3D Slicer 在臨床中的研究進展

吳浩冉 杜彥李（通訊作者） 李雨

（1 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

（2 呼倫貝爾市人民醫(yī)院 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

3D Slicer 是一款專門用于醫(yī)學圖像可視化和計算的開放源代碼軟件，研發(fā)之初既明確預計用于臨床研究，1999 年David開發(fā)了該軟件初始原型，將其用于前列腺相關(guān)疾病的病灶定位。此后，隨著醫(yī)學的發(fā)展，計算機圖像分析在滿足臨床和研究需求方面起著越來越重要的作用，3D Slicer 軟件被廣泛的用于各學科的臨床研究[1]。

1.3D Slicer 圖像重建技術(shù)在臨床中的應用

近些年，該軟件被作為骨性結(jié)構(gòu)的重建與分割的工具，例如Wallner 應用了3D Slicer 等三款不同的軟件，對開源分割方法的質(zhì)量和準確性進行了評估，在這項研究中，作者使用了患者的頜面部CT 數(shù)據(jù)，對下頜骨圖像進行不同方法的圖像分割，評價參數(shù)為常用的dice 系數(shù)和Hausdorff 距離等，最終得出使用GrowCut 和Canny 分割方法在3D Slicer 等不同的醫(yī)學圖像處理軟件上，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像半自動分割[2]。此外，Benavente 將患者膝關(guān)節(jié)MRI 數(shù)據(jù)輸入3D Slicer 完成3D 模型重建，首次在膝關(guān)節(jié)MRI 中確定髕骨骨膜形態(tài)測量，并將其作為常規(guī)的影像學檢查結(jié)果[3]。

雖然目前正常的耳蝸解剖研究，已經(jīng)發(fā)展到足以了解其大小和形狀變化，但是病理性耳蝸結(jié)構(gòu)的二維圖像尚不能滿足臨床所需，仍需要可靠的工具協(xié)助臨床醫(yī)生測量耳蝸大小、形狀變化。3D Slicer實現(xiàn)了內(nèi)耳所有結(jié)構(gòu)的大小和形狀變化的3D 可視化，還提高了臨床醫(yī)生直觀了解耳蝸解剖和附近解剖結(jié)構(gòu)的能力，這比2D 圖像切片更易令人接受[4]。

直觀的了解人體復雜的解剖結(jié)構(gòu)除了三維重建，同時可以使用三維（3D）打印機將數(shù)字模型制作成物理模型。從1990 年代開始，3D 打印在口腔頜面外科、神經(jīng)外科、骨科中得到應用。隨著技術(shù)的成熟，成像技術(shù)與時俱進。研究人員能夠使用CT 圖像指導大腦、心臟和肺部血管結(jié)構(gòu)等物理模型的創(chuàng)建。這些進步已被證明在臨床護理、學員培訓和設備開發(fā)等方面非常有價值。但是，醫(yī)師通常缺乏使用3D 設計和建模軟件的技術(shù)能力。這種缺乏導致3D 打印在醫(yī)療保健領(lǐng)域的發(fā)展速度變慢。面對這些障礙，學者們選擇通過引入開放源代碼軟件如3D Slicer，進行數(shù)字建模來解決最大的障礙，即便使用較低分辨率的CT 掃描數(shù)據(jù)，3D Slicer 依然能構(gòu)建可接受的模型。3D Slicer 輔助3D 打印也被用于動物實驗。同時，這款功能強大的平臺已被443 份出版物和36 篇肺部相關(guān)疾病文章使用和引用[5]。

2.3D Slicer 圖像定量、定性技術(shù)在臨床中的應用

目前不少學者將3D Slicer 運用于骨密度與腦萎縮相關(guān)性研究中，患者接受雙能X 線骨密度掃描和大腦核磁共振成像檢查，研究人員通過查看雙能X 射線吸收（DXA）圖表，對患者的骨密度（BMD）信息進行分析，使用3D Slicer 對核磁數(shù)據(jù)完成三維重建模型，并對顱內(nèi)、腦實質(zhì)和側(cè)腦室進行分割，分別計算體積，整合數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松可能在人類正常衰老的早期過程中起到加速腦實質(zhì)萎縮的作用，在晚期過程中導致腦室擴大[6-7]。Pendem 等學者在乳腺癌與乳房密度的研究中，運用3D Slicer 軟件測量乳房密度（BD），從而確定乳腺癌和乳房乳房密度（BD）之間的關(guān)聯(lián)[8]。而3D Slicer 應用最多的無疑是神經(jīng)外科，其中主要包括在顱內(nèi)腫瘤、腦血管疾病、功能神經(jīng)外科診療中的應用，大腦結(jié)構(gòu)復雜、功能重要，臨床中神經(jīng)外科醫(yī)生面臨著種種困難，正需要如3D Slicer 這類軟件輔助診療。國內(nèi)多項研究中均使用3D Slicer 輔助測量血腫、腫瘤體積，并在術(shù)前重建病灶指導手術(shù)入路選擇及病灶定位。最為常見的為依據(jù)患者顱腦CT、MRI 等影像數(shù)據(jù)，完成自發(fā)性小腦出血、高血壓腦出血血腫體積、顱內(nèi)腫瘤的測量，相較傳統(tǒng)人工測量更為精準，術(shù)前重建病變血管、動脈瘤及周圍解剖結(jié)構(gòu)，為臨床工作人員在不同情況下選擇不同的手術(shù)方式提供依據(jù)。尤其是高血壓腦出血中應用較多，因部分患者承受手術(shù)能力較差，耐受全身麻醉、氣管插管能力弱，開顱手術(shù)、麻醉所帶來的打擊嚴重影響患者患病后的生存率，微創(chuàng)通道手術(shù)則成為了首選，但是，對于不具備導航等設備的基層地區(qū)，存在定位準確性不穩(wěn)定等因素。在不具備定位設備的條件下，此種手術(shù)方式屬于憑借經(jīng)驗進行盲穿，穿刺點的定位存在極大的不穩(wěn)定性。因此，3D slicer 軟件的定位功能顯得尤為的重要，大大提高了手術(shù)的精確度[9-11]。

商業(yè)供應商可提供多種放射學工作站和圖像分析工具，在臨床和研究中使用的一些流行工具如AW 工作站、PMOD 、Definiens、MimVista、MATLAB 等軟件，這些軟件為用戶提供了一套分析工具，部分被專門批準用于臨床任務，但是這樣的臨床導向系統(tǒng)費用高昂，需要特殊的工作站或設備支持，總是給學術(shù)研究人員帶來巨大的經(jīng)濟負擔。商業(yè)軟件的解決方案通常無法由最終用戶擴展，也不適合新工具的原型設計，并且可能需要專用硬件，從而限制了它們在開發(fā)新圖像分析方法中的適用性。而被使用相對最廣泛的MATLAB 并非為醫(yī)療應用而設計，因此缺乏對臨床環(huán)境中常見的界面和顯示約定的支持。與商用工作站相反，3D Slicer 旨在提供一個免費提供且不需要專門設備的研究平臺，與功能相似的開源軟件工具及工作站相比較，主要具備的特點包括功能廣度、可擴展性、跨平臺的可移植性以及非限制性軟件許可[1]。多年來，3D Slicer 已在醫(yī)學影像研究界獲得了廣泛認可，在醫(yī)學中的應用渠道不斷增加，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。