一種利用matlab軟件定位基底節腦出血穿刺點的方法

李濱 董自平 劉秋成 閆麗紅 范振增 王潤輝 雷學

·綜述與講座·

一種利用matlab軟件定位基底節腦出血穿刺點的方法

李濱 董自平 劉秋成 閆麗紅 范振增 王潤輝 雷學

CT;MATLAB;腦出血；基底節區；定位；眶耳線；三維坐標，手術，穿刺，鉆孔

基底節區腦出血目前是國內神經外科的常見病和多發病，占神經外科手術的相當大的比例，尤其是基層醫院[1]，而目前基底節區腦出血多數的手術方案為穿刺引流或穿刺抽吸術。該類手術的術前穿刺定位是手術成功的關鍵。如何精確的定位穿刺點，是大多數神經外科醫生術前最為關心的一步[2]。目前精確定位的立體定向和三維立體定向均因各種因素，未能在此類手術得以推廣，而目前的粗略估算方法容易產生較大誤差，所以臨床經常可以看到基底節區腦出血穿刺位置不理想的情況[3]。所以，神經外科手術目前迫切需要一種簡單有效的腦出血穿刺定位方法。針對上述情況，本文利用CT工作站，獲取部分體表標志和穿刺中心的三維坐標值，因為上述各點的實際三維空間關系固定，經過MATLAB的數學運算，得出以出血側外耳門為原點，眶耳線為X軸的擬手術坐標系下的靶點新坐標數據，給手術穿刺定位提供參考方案。

1 實現原理

在腦出血手術前，神經外科醫師面對患者頭顱，其手術實際默認的穿刺坐標系如圖1所示：

以病灶側外耳孔為原點O，眶耳線為X軸，對側外耳孔和X軸組成XOY平面，Y軸為該平面垂直于X軸，經過原點的垂線，Z軸為垂直于XOY平面且經過原點的垂線所構成的三維坐標系。該擬合手術的三維坐標系的缺點是眶耳線與X軸的關系，由于眶耳線是一條假想直線，向內傾斜，與縱裂不平行，實際是穿行于“皮肉之間”的假想直線，手術前畫在患者皮膚上的眶耳線實際也是一條顴弓區近似直線，外眥區為弧形的曲線，經過測算，顴弓區的近似直線部分與縱裂平面基本平行，誤差約為5%，所以我們需要對由外耳門和外眥點為X軸建立起的三維坐標系稍作旋轉校正，使眶耳線平行于縱裂平面，這樣坐標系才是符合臨床醫師思維和定位要求的坐標系，易于立體的把握靶點的位置。

圖1 手術坐標系

在已掃描的患者的CT數據中，患者的頭部影像數據可以看做是一個矩陣，每個點都有固定的三維坐標值。這其中就包括我們手術所需的外耳門、外眥、血腫穿刺中心點、縱裂等各種數據。它們的具體的空間結構關系是固定的，只不過每個點的值無法直接為臨床手術定位服務。若把原CT掃描的坐標系調整成為我們手術擬合的坐標系下，那穿刺點的三維坐標值會跟著變動，其新三維坐標值就是在手術坐標系下各象限的具體位置，定位會十分容易和準確[4]。

2 操作方法

2.1 各點的選擇 從CT工作站獲取出血側外耳門、出血側外眥、對側外耳門、血腫穿刺中心點、縱裂的額部和枕部各隨意兩點。我院的CT工作站為GE公司的64排CT以及AW4.2，CT掃描厚度為5 mm，在工作站進行重建后，在立體位、水平位、矢狀位和冠狀位四種圖像上互相參考，在其中獲取出血側外耳門、出血側外眥、對側外耳門、血腫穿刺中心點、縱裂的額部和枕部各隨意兩點(矯正用)，每個點的坐標在四種圖像上可相互參考和印證。各靶點選擇時盡量在重建的冠狀位和矢狀位圖或立體圖像上選擇，數據會更加準確。圖像上的選擇過程如下圖2、3所示。

