3D Slicer 軟件測量側腦室體積準確性探討

張 逵，羅 波，謝國強

側腦室體積的大小,對于診斷交通性、梗阻性腦積水和腦萎縮等具有重要的參考價值, 也是觀察病情的發展和評價療效的量化指標。 側腦室位于大腦半球的深部,左、右各一,呈“C”形腔室,由于側腦室形態不規則、個體差異大,臨床一直在尋找測量活體側腦室體積的準確、實用方法[1-4]，目前臨床上一般采用人工點計數法(手工法)測量側腦室體積[5]。3D Slicer軟件是美國哈佛大學外科手術計劃實驗室開發的一款開源、免費的醫學圖像處理軟件,本研究將3DSlicer用于臨床實踐中, 發現該軟件測量側腦室體積較傳統的手工法,更加精準,現報道如下。

1 資料與方法

1.1 病例資料 收集醫院神經外科2020 年10~11 月就診的住院患者104 例， 其中男 48 例, 女56例,年齡 15～89(56.5±18.5)歲。 頭部 CT 檢查:采用德國西門子SOMATOM Definition Flash 雙源CT 掃描機進行掃描。體位:仰臥位。掃描范圍:自下而上整個顱腦。 掃描參數為：管電壓120 kV，管電流190 mA，矩陣512×512。 掃描完成后對圖像進行重建,通過院內醫學影像存檔與通信系統(PACS),同時將層厚0.6 mm層間距0.6 mm 薄層掃描數據、 層厚0.7 cm層間距0.7 cm 數據傳輸給臨床。 排除標準：（1）CT掃描圖像有偽影或模糊感。 （2）某些可能影響側腦室體積的病突變, 例如第五腦室和側腦室內蛛網膜囊腫。 CT 影像顯示側腦室形態正常者55 例,異常者49 例(腦腫瘤 10 例、腦出血 15 例、腦萎縮 11 例、交通性腦積水8 例、外傷性腦腫脹2 例、其他3 例)。

1.2 測量方法 測量工作由兩位神經外科專科醫生完成,均參加過3D Slicer 培訓班學習,并掌握體視學原理,兩名醫生分別采用3D Slicer 法、手工法計算側腦室體積,取兩者平均值為最終測量值。（1）3D Slicer 法：登錄 https://www.slicer.org,下載 3D Slicer 軟件安裝在64 位Win10 電腦中,內存至少8G。 打開3D Slicer 軟件 (4.10.2 版), 導入薄層掃描數據, 依次點擊Volumes,CT brain,Modules,Editor,Pain Effect,Threshold Paint,Threshold 設置閾值為(-19～19)顯示側腦室,點擊Sphere 涂抹各層側腦室使之完全染色(圖1),點擊Erase Label 去除側腦室外的染色, 點擊Make Model Effect,Apply,Models,Information, 即在窗口呈現側腦室精確體積(圖 2)和三維結構(圖 3)。 （2）手工法：制作測量工具,即由若干相等小方格組成的體視學測格,測點(方格直線的交叉點)關聯特定的面積,即邊長(在此為0.5 cm)的平方。 運行常用的圖像軟件Photoshop,依次點擊編輯、預置、參考線網格和切片,導入層厚0.7 cm 數據, 即呈現腦窗圖像及疊加在圖像上的測格(圖 4、圖 5)。 依照體視學 Cavalieri 原理[5-7],側腦室體積(V)=∑P·a(p)·t,∑P 為落于側腦室上的測點總數,a(p)為測點代表的面積,t為層厚。 手工計數∑P,代入公式 V=∑P×0.5 cm×0.5 cm×0.7 cm。

