三维重建技术在颅底手术教学中的应用效果分析

高珂 崔波

颅底手术是神经外科难度最大、风险最大的手术，重要的血管神经汇聚于此，术后并发症较多，年轻的神经外科医师很难掌握手术技巧，其中至关重要的因素就是复杂的颅底解剖结构[1-3]。传统教学术前对颅底肿瘤的评估主要靠头颅计算机断层扫描（computer tomography，CT）、磁共振等常规术前影像资料[4-6]，例如：CT 可以了解颅骨情况，计算机断层扫描血管造影（computed tomography angiography，CTA）可以了解动脉、静脉的走形及肿瘤的关系，磁共振可以掌握肿瘤的位置、大小、质地等情况。但常规的影像学资料仅能呈现二维空间，无法立体地展示出复杂的颅底结构，年轻医师就很难想象三维解剖结构，在教学过程中解剖结构的理解成为授课瓶颈[6-7]。而三维重建技术能够更真实地反映颅底解剖结构，尤其肿瘤与血管、神经结构的关系[8-9]。本研究将通过三维重建技术将患者的术前影像资料进行多模态融合，并用于颅底手术的教学中，对比年轻医师在传统教学模式和基于三维重建技术的教学方式中的学习效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

纳入2020 年1 月—2021 年12 月在西安交通大学第一附属医院神经外科颅底肿瘤中心轮转的培训人员44 名作为研究对象，男性31 名，女性13 名，年龄25～35 岁，平均（29.2±1.2）岁，其中在读博士研究生7 名、在读硕士研究生19 名、进修医师18 名。通过报名顺序的单双数，将44 名培训人员分为对照组和观察组，各22 名。分组后两组学员的性别、年龄、学历、临床工作年限比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性，见表1，且研究对象对本次教学研究有知情权。

表1 两组一般资料对比

1.2 方法

1.2.1 三维重建技术

基于患者术前多模态影像学检查，包括CT、CTA、磁共振、增强磁共振等；CT 及CTA 采用64 排扫描（西门子SOMATOM go.Top），层厚为1 mm；造影剂使用碘海醇（350 mgI/mL）或欧乃影（15 mL：4.305 g），磁共振扫描采用1.5 T（西门子MAGNETOM ESSENZA Galaxy），层厚为1 mm。使用三维重建Slicer 软件，将患者术前影像数据进行三维重建。颅骨使用CT 重组，动脉使用CTA 重建，静脉使用磁共振静脉造影（magnetic resonance venogram，MRV）重建，肿瘤使用增强磁共振重建[10-12]。将术前扫描的原始影像数据下载并导入三维Slicer 软件，通过相应模块完成重建，从而完成颅底结构的三维模型，进一步模拟正常的颅脑解剖以及手术入路等，并且术前评估肿瘤性质、周围神经、血管等情况[13-15]。

1.2.2 对照组

采用传统教学方法：典型病例授课，如嗅沟脑膜瘤。教学查房前，通知学员复习嗅沟脑膜瘤的影像学特点，嗅神经、视神经、颈内动脉、大脑前动脉，鞍区等解剖结构特点，鞍结节、鸡冠等解剖结构标志。正式授课由副主任以上医师授课，每个病历分3 次授课，解剖结构讲解30 min，影像学讲解30 min，手术录像讲解30 min，通过这三部分的授课使学生从正常解剖结构到异常影像再到手术技巧及周围神经血管的毗邻关系逐步深入了解，每个典型病例授课共计90 min，共5 例典型病例，授课时长共计450 min。

1.2.3 观察组

采用三维重建可视化教学：在传统教学方法的基础上加入三维重建模型。授课仍为分为3 个部分，解剖结构讲解30 min，影像学讲解30 min，手术录像讲解30 min，不同的是3 个部分课程的内容均有三维重建模型的展示。例如嗅沟脑膜瘤的授课，将患者的磁共振及CTA 资料通过Slicer 软件合成为3D 可视化模型，在解剖结构讲解时，学员们直观地观察嗅沟脑膜瘤具体解剖位置，学员们可以在计算机上随意旋转、放大，改变肿瘤与血管、神经的配色，从而更加清晰地了解肿瘤与周围血管、神经的相对位置关系，影像学讲解时可以将三维重建模型的截图于磁共振平扫对比，更详细地分析磁共振上不同信号所代表的解剖结构，从而更清楚地掌握磁共振的图像于现实解剖结构的对应关系；在手术录像讲解时，通过三维重建模型模拟手术入路，通过不同手术入路的讲解，对比不同手术入路的优缺点，了解不同手术入路的难易程度，包括肿瘤的暴露范围，血管、神经对肿瘤的遮挡情况，甚至开颅的骨瓣大小，切除肿瘤时处理周围神经血管的技巧等实际的手术方法，从而进一步理解掌握手术技能。

1.2.4 教学病例

本研究选取了5 例典型的颅底肿瘤患者作为对照组和观察组共同的教学内容，分别为：鞍结节脑膜瘤（图1A、B）1 例，垂体瘤（图1C、D）1 例，三叉神经鞘瘤（图1E、F）1 例，枕骨大孔区脑膜瘤（图1G、H）1 例，颈静脉孔区神经鞘瘤（图1I、J）1 例。