圖2 外耳門和外眥點的選擇

圖3 血腫穿刺中心及縱裂的額、枕部各隨意兩點的選擇示意圖

將上述六個點的三維坐標記錄下來。其坐標值為L(R),A(P),S(I),可以記錄為L、A、S為正值，R、P、I為負值，分別對應記為X軸,Y軸,Z軸坐標。

2.2 坐標值的轉化 將上述六點分別代入MATLAB的已編好的程序中，具體程序見下：

clear

format long

% 此處輸入需要作為原點的點坐標(出血側外耳門)

x1=*;

y1=*;

z1=*;

% 此處輸入需要作為x軸上點的點坐標(外眥點)

x2=*;

y2=*;

z2=*;

% 此處輸入需要作為xOy平面上點的點坐標(對側外耳門)

x3=*;

y3=*;

z3=*;

% 此處輸入需要作為任意點的點坐標(穿刺血腫中心點)

x4=*;

y4=*;

z4=*;

% 下面輸入兩個校正用的點坐標

% 注意第五個點和第六個點不要重合！

% 第五個點為點E(縱裂的額部點)

x5=*;

y5=*;

z5=*;

% 第六個點為點F(縱裂的枕部點)

x6=*;

y6=*;

z6=*;

% 待求點坐標

x=;

y=;

z=;

% 下面首先第一次坐標變換

A1=[x1,y1,z1];

B1=[x2,y2,z2];

C1=[x3,y3,z3];

D1=[x4,y4,z4];

AB2=(x2-x1)^2+(y2-y1)^2+(z2-z1)^2;

AC2=(x3-x1)^2+(y3-y1)^2+(z3-z1)^2;

BC2=(x2-x3)^2+(y2-y3)^2+(z2-z3)^2;

AD2=(x4-x1)^2+(y4-y1)^2+(z4-z1)^2;

BD2=(x4-x2)^2+(y4-y2)^2+(z4-z2)^2;

CD2=(x4-x3)^2+(y4-y3)^2+(z4-z3)^2;

x1p=0;

y1p=0;

z1p=0;

A2=[x1p,y1p,z1p];%第一個點在新坐標系下的三個坐標

x2p=sqrt(AB2);

y2p=0;

z2p=0;

B2=[x2p,y2p,z2p]; %第二個點在新坐標系下的三個坐標

x3p=(x2p^2-BC2+AC2)/2/x2p;

y3p=sqrt(BC2-(x3p-x2p)^2);

z3p=0;

C2=[x3p,y3p,z3p]; %第三個點在新坐標系下的三個坐標

x4p=(x2p^2+AD2-BD2)/2/x2p;

y4p=(x3p^2+y3p^2-2*x3p*x4p+AD2-CD2)/2/y3p;

if ((y2-y1)*(z3-z1)-(y3-y1)*(z2-z1))*(x4-x1)+((x3-x1)*(z2-z1)-(x2-x1)*(z3-z1))*(y4-y1)+((x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1))*(z4-z1)>0

z4p=sqrt(AD2-x4p^2-y4p^2);

else

z4p=-sqrt(AD2-x4p^2-y4p^2);

end

D2=[x4p,y4p,z4p]; %第四個點在新坐標系下的三個坐標

M(1:3,:)=[x1,y1,z1,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3) x1,y1,z1,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x1,y1,z1,0,0,1];

M(4:6,:)=[x2,y2,z2,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3),x2,y2,z2,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x2,y2,z2,0,0,1];

M(7:9,:)=[x3,y3,z3,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3),x3,y3,z3,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x3,y3,z3,0,0,1];

M(10:12,:)=[x4,y4,z4,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3),x4,y4,z4,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x4,y4,z4,0,0,1];

F=M^-1*[x1p;y1p;z1p;x2p;y2p;z2p;x3p;y3p;z3p;x4p;y4p;z4p];