1.3 觀察指標 記錄并比較3D Slicer 法、手工法體積測量結果,測量每例所耗用時間。

1.4 統計學方法 應用SPSS 19.0 統計軟件分析。 采用Kappa檢驗評價兩位測量結果的一致性,Kappa值 0.41～0.60 表示一致性強度為中度,0.61～0.80 表示高度一致,0.81～1.00 表示幾乎一致。 配對資料經過正態性檢驗發現數據非正態分布, 計量資料以中位數(四分位間距)[M(P25,P75)]形式描述,采用Mann-Whitney U檢驗,以P＜ 0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩位觀察者數據的一致性比較 3D Slicer法測量體積時一致性為極強(Kappa=0.812),手工法為中度(Kappa=0.558);平均耗時,3D Slicer 法為中度(Kappa=0.511),手工法為極強(Kappa=0.842)。 說明兩位觀察者的數據一致性較高。

圖1 3D Slicer 側腦室三維重建

圖2 3D Slicer 計算體積在紅色框內顯示為256.37865 ml

圖3~5 3D Slicer 法與手工測量側腦室體積

2.2 3D Slicer 法測量側腦室體積 測量范圍在9.08～286.69 ml 之間, 手工法范圍在 4.03～305.55 ml之間,兩種方法U檢驗,差異有統計學意義(P＜0.05,表 1)；3D Slicer 法耗時,范圍在 1.17～23.20 min 之間,手工法在 0.67～25.5 min 之間, 兩種方法U檢驗,差異無統計學意義(P＞ 0.05,表 1)。

3 討論

在神經內外科的診斷和治療中, 常涉及側腦室,如阿爾茨海默病、先天性腦積水、梗阻性腦積水、側腦室腫瘤、高血壓性腦室出血等。還有涉及側腦室的操作,如側腦室外引流術、側腦室腹腔分流術、側腦室腫瘤切除術、神經內鏡手術治療腦室出血等。側腦室的大小成為重要的參考指標, 側腦室是一個不規則幾何體, 線性指標過去常用來描述側腦室的大小,例如 Evan's 指數(EI)、側腦室額角寬度(FHW)、側腦室指數(BI)等。但是線性指標不能直接反映側腦室體積大小, 使用線性指標判斷一些疾病存在較大局限性。 并且線性指標有著自身的缺陷,同次CT 的不同層面,不同次數的影像,側腦室測量結果可能會有較大差異。 3D Slicer 軟件利用CT 掃描的原始DICOM格式數據,應用Editor 模塊設置閾值范圍,常規體積渲染法, 進而實現側腦室的三維結構重建和體積計算,體積大小可統計到小數點后5 位。

本研究結果發現,3D Slicer 法與手工法計算得到體積結果有明顯差異(表1)。3D Slicer 法的結果更加準確,與3D Slicer 法完全滿足了以下3 個體視學基本要求有關：（1）均勻隨機抽樣原則[8-10]。 CT 掃描是對全部顱腦掃描, 在均勻隨機的位置上對器官采樣,層厚層距固定,得到等距連續平行截面。 （2）足夠的樣本含量原則。 誤差系數的大小與截面總數,即樣本含量有關,隨著截面總數的增加,誤差系數總的趨于減少。 形狀不規則的結構如大腦皮層、線粒體、睪丸組織、顱內血腫,總共不需要多于10 張的等距切片即可使體積估計的平均誤差系數不>5%[5,11]。 筆者曾統計50 例正常人在層距1 cm 層厚1 cm CT 掃描圖像上所得到的側腦室層面數為2 層的2 例(4%),3層的 32 例(64%),4 層的 16 例(32%)[5],目前 CT 機已普遍能做層距0.1 cm 層厚0.1 cm 掃描,可獲得的層面總數可達三、四十層,病理性擴大的腦室會獲得更多的層面。 如果用薄層掃描數據,手工法測量側腦室體積時,工作量大、耗時長,并易受操作人員主觀因素干擾,在臨床中實際難以開展,故無臨床實用價值,這也是本研究中手工法不采用薄層數據的原因。在臨床實際工作中, 多數醫院的醫生最常用的是層距1 cm層厚1 cm CT 掃描圖像觀察腦結構, 本研究采用的是影像部門傳輸給臨床的常規圖像, 即層距0.7 cm層厚0.7 cm 數據,正常側腦室只得到大約5～6 個層面,3D Slicer 法至少可得數十個層面, 手工法與3D Slicer 法之間的相對誤差值偏大(圖5)。降低人工測量誤差的根本是： 增加截面數——希望能有10 個左右,但如上所述理由,用層距 0.7 cm 層厚0.7 cm 數據難以做到。 3D Slicer 法是將研究對象切割成近百個截面,由電腦進行大量數據計算得到體積結果,手工法是將研究對象切割成幾個截面,人工統計測點,通過簡單的計算得到體積估計結果, 這是兩者的本質區別。（3）足夠的測點總數。選擇足夠大的參照面進行測試比選擇測格重要得多, 即測點代表的面積越小,結果越精確。 體視學認為,在均勻抽樣及適當抽樣間距的前提下, 所測結構內總共計數最好能接近或達到100～200 測點, 可得到可靠估計器官的體積[11-12]。但是筆者在臨床工作中感到手工法測量側腦室體積, 用測格邊長為CT 圖像上比例尺0.5 cm 刻度,Photoshop 圖像放大至滿屏,已接近肉眼辨別的極限,易看錯數錯,大多數形態正常側腦室的測點總數遠少于100 個。故體視學多用于微觀結構的分析,常常將包埋切片放大12～400 倍條件下運用,甚至需要體視顯微鏡(立體顯微鏡)觀察,在電腦顯示屏上最后放大倍數達2240[13]。

