Mimics 三維重建輔助術前規劃在急診開顱手術中的應用

劉先波，葉世陽，王登，賴丹

（江西省萍鄉市人民醫院神經外科，萍鄉 337055）

顱內出血是常見的急危重癥， 大量出血患者需急診開顱清除血腫和去除骨瓣以挽救生命[1-2]。術前對出血部位的精準定位、 去骨瓣的位置和大小的規劃以及手術路徑選擇是手術成功的關鍵。當出血位于深部腦葉、 基底節區和丘腦等較深部位時，術中血腫定位、骨瓣位置和大小的規劃、手術路徑選擇困難， 而且急診手術給予術者手術規劃的時間有限， 因此尋求一種快速簡便的術前規劃方法尤為重要。 Mimics 軟件可通過閾值分割、區域增長和三維重建功能快速構建三維模型集，用可透視化顯示、模擬手術、精準定位等功能進行術前規劃， 術中可360°觀察三維模型及時修正手術路徑，為急診開顱手術提供快捷的術前規劃平臺。本研究將此方法應用于腦出血急診開顱手術中，探討此方法的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 病例來源于2019 年1 月至2020年12 月收治的53 例行急診開顱手術的自發性高血壓腦出血患者。 男38 例，女15 例。 年齡35～79歲，平均（59.70±9.01）歲。 出血部位：腦葉出血25例，基底節、丘腦出血25 例，小腦出血3 例。 大腦出血病例出血量在38～90 mL 之間，平均（58.18±11.53）mL， 小腦出血病例出血量分別為11 mL、13 mL、18 mL。GCS 評分：≤8 分34 例，9～10 分19 例。

1.2 方法

1.2.1 影像資料 因大部分患者病情緊急， 難以配合檢查，CT 掃描過程中無需嚴格標準體位，掃描范圍能覆蓋整個顱腦即可，CT 影像能分辨血腫，盡量減少偽影形成，層距≤10 mm。

1.2.2 三維重建 開啟Mimics 軟件，導入Dicom 格式的CT 數據，應用閾值分割、區域增長和裁剪蒙版工具分別構建不同顏色的軟組織、顱骨和血腫蒙版，對各個蒙版進行三維重建，生成三維模型集，應用編輯3D 蒙版工具對所生成的模型進行修正以滿足術前規劃需要。 Mimics 軟件也可處理JPG 或JPEG 等格式數據， 但需人工輸入層距和方向等信息。

1.2.3 術前規劃 通過改變模型的可見模式和透明度，結合平移和旋轉功能，在三維場景中360°觀察軟組織、顱骨和血腫模型的相互位置關系，遵循路徑最短、避開功能區和富血管區為原則規劃手術路徑，用CAD 元件標記骨窗和手術入路等關鍵點。應用仿真割切工具在顱骨模型上行去骨瓣操作模擬手術，觀察骨窗和血腫之間的相對位置關系，進一步修正手術路徑，規劃骨窗，使骨窗位置和大小既有利清除血腫，也可充分緩解顱內壓力。 測量各關鍵點的位置，將骨窗位置標注在患者手術部位指導開顱手術。

1.2.4 開顱手術 根據骨窗和手術入路位置采取合適體位并設計手術切口， 切開頭皮和皮下組織，按規劃的骨窗位置和大小形成骨瓣，對于血腫位置較深，可于三維場景中開啟骨窗和血腫視窗，通過平移和旋轉功能全方位觀察血腫與骨窗的相對位置，指導術中血腫定位和修正手術入路，快速精準地確定腦組織隧道的位置和深度，輔助血腫清除。

1.2.5 術后治療 予以控制血壓、抗腦水腫、護腦、預防消化道出血等治療。

1.2.6 術前規劃效果評估 統計術后血腫清除率，術前規劃的骨窗位置與實際骨窗位置最大偏差大小， 術前規劃的骨窗面積與實際骨窗面積之間的差異。

1.3 統計學分析 運用SPSS 22.0 進行數據統計與分析。計量資料比較采用t檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 術前規劃效果 53 例患者均在術前準備過程中利用Mimics 軟件順利完成術前規劃， 未額外增加術前準備時間。 所有患者均在術前規劃輔助下順利完成手術， 術中通過可透視化三維模型集指導，均一次性形成腦組織隧道到達血腫腔，手術盲區少，術后未出現再出血病例。 術后CT 提示血腫清除率（92.25±5.37）%；術后實際骨窗位置與規劃骨窗位置最大偏差距離在2.34～14.42 mm 之間，平均 （5.85±2.81）mm； 規劃骨窗面積 （5601.67±2014.44）mm2， 實際骨窗面積 （5469.79±1906.86）mm2，兩者比較差異無統計學意義（P＞0.05）。