%計算第五點在坐標系2下的坐標

x5p=[F(1) F(2) F(3)]*[x5;y5;z5]+F(10);

y5p=[F(4) F(5) F(6)]*[x5;y5;z5]+F(11);

z5p=[F(7) F(8) F(9)]*[x5;y5;z5]+F(12);

%計算第六點在坐標系2下的坐標

x6p=[F(1) F(2) F(3)]*[x6;y6;z6]+F(10);

y6p=[F(4) F(5) F(6)]*[x6;y6;z6]+F(11);

z6p=[F(7) F(8) F(9)]*[x6;y6;z6]+F(12);

% 下面第二次坐標變換

if (y5p==y6p && x5p==x6p)

'E、F點在xOy平面上的投影重合！

else

if x5p==x6p

thetapp=pi/2;

else

thetapp=atan(abs(y5p-y6p)/abs(x5p-x6p));

end

xp=[F(1) F(2) F(3)]*[x;y;z]+F(10);

yp=[F(4) F(5) F(6)]*[x;y;z]+F(11);

zp=[F(7) F(8) F(9)]*[x;y;z]+F(12);

thetap=acos(xp/sqrt(xp^2+yp^2));

% 輸出x，y，z在第三個坐標系下的坐標

A1=[sqrt(xp^2+yp^2)*cos(thetap+thetapp) sqrt(xp^2+yp^2)*sin(thetap+thetapp) zp]

end[5-8]

2.3 運算結果 運算得出的穿刺中心的新坐標值數據(x,y,z)代表著該模擬手術坐標系下的穿刺點位于外耳門的前、上的位置，穿刺深度由于頭顱皮膚的弧形結構和坐標系的直線結構的差別，誤差不大，且由于穿刺深度可以直接在CT片子上直接量取，對穿刺定位基本沒有影響。

將上述運算結果的數據運用于手術的基底節腦出血穿刺定位，均能準確定位。我院自2010年至2014年共運用此方法對基底節區腦出血穿刺引流的患者手術48例，所有患者體表定位后，手術均一次準確穿刺成功。

3 討論

隨著中國人口逐步步入老齡化，高血壓腦出血的發患者數逐年增加[9]，而腦出血本身是一種高致死率和高致殘率的疾病,給國家、社會和家庭帶來了沉重的負擔[10]。腦出血的出血部位很多，其中基底節區部位的腦出血是最為常見的出血部位，占高血壓腦出血的絕大部分，目前認為該部位的出血與豆紋動脈破裂出血相關[11]。腦出血后顱內很快形成血腫，顱內壓增高，腦水腫，并且血腫和血漿引起的降解代謝產物對腦組織的毒性作用等原因，導致周圍的腦組織發生壞死及海綿樣變性等病理改變，產生不可逆的神經損害，并且隨著時間的延長，產生的損害越嚴重[12]。手術的目的是盡快的降低顱內壓，將顱內血腫清除出顱內，減少腦出血后對神經的損害，保留更多的神經功能，降低患者的致死率和致殘率[13]。