表1 3D Slicer 法與手工法的比較[M(P ,P ),n=104]指標 3D Slicer 法 手工法 統計值 P 值體積(ml) 29.15(12.57，79.21) 36.56(9.10，96.43) Z=-3.291 0.001耗時(min) 6.97(3.57，19.45) 5.47(2.13，16.00) Z=-0.833 0.405

3D Slicer 軟件利用頭顱CT 掃描原始數據,可從橫斷面、矢狀面、冠狀面逐層描繪側腦室截面,對腦組織各個結構進行三維重建, 并依據每個層面面積與CT 薄層掃描層厚計算體積, 不受被測物結構形狀及部位影響, 充分滿足了上述3 個體視學基本要求,對形態不規則、個體差異大的側腦室尤其適合,測量可重復性高,結果真實精確[14-17],并且三維圖像還能任意角度旋轉, 能提供側腦室形態及受壓變形提示。對于形態不規則的側腦室,手工法不能滿足以上所述體視學后兩個要求,故準確性非常低,無法滿足臨床對活體器官組織的無創性測量。

本研究結果發現,3D Slicer 法與手工法均在幾分鐘內即可完成測量工作。 3D Slicer 法用時主要有兩處,一是點擊Sphere 必須從軸位、矢狀位、冠狀位涂抹各層側腦室, 才能避免遺漏; 二是需用Erase Label 功能仔細擦除側腦室周邊的滲透水、 軟化灶、三腦室圖像,測量病理性側腦室用時耗時較多,對于形態正常側腦室,腦室顯示清晰、腦室壁略光滑,這道操作程序只占用極少時間, 熟練醫生可在幾分鐘內完成整個體積測量工作[18]。 3D Slicer 法全程用鼠標點擊、3D 圖像形象還能提供一些解剖信息供臨床參考,測量過程有一定“趣味性”,不易產生疲勞。 手工法用時主要有兩處,一是看錯行數,需再次計數,為避免數錯,不得不減慢速度;二是測點總數多時耗時多,易致測量疲勞或厭倦,計數過程中可能難以記住[10],尤其腦積水時本組測點總數最高達1746 個,整個測量用時25.5 min。

總之,精準、快捷、簡便的測量技術是形態定量的發展方向[19-20],也是臨床的需求,手工法因測量方法不能滿足體視學要求, 得到的結果并不可靠,3D Slicer 軟件自動對大量數據進行計算、 準確地測量側腦室體積,快捷易得,有臨床實用性。