2.2 預后統計 所有病例術后6 個月隨訪GOS 評分，Ⅰ級：11 例（6 例為入院時GCS 評分在3～4 分的患者；5 例因家庭原因術后不久即放棄治療，經回訪確認死亡），Ⅱ級：3 例，Ⅲ級：19 例，Ⅳ級：18例，Ⅴ級：2 例。

3 討論

在急診開顱手術中，快速良好的術前規劃可在有限的時間內，對患者的解剖結構以及手術過程有深入的了解，縮短手術時間，以最小的創傷達到手術目的。 以往術前規劃只能將二維影像進行三維立體構思，不同術者存在理解差異，規劃誤差大。 現可利用有框架立體定向技術或無框架立體定向技術（神經導航技術）對顱內病變進行精準定位，前者在穿刺活檢、電極植入等微創手術中應用廣泛[3-4]，后者可輔助復雜顱內腫瘤、癲癇等高難度手術[5]，但操作技術和影像數據均有特殊要求，較難適應急診手術，且儀器費用高昂，難以廣泛推廣。

很多學者應用相關軟件進行術前規劃， 如楊傳鑫等應用三維可視化技術評估肝臟解剖和病理情況，規劃肝切除、膽道鏡取石術并指導現實手術獲得良好療效[6]。REN 等也通過三維可視化技術微創治療大肝細胞癌取得良好效果[7]。 周翔等應用3D-Slicer 軟件輔助定位顱內血腫進行血腫穿刺，有效提高穿刺精準度[8]。 多數三維術前規劃針對擇期手術，因急診手術時間緊迫，要求術前規劃有效且簡便快捷， 部分學者即使用于急診腦出血手術也僅限于穩定型腦出血的微創穿刺[8-9]，對急診開顱手術的規劃鮮有報道。

Mimics 軟件在筆記本電腦上即可良好運行，不受場地限制，無特殊費用要求[10]。本研究將PACS影像系統和Mimics 軟件安裝于同一筆記本電腦上，患者完成急診CT 檢查后，可通過PACS 影像系統將CT 數據直接下載至電腦， 導入Mimics 軟件進行三維重建，有效地簡化數據傳輸。 該軟件對CT 數據要求不高，層距在0.5～1 cm 之間，層數在20～40 之間，即可重建出良好的三維模型。 上述所要求的CT 影像數據量不大， 軟件運行速度快，重建時間短，本研究術前規劃基本在15 min 內完成。部分患者CT 掃描過程不能配合，不能按基線標準進行掃描，但只要掃描范圍包括所需的解剖結構，并不影響軟件的三維模型構建， 對存在移動偽影的影像數據，Mimics 軟件還可通過手動分割閾值和3D 割切等功能進行降噪處理，見圖1。

圖1 術前CT 影像和3D 重建

Mimics軟件在模擬手術和數據測量上有其獨特優勢，可對三維模型進行任意剖切和透視處理，在三維場景中全方位無死角地觀察手術部位與周圍解剖之間的毗鄰關系， 對模型的各個關鍵點進行距離和角度等測量[11]。 本研究構建了顱骨、血腫和軟組織的三維模型集， 通過調整合適透明度觀察各模型的相互位置關系， 根據血腫位置規劃骨窗位置和大小，位置關鍵點用CAD 元件標記，利用仿真割切工具在顱骨模型上切割形成骨窗， 通過調整視角，規劃最優的骨窗位置和大小，用測量工具對關鍵點位置進行測量定位，見圖2。 所構建的軟組織模型可清晰地顯示外耳、外耳孔、雙眼、鼻根等體表標識， 可參照這些標識將模型上的關鍵點精準標注在患者體表。 將術后顱骨模型和規劃的顱骨模型集進行融合發現，實際手術骨窗位置與規劃骨窗位置最大偏差距離甚小，平均（5.85±2.81）mm， 兩骨窗面積相比較差異無明顯統計學意義（P＞0.05），見圖3。 所有患者在規劃的手術路徑指導下，均一次性形成腦組織隧道達到血腫位置，手術盲區少，血腫清除率（92.25±5.37）%，血腫腔止血徹底，未出現術后再出血病例。 如為CT 薄層影像數據，術者還可構建清晰的腦組織三維模型，通過觀察腦組織溝回、外側裂等解剖結構，更精準地規劃腦組織隧道位置。

圖2 術前規劃

圖3 術后與術前對比

本研究中， 在部分病例中將構建的三維模型集組合成裝配體， 用小型投影儀將三維影像投射到手術部位，希望獲得實時導航目的[12]。 但實施中發現，投影儀的投射距離和位置難以掌握，耗時且需專人操作， 因此本研究用筆記本電腦在手術過程中直接顯示規劃好的三維模型集， 術中可根據需要隨時觀看并測量相關解剖數據， 同樣可起到定位和導航的目的。

綜上所述，Mimics 三維重建技術可快速有效地完成急診開顱手術的術前規劃， 設計最優手術路徑，通過三維模型集直觀地指導術者完成手術。該方法簡單快捷，無特殊設備和費用要求，值得推廣。