Mimics 三维重建辅助术前规划在急诊开颅手术中的应用

刘先波，叶世阳，王登，赖丹

（江西省萍乡市人民医院神经外科，萍乡 337055）

颅内出血是常见的急危重症， 大量出血患者需急诊开颅清除血肿和去除骨瓣以挽救生命[1-2]。术前对出血部位的精准定位、 去骨瓣的位置和大小的规划以及手术路径选择是手术成功的关键。当出血位于深部脑叶、 基底节区和丘脑等较深部位时，术中血肿定位、骨瓣位置和大小的规划、手术路径选择困难， 而且急诊手术给予术者手术规划的时间有限， 因此寻求一种快速简便的术前规划方法尤为重要。 Mimics 软件可通过阈值分割、区域增长和三维重建功能快速构建三维模型集，用可透视化显示、模拟手术、精准定位等功能进行术前规划， 术中可360°观察三维模型及时修正手术路径，为急诊开颅手术提供快捷的术前规划平台。本研究将此方法应用于脑出血急诊开颅手术中，探讨此方法的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 病例来源于2019 年1 月至2020年12 月收治的53 例行急诊开颅手术的自发性高血压脑出血患者。 男38 例，女15 例。 年龄35～79岁，平均（59.70±9.01）岁。 出血部位：脑叶出血25例，基底节、丘脑出血25 例，小脑出血3 例。 大脑出血病例出血量在38～90 mL 之间，平均（58.18±11.53）mL， 小脑出血病例出血量分别为11 mL、13 mL、18 mL。GCS 评分：≤8 分34 例，9～10 分19 例。

1.2 方法

1.2.1 影像资料 因大部分患者病情紧急， 难以配合检查，CT 扫描过程中无需严格标准体位，扫描范围能覆盖整个颅脑即可，CT 影像能分辨血肿，尽量减少伪影形成，层距≤10 mm。

1.2.2 三维重建 开启Mimics 软件，导入Dicom 格式的CT 数据，应用阈值分割、区域增长和裁剪蒙版工具分别构建不同颜色的软组织、颅骨和血肿蒙版，对各个蒙版进行三维重建，生成三维模型集，应用编辑3D 蒙版工具对所生成的模型进行修正以满足术前规划需要。 Mimics 软件也可处理JPG 或JPEG 等格式数据， 但需人工输入层距和方向等信息。

1.2.3 术前规划 通过改变模型的可见模式和透明度，结合平移和旋转功能，在三维场景中360°观察软组织、颅骨和血肿模型的相互位置关系，遵循路径最短、避开功能区和富血管区为原则规划手术路径，用CAD 元件标记骨窗和手术入路等关键点。应用仿真割切工具在颅骨模型上行去骨瓣操作模拟手术，观察骨窗和血肿之间的相对位置关系，进一步修正手术路径，规划骨窗，使骨窗位置和大小既有利清除血肿，也可充分缓解颅内压力。 测量各关键点的位置，将骨窗位置标注在患者手术部位指导开颅手术。

1.2.4 开颅手术 根据骨窗和手术入路位置采取合适体位并设计手术切口， 切开头皮和皮下组织，按规划的骨窗位置和大小形成骨瓣，对于血肿位置较深，可于三维场景中开启骨窗和血肿视窗，通过平移和旋转功能全方位观察血肿与骨窗的相对位置，指导术中血肿定位和修正手术入路，快速精准地确定脑组织隧道的位置和深度，辅助血肿清除。

1.2.5 术后治疗 予以控制血压、抗脑水肿、护脑、预防消化道出血等治疗。

1.2.6 术前规划效果评估 统计术后血肿清除率，术前规划的骨窗位置与实际骨窗位置最大偏差大小， 术前规划的骨窗面积与实际骨窗面积之间的差异。

1.3 统计学分析 运用SPSS 22.0 进行数据统计与分析。计量资料比较采用t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 术前规划效果 53 例患者均在术前准备过程中利用Mimics 软件顺利完成术前规划， 未额外增加术前准备时间。 所有患者均在术前规划辅助下顺利完成手术， 术中通过可透视化三维模型集指导，均一次性形成脑组织隧道到达血肿腔，手术盲区少，术后未出现再出血病例。 术后CT 提示血肿清除率（92.25±5.37）%；术后实际骨窗位置与规划骨窗位置最大偏差距离在2.34～14.42 mm 之间，平均 （5.85±2.81）mm； 规划骨窗面积 （5601.67±2014.44）mm2， 实际骨窗面积 （5469.79±1906.86）mm2，两者比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 预后统计 所有病例术后6 个月随访GOS 评分，Ⅰ级：11 例（6 例为入院时GCS 评分在3～4 分的患者；5 例因家庭原因术后不久即放弃治疗，经回访确认死亡），Ⅱ级：3 例，Ⅲ级：19 例，Ⅳ级：18例，Ⅴ级：2 例。

