3D Slicer 软件测量侧脑室体积准确性探讨

张 逵，罗 波，谢国强

侧脑室体积的大小,对于诊断交通性、梗阻性脑积水和脑萎缩等具有重要的参考价值, 也是观察病情的发展和评价疗效的量化指标。 侧脑室位于大脑半球的深部,左、右各一,呈“C”形腔室,由于侧脑室形态不规则、个体差异大,临床一直在寻找测量活体侧脑室体积的准确、实用方法[1-4]，目前临床上一般采用人工点计数法(手工法)测量侧脑室体积[5]。3D Slicer软件是美国哈佛大学外科手术计划实验室开发的一款开源、免费的医学图像处理软件,本研究将3DSlicer用于临床实践中, 发现该软件测量侧脑室体积较传统的手工法,更加精准,现报道如下。

1 资料与方法

1.1 病例资料 收集医院神经外科2020 年10~11 月就诊的住院患者104 例， 其中男 48 例, 女56例,年龄 15～89(56.5±18.5)岁。 头部 CT 检查:采用德国西门子SOMATOM Definition Flash 双源CT 扫描机进行扫描。体位:仰卧位。扫描范围:自下而上整个颅脑。 扫描参数为：管电压120 kV，管电流190 mA，矩阵512×512。 扫描完成后对图像进行重建,通过院内医学影像存档与通信系统(PACS),同时将层厚0.6 mm层间距0.6 mm 薄层扫描数据、 层厚0.7 cm层间距0.7 cm 数据传输给临床。 排除标准：（1）CT扫描图像有伪影或模糊感。 （2）某些可能影响侧脑室体积的病突变, 例如第五脑室和侧脑室内蛛网膜囊肿。 CT 影像显示侧脑室形态正常者55 例,异常者49 例(脑肿瘤 10 例、脑出血 15 例、脑萎缩 11 例、交通性脑积水8 例、外伤性脑肿胀2 例、其他3 例)。

1.2 测量方法 测量工作由两位神经外科专科医生完成,均参加过3D Slicer 培训班学习,并掌握体视学原理,两名医生分别采用3D Slicer 法、手工法计算侧脑室体积,取两者平均值为最终测量值。（1）3D Slicer 法：登录 https://www.slicer.org,下载 3D Slicer 软件安装在64 位Win10 电脑中,内存至少8G。 打开3D Slicer 软件 (4.10.2 版), 导入薄层扫描数据, 依次点击Volumes,CT brain,Modules,Editor,Pain Effect,Threshold Paint,Threshold 设置阈值为(-19～19)显示侧脑室,点击Sphere 涂抹各层侧脑室使之完全染色(图1),点击Erase Label 去除侧脑室外的染色, 点击Make Model Effect,Apply,Models,Information, 即在窗口呈现侧脑室精确体积(图 2)和三维结构(图 3)。 （2）手工法：制作测量工具,即由若干相等小方格组成的体视学测格,测点(方格直线的交叉点)关联特定的面积,即边长(在此为0.5 cm)的平方。 运行常用的图像软件Photoshop,依次点击编辑、预置、参考线网格和切片,导入层厚0.7 cm 数据, 即呈现脑窗图像及叠加在图像上的测格(图 4、图 5)。 依照体视学 Cavalieri 原理[5-7],侧脑室体积(V)=∑P·a(p)·t,∑P 为落于侧脑室上的测点总数,a(p)为测点代表的面积,t为层厚。 手工计数∑P,代入公式 V=∑P×0.5 cm×0.5 cm×0.7 cm。

1.3 观察指标 记录并比较3D Slicer 法、手工法体积测量结果,测量每例所耗用时间。

1.4 统计学方法 应用SPSS 19.0 统计软件分析。 采用Kappa检验评价两位测量结果的一致性,Kappa值 0.41～0.60 表示一致性强度为中度,0.61～0.80 表示高度一致,0.81～1.00 表示几乎一致。 配对资料经过正态性检验发现数据非正态分布, 计量资料以中位数(四分位间距)[M(P25,P75)]形式描述,采用Mann-Whitney U检验,以P＜ 0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两位观察者数据的一致性比较 3D Slicer法测量体积时一致性为极强(Kappa=0.812),手工法为中度(Kappa=0.558);平均耗时,3D Slicer 法为中度(Kappa=0.511),手工法为极强(Kappa=0.842)。 说明两位观察者的数据一致性较高。

图1 3D Slicer 侧脑室三维重建

图2 3D Slicer 计算体积在红色框内显示为256.37865 ml

图3~5 3D Slicer 法与手工测量侧脑室体积

2.2 3D Slicer 法测量侧脑室体积 测量范围在9.08～286.69 ml 之间, 手工法范围在 4.03～305.55 ml之间,两种方法U检验,差异有统计学意义(P＜0.05,表 1)；3D Slicer 法耗时,范围在 1.17～23.20 min 之间,手工法在 0.67～25.5 min 之间, 两种方法U检验,差异无统计学意义(P＞ 0.05,表 1)。

3 讨论

在神经内外科的诊断和治疗中, 常涉及侧脑室,如阿尔茨海默病、先天性脑积水、梗阻性脑积水、侧脑室肿瘤、高血压性脑室出血等。还有涉及侧脑室的操作,如侧脑室外引流术、侧脑室腹腔分流术、侧脑室肿瘤切除术、神经内镜手术治疗脑室出血等。侧脑室的大小成为重要的参考指标, 侧脑室是一个不规则几何体, 线性指标过去常用来描述侧脑室的大小,例如 Evan's 指数(EI)、侧脑室额角宽度(FHW)、侧脑室指数(BI)等。但是线性指标不能直接反映侧脑室体积大小, 使用线性指标判断一些疾病存在较大局限性。 并且线性指标有着自身的缺陷,同次CT 的不同层面,不同次数的影像,侧脑室测量结果可能会有较大差异。 3D Slicer 软件利用CT 扫描的原始DICOM格式数据,应用Editor 模块设置阈值范围,常规体积渲染法, 进而实现侧脑室的三维结构重建和体积计算,体积大小可统计到小数点后5 位。

