院时神志清楚18例，嗜睡6 例，昏睡6例， 朦胧4例，浅昏迷6例。所有病人术前均行头颅CT或MRI检查,影像学资料均包括冠状位、矢状位、轴位扫描，检查前均在病变最大层面留置体表定位标记以辅助术前定位。所有病人均在术后第一天复查头颅CT。纳入标准：(1)术前确诊为神经外科疾病并有绝对手术指征；(2)病人均自愿参与本研究，自愿签署知情同意书。排除标准：合并有重大器官功能障碍或合并心功能不全、肾功能不全、恶性肿瘤等慢性病；来诊时已呈深昏迷状态(GCS<5分)或合并脑疝、生命体征不稳定、需紧急抢救等；术后因各种因素无法复查头颅CT等。

二、方法

1.影像数据获取及3D Slicer软件定位：收集病人术前头颅CT、MRI影像学(薄层扫描，层厚为2.0 mm)电脑数据资料DICOM，将影像学资料导入3D-Slicer软件进行三维重建建模。在3D-Slicer软件内对所有病人头颅进行三维重建获取重建后三维头颅图像，并对颅内病变(血肿、肿瘤、异物、动脉瘤等)进行三维建模，将重建所获得的两份图像在电脑或手机图像软件中融合成一张图像。这两张图片在Slicer中拥有一致的空间坐标参数，属于统一参考系统，重叠后能准确还原病变在头颅上的位置。以血肿为例，见图1、图2。

图1 颅内血肿水平面、冠状面及矢状面影像

图2 a 颅内血肿三维建模；b 头皮及头皮标记物；c、d 头颅三维图像拼合后所显示的血肿在头颅上的投影

麻醉成功后头部以mayfeld头架固定，在头颅上标记出冠状缝、矢状缝的位置，将融合的三维图像导入手机软件Sina，以手机摄像头将拼合后的图像投影到病人头颅表面。连接虚拟现实(VR)眼镜并固定在三脚架上以防手持的不稳定，在术中进行图像-头颅融合，对颅内病变进行体表定位，按照手机图片轮廓在病人头颅标记出病变的轮廓。定位时可以选择矢状缝、冠状缝或者做参考，也可以选头皮标定点做参考，匹配后即可在病人头部画出病变位置。

2.传统定位方式 ：简易定位病人根据术前头部CT 影像为定位依据，通常选取血肿最大层面中后1/3 处为置管靶点，以听眦线为基线，选取血肿长轴距离置管靶点最近的颞部或额部投射点作为穿刺点，结合经验在预设穿刺点粘贴 1 枚或多枚标记物(一次性心电电极)。病人佩戴标记物 再次进行标准头部 CT 检查， 必要时可调整标记物位置多次扫描，于计算机上进行阅片分析，确认穿刺点并进行标记，测量置管靶点距穿刺点处颅骨距离。

3.两种方法比较：术中直视下、术后CT或MRI复查对比两种定位方法的准确性：如为肿瘤，异物，动脉瘤等需要手术摘除的病变，术中确定病变部位后，分别测量术前两种定位标记中心点距离术中发现病变中心点的距离，并做好记录；如为血肿行钻孔引流术，术后复查CT后，测量引流管中心点分别距离术前血肿中心点的距离并记录(图3、图4、图5)。

图3 a 右侧基底节区脑出血病人；b 术后第一天复查头颅CT，提示术前定位准确；血肿清除满意

图5 一例颞部肿瘤，术中病人大脑中动脉与肿瘤关系

三、统计学分析

结果

40例病人术前三维重建、测量数值及导入手机用时平均约(22.0±2.6)分钟，其中21例高血压脑出血病人使用3D-Slicer软件重建后血肿量在20～55 ml之间，所有病人术前均无脑疝表现，术前生命体征稳定。40例病例中，采用3D-Slicer软件辅助术前定位方式，其最终定位距病变中心的距离为(0.24±0.14)cm，而采用传统定位方法的定位与病变中心距离为(0.48±0.30)cm，两者比较差异有统计学意义(P<0.05)。其中，3D-Slicer软件辅助下的定位中偏离最大距离为0.68 cm，其余病例均<0.50 cm，而采用传统方法的定位最大偏离距离为1.51 cm，共有13个病例偏离距离>0.5 cm。所有病例均未出现脑功能区及重要血管结构的损伤。术后40例病人均预后良好，经治疗后好转出院。

讨论

神经外科发展到微创神经外科阶段是以CT、MRI等现代影像学为基础的。三维可视化医学影像是大势所趋，随着虚拟现实以及增强现实技术的出现和发展，神经外科手术的操作将更加精准[4]。在个人电脑上3D-Slicer软件对病人头颅病变(肿瘤，出血，异物，动脉瘤等)的CT、MRI二维影像进行三维可视化影像重建，将重建的图像导入到手机Sina软件中，利用虚拟现实眼镜在术中进行图像-头颅融合来对颅内病变进行体表定位，较利用二维影像图像进行传统人工测量的方法更加简单和准确。

