3D Slicer三维重建技术在脑功能区肿瘤手术治疗中的应用价值

贤俊民 陈凤月 孙晓妍 杨志国 时黎明 苗 磊 丰育功

目前，精准神经外科的中心思想是“病变去除最大化，功能保留最大化，手术效果最佳化，让病人以最佳状态回到社会生活中”[1，2]。为更好地符合目前这一精准医学思想，我们利用3D Slicer 软件重建脑组织结构与肿瘤的三维模型，指导手术治疗脑功能区肿瘤60例，取得良好的效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2017 年9 月至2021 年12月手术治疗的39例中央区脑膜瘤、21例中央区胶质瘤的临床资料，其中男38 例，女22 例；年龄18～76岁，平均（57.5±11.7）岁。癫痫发作14 例，头昏、头痛、头晕48例，一侧肢体运动、感觉障碍43例。

1.2 纳入标准①本研究符合《赫尔辛基宣言》原则，病人或家属均知情同意并签署知情同意书；②术前临床资料、影像学检查和实验室检查资料完整；③入院后进行三维磁化强度预备梯度回波序列（three di⁃mensional magnetization prepared rapid acquisition gra⁃dient echo sequences，3D-MPRAGE）、三维对比增强磁共振静脉成像（three-dimensional contrast-en⁃hanced magnetic resonance venography，CEMRV）+三维时间飞跃法磁共振血管成像（three dimensional time of flight magnetic resonance angiography，3DTOF-MRA）及其他检查，排除手术禁忌症；④三维重建模型进行肿瘤与重要静脉及脑功能区的关系情况评估，显微镜下切除病变；⑤手术录像清晰且完整；⑥以术中观察情况为金标准评估三维模型图像判断肿瘤的形态特征[3]。

1.3 排除标准①既往有脑出血、严重脑挫伤、脑部手术史或放疗史；②静脉血栓、脑血管畸形，或其他影响静脉解剖形态或者血流动力学的颅内疾病。

1.4 影像学检查 采用3.0T MRI机，根据常规矢状位定位像，从颅顶至颅底行常规扫描（T1WI、T2WI）、增强扫描及CEMRV 扫描（对比剂为钆特酸葡胺注射液，采用高压注射器经肘前静脉注入，注入射流率2.5 ml/s）。扫描参数：TR=3.34 ms；TE=1.23 ms；体素1.2 mm×1.1 mm×1.2 mm；翻转角25°；矩阵512×512；视野475 mm×350 mm；扫描时间23 s；层厚0.9 mm。将3D-MPRAGE、CEMRV和3D-TOF-MRA原始序列数据设置为DICOM格式。

1.5 三维模型的重建方法 打开医院影像系统，查找目标病人的影像，以DICOM格式存储，在3D slicer软件界面利用MRI、3D-MPRAGE、3D-TOF-MRA 和CEMRV 序列数据重建脑组织结构与肿瘤组织的3D图 像：运 行3D Slicer 软 件，进 入Segment Editor、SwissSkullStripper 等模块，在Master volme 栏中选择MRI、3D-MPRAGE、3D-TOF-MRA 和CEMRV 的DI⁃COM数据，进行三维重建（图1A、1B），从各个方向和任意角度观察肿瘤的位置、形态结构、肿瘤与大脑浅静脉、上矢状窦及大脑皮层的关系[4]。

1.6 手术方法 在患侧头皮标定外侧裂及中央沟的位置，根据多模态影像三维重建测量所得的数据标定病变的体表投影位置，以病变的体表标定为中心，选取倒“U”形切口，保证肿瘤体表投影位于骨瓣中央。弧形剪开硬脑膜，基底位于上矢状窦侧，对侧“瓣状”剪开，沿中央后沟切开蛛网膜及软脑膜，钝性分离大脑浅静脉并用湿棉片覆盖、保护，在显微镜下切除病变。术中尽量避免蛛网膜下腔出血，尽量减少电凝，以棉片、明胶海绵压迫止血为主，同时配合应用生理盐水冲洗创面止血。

1.7 影像判读方法及观察指标2名高年资神经外科医生观察手术录像，判断中央区浅静脉的形态构成、走行方向及与肿瘤的位置关系；由2 名高年资影像科医生对多模态影像三维重建进行分析判断；2名医生意见不一致时，讨论后确定。术中根据中央前回“手结”呈“ω”形或倒“Q”形[5]判断中央沟。

1.8 统计学方法 采用SPSS 19.0软件分析；采用Kap⁃pa 系数检验三维重建模型和术中所见的一致性，≥0.75 为一致性较好，0.40～0.75 为一致性中等，<0.40为一致性较差；以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 对肿瘤形态特征的评估结果42 例三维重建模型评估结果与术中所见一致，其中脑膜瘤38 例，胶质瘤4 例；18 例不一致，其中胶质瘤17 例，脑膜瘤1例。胶质瘤的评估一致性差（Kappa 系数为0.414，P>0.05），脑膜瘤的评估一致性较好（Kappa 系数为1.000，P<0.001）。见图1C～F。