本研究结果发现,3D Slicer 法与手工法计算得到体积结果有明显差异(表1)。3D Slicer 法的结果更加准确,与3D Slicer 法完全满足了以下3 个体视学基本要求有关：（1）均匀随机抽样原则[8-10]。 CT 扫描是对全部颅脑扫描, 在均匀随机的位置上对器官采样,层厚层距固定,得到等距连续平行截面。 （2）足够的样本含量原则。 误差系数的大小与截面总数,即样本含量有关,随着截面总数的增加,误差系数总的趋于减少。 形状不规则的结构如大脑皮层、线粒体、睾丸组织、颅内血肿,总共不需要多于10 张的等距切片即可使体积估计的平均误差系数不>5%[5,11]。 笔者曾统计50 例正常人在层距1 cm 层厚1 cm CT 扫描图像上所得到的侧脑室层面数为2 层的2 例(4%),3层的 32 例(64%),4 层的 16 例(32%)[5],目前 CT 机已普遍能做层距0.1 cm 层厚0.1 cm 扫描,可获得的层面总数可达三、四十层,病理性扩大的脑室会获得更多的层面。 如果用薄层扫描数据,手工法测量侧脑室体积时,工作量大、耗时长,并易受操作人员主观因素干扰,在临床中实际难以开展,故无临床实用价值,这也是本研究中手工法不采用薄层数据的原因。在临床实际工作中, 多数医院的医生最常用的是层距1 cm层厚1 cm CT 扫描图像观察脑结构, 本研究采用的是影像部门传输给临床的常规图像, 即层距0.7 cm层厚0.7 cm 数据,正常侧脑室只得到大约5～6 个层面,3D Slicer 法至少可得数十个层面, 手工法与3D Slicer 法之间的相对误差值偏大(图5)。降低人工测量误差的根本是： 增加截面数——希望能有10 个左右,但如上所述理由,用层距 0.7 cm 层厚0.7 cm 数据难以做到。 3D Slicer 法是将研究对象切割成近百个截面,由电脑进行大量数据计算得到体积结果,手工法是将研究对象切割成几个截面,人工统计测点,通过简单的计算得到体积估计结果, 这是两者的本质区别。（3）足够的测点总数。选择足够大的参照面进行测试比选择测格重要得多, 即测点代表的面积越小,结果越精确。 体视学认为,在均匀抽样及适当抽样间距的前提下, 所测结构内总共计数最好能接近或达到100～200 测点, 可得到可靠估计器官的体积[11-12]。但是笔者在临床工作中感到手工法测量侧脑室体积, 用测格边长为CT 图像上比例尺0.5 cm 刻度,Photoshop 图像放大至满屏,已接近肉眼辨别的极限,易看错数错,大多数形态正常侧脑室的测点总数远少于100 个。故体视学多用于微观结构的分析,常常将包埋切片放大12～400 倍条件下运用,甚至需要体视显微镜(立体显微镜)观察,在电脑显示屏上最后放大倍数达2240[13]。

表1 3D Slicer 法与手工法的比较[M(P ,P ),n=104]指标 3D Slicer 法 手工法 统计值 P 值体积(ml) 29.15(12.57，79.21) 36.56(9.10，96.43) Z=-3.291 0.001耗时(min) 6.97(3.57，19.45) 5.47(2.13，16.00) Z=-0.833 0.405

3D Slicer 软件利用头颅CT 扫描原始数据,可从横断面、矢状面、冠状面逐层描绘侧脑室截面,对脑组织各个结构进行三维重建, 并依据每个层面面积与CT 薄层扫描层厚计算体积, 不受被测物结构形状及部位影响, 充分满足了上述3 个体视学基本要求,对形态不规则、个体差异大的侧脑室尤其适合,测量可重复性高,结果真实精确[14-17],并且三维图像还能任意角度旋转, 能提供侧脑室形态及受压变形提示。对于形态不规则的侧脑室,手工法不能满足以上所述体视学后两个要求,故准确性非常低,无法满足临床对活体器官组织的无创性测量。

本研究结果发现,3D Slicer 法与手工法均在几分钟内即可完成测量工作。 3D Slicer 法用时主要有两处,一是点击Sphere 必须从轴位、矢状位、冠状位涂抹各层侧脑室, 才能避免遗漏; 二是需用Erase Label 功能仔细擦除侧脑室周边的渗透水、 软化灶、三脑室图像,测量病理性侧脑室用时耗时较多,对于形态正常侧脑室,脑室显示清晰、脑室壁略光滑,这道操作程序只占用极少时间, 熟练医生可在几分钟内完成整个体积测量工作[18]。 3D Slicer 法全程用鼠标点击、3D 图像形象还能提供一些解剖信息供临床参考,测量过程有一定“趣味性”,不易产生疲劳。 手工法用时主要有两处,一是看错行数,需再次计数,为避免数错,不得不减慢速度;二是测点总数多时耗时多,易致测量疲劳或厌倦,计数过程中可能难以记住[10],尤其脑积水时本组测点总数最高达1746 个,整个测量用时25.5 min。

总之,精准、快捷、简便的测量技术是形态定量的发展方向[19-20],也是临床的需求,手工法因测量方法不能满足体视学要求, 得到的结果并不可靠,3D Slicer 软件自动对大量数据进行计算、 准确地测量侧脑室体积,快捷易得,有临床实用性。