顱腦手術定位中三維影像體表投影技術的應用價值

游慧超, 孫登江, 歐陽和平, 湯 軍, 田 麗, 李文琦

(江漢大學附屬湖北省第三人民醫院, 1. 神經外科, 2. 超聲科, 湖北 武漢, 430032)

顱內病變的精確定位是顱腦手術順利開展的前提，隨著3D-Slicer等影像后處理軟件的出現，醫師制作顱內病變的三維影像模型并投影至頭顱表面以輔助定位的技術也逐漸被應用于臨床以輔助定位[1-2]。該技術能實現三維可視化，科技感與視覺沖擊強，但體表投影定位技術的精準程度有待進一步驗證，本研究總結應用三維影像體表投影技術的經驗，探討該技術應用于臨床的可行性與價值，現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

利用3D-Slicer軟件制作三維影像模型，并使用Sina軟件進行體表投影定位，于2019年3月—2021年9月輔助手術定位15例，其中顱內血腫穿刺引流術9例、腦膜瘤切除術2例、腦動靜脈畸形切除術2例、微血管減壓術2例。男9例，女6例，年齡31～87歲，平均(53.2±15.6)歲。

1.2 重建獲取三維影像

下載患者的CT或磁共振成像(MRI)的DICOM數據，導入3D-Slicer軟件，在Segment Editor模塊中利用Threshold與Paint等工具進行目標病變分割，生成病變Model; 進入Volume Rendering模塊，點開原始volume數據，調節顏色及透明度使頭皮清晰顯示。選取手術入路的三維角度保持不動，交替顯示病變與頭皮，分別截屏并保存頭皮圖片(圖1A)與病變圖片(圖1B)。利用圖片合成器軟件將上述2張圖片合成1張，得到病變與頭皮位置關系圖片(圖1C)。

1.3 術前定位方法

將圖1C導入Sina軟件，此時帶有投影的實時攝像自動開啟，對準患者頭部，將屏幕內頭皮投影與患者頭部重疊，根據屏幕內病變的位置，用記號筆在患者頭部標記出病變的位置(圖1D)。根據上述標記的病變位置引導病變穿刺、設計切口以指導手術。

A: 利用3D-Slicer軟件重建病變與靜脈竇的三維模型; B: 利用3D-Slicer軟件渲染功能調節透明度生成頭皮三維模型; C: 利用Sina軟件將同一三維角度下的A、B圖重合,獲取病變的體表位置關系; D: 將圖C投影至患者頭部,標記病變位置。圖1 三維影像體表投影定位過程

2 結 果

2.1 定位效果的一般情況

術前根據3D-Slicer軟件進行三維重建，并根據體表投影進行血腫定位。9例顱內血腫穿刺引流術均一次性穿刺血腫成功; 2例腦膜瘤及2例血管畸形，均在設計的骨窗內。1例頂枕部腦膜瘤及2例微血管減壓術，術前定位矢狀竇及橫竇位置，術中靜脈竇的位置與術前標記相符，但定位過程耗時更長。三維影像體表投影技術能夠較精準地進行顱內病變體表定位。

2.2 增加體表定位精準度方法

所有患者的頭皮三維投影均無法與實際頭部輪廓完全匹配。手機攝像頭會使屏幕中顯示的實景圖像發生畸變，導致合成的三維影像無法與患者頭部完全重合，距離匹配標志越遠的部位偏差越大(圖2)，應盡量避免使用病變的遠隔部位作為定位的匹配標志。在病變周圍尋找合適的特征性標記或者人為增加標記，可以增加定位的精準度。三維合成圖均無法與患者頭部外形輪廓完全匹配(圖2黑箭頭處)。

A: 匹配腫瘤鄰近的耳廓定位; B: 匹配血腫臨近的矢狀縫與冠狀縫(綠色)等骨性標志輔助定位; C: 在血管畸形附近貼魚肝油膠囊(黃色)以增加體表標志,輔助精準定位。圖2 三維影像體表投影定位的效果

2.3 指導手術的價值

利用本技術獲取的三維影像，可以輔助手術設計手術入路，模擬手術，指導手術的操作(圖3)。

A: 右側頸內動脈床突上段動脈瘤的CTA影像; B: 用3D-Slicer軟件制作的動脈瘤與顱骨建模,可直觀地明確動脈瘤與前床突的位置關系; C: 模擬翼點入路開顱,可見前床突(綠箭頭)阻擋載瘤動脈近端顯露; D: 模擬切除前床突后的效果,載瘤動脈近端的頸內動脈(藍箭頭)被顯露。圖3 三維影像制作用于模擬手術

3 討 論

顱內病變精準定位是顱腦手術順利實施的前提，也是神經外科醫師的必備技能。目前使用的精準定位技術主要有神經導航及有框架立體定向儀[3]，費用較高、應用復雜，大部分基層醫院神經外科尚不能普及。因而目前多采用病變與外耳道等解剖標志的關系較精準推算病變的大致部位，并不能達到精準定位的效果[4]。3D-Slicer軟件是用于醫學圖像信息學、圖像處理和三維可視化的開源軟件[5]，可通過對顱腦CT、MRI及數字減影血管造影(DSA)等影像數據進行重建與融合，獲取顱腦病變與正常組織的三維影像及解剖關系。隨著該軟件在醫療領域應用的普及，利用其重建的三維影像進行體表投影以輔助定位的技術，也逐漸被部分神經外科醫師應用于臨床[6-7]。利用該軟件結合智能手機輔助的定位技術，可以使神經外科術前定位更加準確和便捷[8-10]。基于該軟件定位下的腦出血穿刺引流術，也能獲得更好的血腫清除率[11]。