2.2 对肿瘤位置的评估结果60 例三维重建模型评估结果与术中所见均一致，三维模型的评估准确率为100%（60/60），胶质瘤和脑膜瘤的评估一致性均较好（Kappa系数均为1.000，P<0.001）。见图1G。

2.3 对肿瘤与大脑浅静脉的关系的评估结果60 例三维重建模型评估结果与术中所见均一致，其中静脉被肿瘤包裹8 例，静脉在肿瘤的上、下面24 例，静脉在肿瘤的前、后面28 例；三维模型的评估准确率为100%（60/60），脑膜瘤、胶质瘤的评估一致性均较好（Kappa系数为1.000，P<0.001）。见图1H。

2.4 对肿瘤与上矢状窦的关系的评估结果60 例三维模型评估结果与术中所见均一致，位于上矢状窦下方或一侧且未侵入上矢状窦21例，侵及上矢状窦壁17例，侵入上矢状窦22例。三维模型的评估准确率为100%（60/60），脑膜瘤、胶质瘤的评估一致性均较好（Kappa系数为1.000，P<0.001）。见图1I。

3 讨论

3.1 3D Slicer 三维重建模型对脑功能区肿瘤手术的指导意义 虽然，显微解剖、DSA、MRV、CTV、超声等均可为制定术前静脉保护计划提供比较详细的中央区浅静脉的形态学依据，但是这些方法的作用有限，无法真正达到对病变的精确体表定位，很难使术前皮瓣的设计、骨窗大小、硬脑膜切开大小、大脑浅静脉保护方法的设计达到最优效果[6～8]。3D Slicer三维重建模型的优点体现在：①3D Slicer 可以利用影像学的原始资料重建出脑组织、肿瘤、静脉、动脉甚至颅骨模型并进行融合，并把不同的模型分别赋予不同的色彩，使其有良好的对比度及可视性；②选择3D Slicer 中Segment Editor 模块的scissor 工具对3D模型进行去杂处理，使其有更强的立体感、层次感，更有利于术前对病变、脑功能区及大脑浅静脉的评估；③可根据术前评估的需要对模型范围进行裁剪，只保留脑组织、病变、静脉、动脉所在区域，排除其他解剖结构的影响，易于判断不同结构各个方位的位置关系，有利于皮瓣设计，利于骨窗大小、硬脑膜剪开方式及静脉术中保护方法设计；④使用3D Slicer中的curv、ruler 工具可以对静脉及肿瘤的位置进行定位，避免皮瓣、骨窗、硬脑膜切开范围不必要的扩大，术中可避开或者留意静脉走行及脑功能区位置，减少手术中静脉及脑功能区的损伤。

3.2 3D Slicer 三维重建模型的临床应用 我们应用3D Slicer 三维重建模型指导手术，评估三维重建模型与术中所见一致性，结果显示：对肿瘤与大脑浅静脉的关系（肿瘤对中央区浅静脉的侵蚀导致中央区浅静脉被肿瘤包裹、推挤或是大脑浅静脉与肿瘤没有直接接触，肿瘤将静脉包裹；静脉在肿瘤主体的上或下面；静脉在肿瘤主体的前或后面）、肿瘤与上矢状窦的关系及肿瘤对上矢状窦的侵蚀情况（肿瘤位于上矢状窦的下方或者一侧，未侵入上矢状窦；肿瘤侵及上矢状窦壁；肿瘤侵入上矢状窦内）、肿瘤位置的评估结果与术中所见具有较好的一致性。这与Bozzao 等[9]报道一致。这表明3D Slicer 三维重建模型能提供更详细的中央区静脉与病变关系的信息，做出更好的术前计划，更有利于个体化手术入路的设计。但是，对于肿瘤形态学特征的评估，脑胶质瘤的评估一致性较差（Kappa系数为0.414，P>0.05），考虑为脑胶质瘤与脑组织的边界不清，MRI 信号相近所导致。神经导航系统可提供术中动态跟踪、实时导航，准确、直观，有助于提高手术疗效，降低手术并发症的发生率[10]，但是它需要昂贵的神经导航设备，且要专人去操作导航系统，不利于在基层医院开展。

总之，3D-Slicer 三维重建模型在脑功能区肿瘤手术治疗中具有较高的应用价值，可清晰显示脑组织、脑动脉、脑静脉、肿瘤组织，并三维可视化，对脑组织、大脑浅静脉、动脉及肿瘤的解剖关系进行多方位、多角度的观察，进行个体化的术前设计，更好地保护大脑浅静脉及功能区脑组织，从而最大化地切除肿瘤，减少术后并发症。