3 讨论

在急诊开颅手术中，快速良好的术前规划可在有限的时间内，对患者的解剖结构以及手术过程有深入的了解，缩短手术时间，以最小的创伤达到手术目的。 以往术前规划只能将二维影像进行三维立体构思，不同术者存在理解差异，规划误差大。 现可利用有框架立体定向技术或无框架立体定向技术（神经导航技术）对颅内病变进行精准定位，前者在穿刺活检、电极植入等微创手术中应用广泛[3-4]，后者可辅助复杂颅内肿瘤、癫痫等高难度手术[5]，但操作技术和影像数据均有特殊要求，较难适应急诊手术，且仪器费用高昂，难以广泛推广。

很多学者应用相关软件进行术前规划， 如杨传鑫等应用三维可视化技术评估肝脏解剖和病理情况，规划肝切除、胆道镜取石术并指导现实手术获得良好疗效[6]。REN 等也通过三维可视化技术微创治疗大肝细胞癌取得良好效果[7]。 周翔等应用3D-Slicer 软件辅助定位颅内血肿进行血肿穿刺，有效提高穿刺精准度[8]。 多数三维术前规划针对择期手术，因急诊手术时间紧迫，要求术前规划有效且简便快捷， 部分学者即使用于急诊脑出血手术也仅限于稳定型脑出血的微创穿刺[8-9]，对急诊开颅手术的规划鲜有报道。

Mimics 软件在笔记本电脑上即可良好运行，不受场地限制，无特殊费用要求[10]。本研究将PACS影像系统和Mimics 软件安装于同一笔记本电脑上，患者完成急诊CT 检查后，可通过PACS 影像系统将CT 数据直接下载至电脑， 导入Mimics 软件进行三维重建，有效地简化数据传输。 该软件对CT 数据要求不高，层距在0.5～1 cm 之间，层数在20～40 之间，即可重建出良好的三维模型。 上述所要求的CT 影像数据量不大， 软件运行速度快，重建时间短，本研究术前规划基本在15 min 内完成。部分患者CT 扫描过程不能配合，不能按基线标准进行扫描，但只要扫描范围包括所需的解剖结构，并不影响软件的三维模型构建， 对存在移动伪影的影像数据，Mimics 软件还可通过手动分割阈值和3D 割切等功能进行降噪处理，见图1。

图1 术前CT 影像和3D 重建

Mimics软件在模拟手术和数据测量上有其独特优势，可对三维模型进行任意剖切和透视处理，在三维场景中全方位无死角地观察手术部位与周围解剖之间的毗邻关系， 对模型的各个关键点进行距离和角度等测量[11]。 本研究构建了颅骨、血肿和软组织的三维模型集， 通过调整合适透明度观察各模型的相互位置关系， 根据血肿位置规划骨窗位置和大小，位置关键点用CAD 元件标记，利用仿真割切工具在颅骨模型上切割形成骨窗， 通过调整视角，规划最优的骨窗位置和大小，用测量工具对关键点位置进行测量定位，见图2。 所构建的软组织模型可清晰地显示外耳、外耳孔、双眼、鼻根等体表标识， 可参照这些标识将模型上的关键点精准标注在患者体表。 将术后颅骨模型和规划的颅骨模型集进行融合发现，实际手术骨窗位置与规划骨窗位置最大偏差距离甚小，平均（5.85±2.81）mm， 两骨窗面积相比较差异无明显统计学意义（P＞0.05），见图3。 所有患者在规划的手术路径指导下，均一次性形成脑组织隧道达到血肿位置，手术盲区少，血肿清除率（92.25±5.37）%，血肿腔止血彻底，未出现术后再出血病例。 如为CT 薄层影像数据，术者还可构建清晰的脑组织三维模型，通过观察脑组织沟回、外侧裂等解剖结构，更精准地规划脑组织隧道位置。

图2 术前规划

图3 术后与术前对比

本研究中， 在部分病例中将构建的三维模型集组合成装配体， 用小型投影仪将三维影像投射到手术部位，希望获得实时导航目的[12]。 但实施中发现，投影仪的投射距离和位置难以掌握，耗时且需专人操作， 因此本研究用笔记本电脑在手术过程中直接显示规划好的三维模型集， 术中可根据需要随时观看并测量相关解剖数据， 同样可起到定位和导航的目的。

综上所述，Mimics 三维重建技术可快速有效地完成急诊开颅手术的术前规划， 设计最优手术路径，通过三维模型集直观地指导术者完成手术。该方法简单快捷，无特殊设备和费用要求，值得推广。