3.1 三維影像體表投影定位的可行性

三維可視化醫學影像是大勢所趨，隨著虛擬現實以及增強現實技術的出現和發展，三維影像的獲取將越來越重要[3]。目前許多醫學影像處理的軟件，如3D-Slicer及MIMICS[7]，均可以免費下載獲取，利用上述軟件實現三維影像體表投影定位并不增加設備上的投入，僅需要使用一部臺式電腦和普通的智能手機即可實現該技術。臨床醫師掌握上述軟件的使用方法也無需花費太多精力。通過開展利用3D-Slicer軟件進行影像重建并輔助投影定位的技術培訓，大部分基層醫院醫生可在半天內掌握該技術，而且互聯網中有大量關于3D-Slicer軟件應用的教學視頻，臨床醫生可以快速掌握并精通該項技術。雖然三維影像體表投影定位技術入門門檻較低，但該技術在臨床普及仍面臨一些困難，主要有以下3個方面: ① 醫生的精力投入與零收費的矛盾; ② 影像重建需要耗時與急診手術時間緊迫的矛盾; ③ 依靠軟件的耗時耗力與依靠經驗推算的簡易快捷的矛盾。正是因為上述矛盾的存在，目前三維影像體表投影定位技術的使用者多為基層醫院神經外科的初級醫生。而實際上，即便有豐富經驗的神經外科醫生，僅通過二維影像在腦海中構建三維形態亦較困難，尤其是不規則病變，構建三維立體影像會更加困難。3D-Slicer等軟件實現三維可視化的同時，既可以明確不規則病變的形態、體積、輔助手術定位，其邊緣價值也十分豐富。該軟件的多模態影像融合、手術模擬、三維展示等功能，對神經外科醫師的解剖學習、疾病診治和醫患溝通都有幫助[12]，這也是該軟件能被越來越多神經外科中心應用的原因所在。臨床實踐中還發現，醫生的興趣與科室對三維影像體表投影定位技術的認同與重視，對該技術在神經外科的應用推廣同等重要。

3.2 三維影像體表投影定位技術的局限性

投影或利用手機攝像頭，都會使圖像產生畸變，難以與原輪廓完全匹配，導致定位偏差; 外耳道與面部等周圍因具有特征性輪廓可以較好地輔助投影匹配，但是頂枕部及后顱窩沒有明顯的輪廓標志，投影定位誤差較大，耗時更長; 不同角度，病變的體表投影位置不同，使得該技術更適合于標準正側位或顱腦淺表部位病變的體表定位，限制了該技術的應用范圍。由于外耳道與面部特征明顯，標準正側位可以較快速且準確地進行投影定位，但若需要以某個特定角度作為手術入路，需要花費較多的時間以確保較為精準的定位。再者，三維影像的獲取，首先需要下載患者的DICOM影像數據，然后利用軟件重建病變與顱腦表面的三維模型，并選取手術入路角度的影像截屏，最后利用智能手機或其他投影設備進行定位。根據經驗，熟練掌握上述技巧并應用于臨床定位需要30～60 min, 如需要多模態影像融合或特定結構重建，所需時間可能長達4 h以上。這對于神經外科醫師而言，所耗費的時間與有限的精力形成矛盾。鑒于上述不足與矛盾，為提高定位精準度，醫師應盡量選擇病變鄰近的體表標記輔助定位; 對于頂枕部或者其他需要特殊體位入路定位時，可以在病變周圍顱腦表面貼數枚電極片或者特殊形狀的標記物，以增加匹配度; 雙人操作或利用固定支架等輔助設備，可以減少標記劃線時的抖動，提高定位的精準性; 選擇標準正側位的手術入路，可減少定位定向匹配的耗時。由于該定位技術需要耗時較多，指派科室某一名專業人員進行影像重建或直接與第三方公司合作，形成良好的分工，可提高效率并減輕醫生的負擔。臨床實踐中會根據不同的需求采用不同方案。對于定位精準度要求不高的手術，如顱內血腫穿刺引流術的穿刺點與穿刺方向設計、腦出血內鏡手術入路的選擇等，醫師可以直接快速地進行重建并投影定位，能取得很好的效果; 對于精準度要求較高或者深部小病變的手術，醫師則應增加體表標記以增加投影的匹配度及定位的精準性。

3.3 顱內病變精準定位的前景

神經導航及有框架立定定向儀，定位精準，但有費用較高及應用復雜等缺點; 三維影像體表投影技術價格低廉卻需要耗時、耗力且定位精準性需增加體表標志以糾正。目前臨床已有利用3D打印技術輔助定位的嘗試，可以為顱腦手術提供個性化定位、定向引導，也有利用腦表面重建技術輔助術中實時定位的研究[13]。隨著科技的發展，利用增強現實、全息投影等技術輔助定位，可能會越來越普及。不同的神經外科中心可根據不同的條件和需求，選擇不同的定位手段[14-15]。

總之，三維影像體表投影定位技術能較精準地定位顱腦病變，適合不同級別神經外科中心使用; 增加體表標志輔助定位，可以提高該技術的定位精準性。