目前對基底節區腦出血的治療方法有保守治療和手術治療，目前神經外科認識趨于一致，對于基底節區出血量大于30 ml的患者，若無明顯手術禁忌癥的情況下，手術治療的患者療效較保守治療的療效好[14]。手術方法有開顱血腫清除和相對微創的穿刺抽吸或鉆孔引流或鉆孔后內鏡下清除血腫兩種方案，對于后者方案選擇準確的穿刺或鉆孔部位，為手術成功的關鍵。目前對腦出血定位較為精準的是立體定向手術和神經導航手術，立體定向手術操作過程需要給患者安裝頭架后，再次給患者行頭CT掃描，選擇穿刺靶點及入路，手術時間較長，且頭架的安裝也影響了手術操作的靈活性[15]，而且目前國內多數立體定向頭架與內鏡系統兼容性差；神經導航也需要安裝導航定位框，進行導航注冊等，手術準備時間較長[16]，并且目前多數醫院，尤其是縣市級的醫院，由于這些設備價格昂貴，多數還不具備立體定向儀或神經導航的設備，所以目前國內多數的基底節區腦出血目前的主要微創手術方案仍是鉆孔引流或穿刺碎吸引流。由于出血量超過30 ml，穿刺目標較大，目前手術定位多數醫生仍是根據CT片，根據OM線，結合經驗，粗略估計測量定位，由于患者的CT片頭部偏斜，掃描時OM基線不準確，有時就會出現定位偏差的情況。為了相對準確定位，部分神經外科醫生采取“CT顱表定位貼”“折耳法”“顱表金屬標記物”“CT激光標記”或自制的體表定位標記物進行輔助定位[17]，都能明顯的提高定位的準確性。但都需要再對腦出血的患者進行一次顱腦CT掃描，既延長了搶救時間，增加了患者的途中風險，也增加了醫療費用。目前也有一些利用CT工作站，運用重建圖像、透視等方法給術者提供更加直觀的圖像[18，19]，但其實術者最主要需要的是穿刺部位的點在哪里。我們介紹的這種基于MATLAB軟件的定位方案，不需要對患者進行額外的CT掃描，對CT掃描要求低，僅僅需要把患者第一次掃描的CT數據在工作站記錄，代入我們編好的MATLAB程序，就可以得出穿刺點的體表定位數據，實際操作過程僅需數分鐘就可以解決，非常適宜神經外科推廣，尤其適用于廣大基層醫院使用。

MATLAB(矩陣實驗室)是MATrix LABoratory的縮寫，是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境。除了矩陣運算、繪制函數/數據圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創建用戶界面及與調用其它語言(包括C，C++和FORTRAN)編寫的程序。用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用。MATLAB的基本數據單位是矩陣，我們使用的CT影像可以認為是一個CT值的矩陣，其中每個值代表一個像素[20]。隨著CT技術的發展和診斷要求的升級，影像質量越來越高，體素越來越小，一般的為0.001 mm3。運用MATLAB軟件，模擬以OM線為基礎的基底節腦出血的手術坐標系，獲得穿刺的血腫部位的坐標值，可以直接得出模擬手術坐標系下的靶點數據。使用該方法需要注意以下問題：(1)除了定位血腫穿刺中心之外，也可以擴展到顱內病灶的上下前后各邊緣，定位病灶的邊界，在體表勾畫出血腫范圍，進行穿刺手術，可以比較靈活的選擇穿刺點，避免穿刺點和顱內重要結構重疊，也可以開顱手術估計切開范圍；(2)穿刺血腫的中心定位點確定后，穿刺的方向需按照手術坐標系的方向穿刺定位才準確，即垂直于矢狀面進行穿刺，否則仍有穿刺偏斜的可能；為了避免手術時鋪上無菌單后，對穿刺方向的把握，我們常增大顱腦體表的暴露范圍，用透明無菌貼膜覆蓋，增加穿刺方向感保證穿刺方向。(3)基底節腦出血多數的穿刺部位目前仍是經顳側入路，該方案也是從顳側入路，以OM線為基礎考慮的，若為經額葉入路，需要重新選擇不同的體表標志物，必要時需要在體表應用MARK進行輔助定位。(4)由于計算出的三維數值是根據手術需要構建的垂直三維坐標，在顱腦的頂部靶點體表投影測量上，需要注意頭顱曲度變化帶來的誤差問題，對于多數腦出血的穿刺手術而言可以忽略不計，若需要提高精度，可使用一些簡單的三維直角尺輔助。

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2 劉維欽.腦-CT定位貼在微創基底節區血腫清除術的臨床應用研究.廣州：南方醫科大學.

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10.3969/j.issn.1002-7386.2014.13.052

062552 河北省任丘市，華北油田公司總醫院神經外科(李濱、董自平、劉秋成、閆麗紅、王潤輝、雷學)；河北醫科大學第二醫院神經外科(范振增)

雷學，062552 華北油田公司總醫院神經外科；

E-mail：libin982@chinaren.com.cn

R 651.1+1 ；R311

A

1002-7386(2014)13-2036-05

2014-01-10)