图1 典型病例三维重建示意图

1.3 观察指标

效果评估指标包括理论考试（客观指标）和自我评价（主观指标）。理论考试围绕颅底肿瘤的病因、流行病特点、临床表现、影像学特点、鉴别诊断、治疗方法、手术入路等角度出题，满分100 分，0～59 分为不及格，60～69 分为及格，70～84 分为良好，85～100 分为优秀。自我评价是通过调查问卷的形式，采用匿名方式，让学员判断经过不同方式的授课，自身感受如何、知识的接受程度如何、能力的提高情况、疾病的理解及手术的自信程度等方面进行自我评价，总分30 分，分为三档：0～10 分无收获；11～20 分有所收获；21～30 分收获很大。

1.4 统计学方法

采用SPSS 22.0 统计学软件对数据进行分析。符合正态分布的计量资料以（）表示，组间比较采用t检验；计数资料以n（%）表示，比较采用χ2检验或Fisher 确切概率法。以P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组理论考试结果分析

总分100 分的理论考试中，22 名观察组学员平均成绩为（78.5±8.2）分，对照组学员平均成绩为（69.3±9.6）分，差异有统计学意义（t=3.418，P=0.001）。根据成绩划分为不同层级，观察组中不及格1 名，及格8 名，良好9 名，优秀4 名；对照组中不及格3 名，及格15 名，良好4 名，优秀0 名，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 两组理论考试结果比较（名）

2.2 两组自我评价结果分析

观察组和对照组学员完成授课后，从解剖知识、影像解读、手术入路制定等方面进行自我评价，获益程度有所不同。观察组中自我评价为无收获0 名，有所收获10 名，收获很大12 名；对照组中自我评价无收获6 名，有所收获14 名，收获很大2 名，两组间的自我评价差异有统计学意义（P＜0.05），见表3。

表3 两组自我评价结果比较（名）

3 讨论

神经外科颅底肿瘤手术被称为外科手术中的皇冠，之所以有如此高的地位，主要是因为颅底的重要结构复杂而又密集，包括颅神经、血管、脑干等，任何一根血管或者神经受损，术后将出现不可逆的损伤，给患者带来无尽的痛苦。因此颅底手术的术者需对周围正常解剖结构了如指掌。除此之外术者对肿瘤性质的了解程度也很重要，这就需要术前影像学资料提供一些重要的信息，例如肿瘤的生长特点、生长方式、肿瘤质地、血供情况等，这些信息对手术入路的选择和手术策略的指定都起到至关重要的作用。然而年轻医师想要学习掌握这些，仅靠二维空间的呈现是非常困难的。为提高年轻医师的学习效率，更直观地展现出颅底肿瘤周围复杂的解剖关系，本研究提出的新的教学模式是在传统的典型病历授课的基础上，加入三维重建技术，使年轻医师更直观地了解局部解剖知识，快速地掌握肿瘤特征，更合理地制定手术入路和手术方案。

目前常见的三维影像处理软件包括RadiAnt DICOM Viewer，Multi-image Analysis GUI，3D Slicer 等，但每个软件都有各自的优缺点。RadiAnt DICOM Viewer 软件是一款由波兰人开发的关于医学影像的 PACS DICOM 浏览器[16]，软件提供了直观操作性能，可以满足医学人员对图像常规的查看、3D 重建等操作，缺点是软件需付费，对计算机硬件要求较高。Multi-image Analysis GUI 软件是由Jack L.Lancaster 博士等人开发的免费软件[17-18]，优点是可以兼容各种格式的影像资料，但该软件开发的功能相对单一，三维重建后没有太多的可操作空间。3D Slicer 软件（简称Slicer）是一款开源、免费和可扩展的医学图像处理和可视化的分析应用平台[19-21]，最早由波士顿布里格姆妇女医院和麻省理工学院联合开发，是可用于神经外科手术引导治疗、可视化和分析的系统，经过十几年的发展，Slicer 已经成为一种不仅能够应用于各种临床和临床前的研究，还能够用于非医疗图像分析的综合平台[22-24]。本研究通过Slicer 将患者皮肤、骨质、血管、脑组织、肿瘤进行三维重组，能够满足神经外科医师术前了解肿瘤周围结构、选择手术入路的需求，同时为颅底手术教学提供了最佳平台[25-26]。

本研究通过Slicer 软件对颅内肿瘤患者影像资料进行三维重建，立体直观地呈现出颅底复杂的解剖结构，并将其运用到年轻医师的培训中，能使培训人员更加直观地了解肿瘤周围的重要神经血管结构，有助于年轻医师进行手术演练，锻炼手术技能。更重要的是，该教学模式把抽象的解剖知识转化为具体、直观的三维立体图像，加深学员对课本知识的理解，并运用到手术入路、手术技巧当中。本研究结果显示，观察组考核成绩明显优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），也就是说三维重建教学方式相对于传统的教学有助于学员对解剖、影像、手术等理论知识更好地理解、记忆。另外，本研究通过调查问卷的方式对培训人员进行自我评价，几乎全部观察组学员均认为增加三维重建的教学方式更有助于提高学生自身基础解剖知识、影像解读能力、手术入路制定以及手术技巧的掌握等。但需要重申的是三维重建教学模式想要取得有效的培训结果，也要强调扎实的基础理论知识的重要性，二者并不矛盾且相辅相成。因此，在三维重建教学的同时不能忽视学生的基础知识培训以及临床实践机会。总之，本研究认为通过Slicer 软件重建颅底结构后，为年轻的神经外科医师学习、了解颅底肿瘤及其周围复杂的解剖结构提供了更加准确、真实、直观的视觉感受。