基层医院由于地理位置的限制及其特殊性，有较多的脑出血、动脉瘤以及浅表肿瘤病人。对于高血压脑出血病人，目前越来越多的采用微创钻孔引流的手术方式，这就需要术前进行精确的定位。尽管神经导航已成为一项成熟的辅助技术，限于基层医院财力、物力等客观因素，无法购置昂贵的设备，不能实现精准的神经导航。

3D-Slicer 软件是由哈佛大学和麻省理工学院联合开发的一个免费开源图像分析处理平台,操作相对简单,且支持功能扩展和改进[5]，在我国广泛应用于各类颅脑手术的术前评估、病变体表定位及精准穿刺。通过3D-Slicer软件对病人头颅CT、MRI二维影像进行三维可视化影像重建，将重建的图像融合后导入到手机Sina软件中,可以直观显示颅内病变及其周围组织的解剖结构,增加术前定位的准确性[6-7]。与传统手术计划相比，结果更加真实可靠。

在高血压脑出血病人的治疗中，本研究对21例高血压性脑出血病人的术前CT 数据资料应用 3D-Slicer 软件进行三维重建，均在较短时间内完成，在没有粘贴头皮标记物、额外进行 CT 扫描、导航信息注册等操作的辅助下，均准确到达病变位置。同时根据术前3D-Slicer软件重建结果，所有病例均成功避免脑功能区及重要血管结构的再次损伤，并且在一定程度上节省了手术时间。本文中图4、图5的病例经过3D-Slicer 软件重建后的图像可以清晰地显示肿瘤与颅内血管的关系，并在术中确证两者的毗邻关系，可以较好地评估肿瘤血供情况以及协助术前评估，并进一步指导术中规避功能区血管，避免损伤。采用3D-Slicer软件可以提高神经外科手术的精准性，节省手术时间及减少手术并发症。崔亚辉等[8]指出，对于形状不规则的血肿，运用传统的血肿估计方式及定位方式可能存在较大的误差，而采用3D-Slicer软件不仅可以有效提高对颅内血肿量估算准确性，还能在微创手术的精准定位上发挥重要的作用。

在颅内动脉瘤、颅内异物及脑肿瘤的术前准备评估中，借助于3D-Slicer软件的三维重建图像和手术模拟,还能让术者获取大量立体解剖信息，更清楚了解术区的解剖关系，从而树立术者的信心。术者可根据三维重建图像进行个体化手术入路的规划和设计，对于表浅的病变，可以规避脑功能区及重要血管结构的损伤，而对于深部的病变则可以实现精准的定位，提高手术成功率并减少手术并发症[9]。有学者指出，对于位于深部脑组织、血管分支复杂或存在较高变异的动脉瘤，3D-Slicer软件为临床上病变的定位及诊疗方案的制定起到更有效的指导意义[10]。另一方面，3D-Slicer软件能向临床医师、病人及家属呈现更加直观的手术方式及风险的解释，协助临床医师在术前谈话中关于手术方式和风险的告知，同时增加病患及家属的理解，从而避免因专业知识缺乏及理解不全面引起的焦虑及疑惑[9,11]。

3D- Slicer的出现，不仅降低了实现三维可视化影像的门槛，还改变了医生对传统二维影像的认知模式，直观的进行解剖学习，对手术进行术前评估，病变体表定位，引导精确穿刺等，从而使得广大基层医院的神经外科医生也能利用较少的资源进行更精准的微创手术。固然，传统定位方式及体表定位对于学习神经解剖及培养临床思维很重要。然而在未来，随着社会更全面的信息化及5G网络的普及，3D-Slicer将得到广泛应用并有可能替代传统定位方式。

本研究存在以下不足之处：(1)3D-Slicer 软件的模型重建需用到一定序列扫描,要想形成较为清晰的模型，需有较高质量的影像扫描数据，对部分基层医院及设备条件有限的单位则可能受到限制；(2)本研究为单中心研究，且样本量较少,尚需要多中心、大样本研究；(3)本研究仅通过术前扫描原始数据三维重建以提供术中定位指导，未联用术中CT、MRI 及导航等技术，无法进行术中精确的实时评估。

3D-Slicer 软件是一种可操作性强、便捷、功能强大的软件，在临床上已广泛被接受并应用于临床工作。术前通过应用3D-Slicer 软件可以为颅内病变手术提供精确、可靠的术中定位，更有效提高手术成功率，减少手术并发症。