3D-Slicer軟件在神經內鏡經鼻蝶入路垂體腺瘤手術中的應用*

龍潮新，郭銘，官春城，馮金福，羅文韜，梁曉華，李平安

（粵北人民醫院 神經外科二區，廣東 韶關 512026）

垂體腺瘤約占顱內腫瘤的10%～15%，為鞍區最常見的良性腫瘤，主要位于鞍內，可向鞍上、鞍旁生長。近十年來，神經內鏡下經鼻蝶入路手術已取代顯微鏡經鼻蝶入路手術，成為治療垂體腺瘤的首選手術方式[1-2]。神經內鏡手術相對顯微鏡手術，擁有更廣闊的視角，更加充足的照明強度，且創傷更小，還可縮短手術時間，真正做到更精準、更微創[3-4]。神經內鏡作為新技術也存在不足，其為二維圖像顯示，立體感差，而3D神經內鏡可填補這方面缺陷[5]，但目前尚未能廣泛應用，術者能否熟練掌握解剖結構，對于手術的順利開展至關重要，術前熟悉手術入路，有利于提高手術的安全性及效率[6-8]。本研究利用3DSlicer 軟件，對患者影像學數據進行術前規劃，構建經鼻蝶竇腔內三維結構，模擬腫瘤、神經、血管和骨性結構的關系，再與術中實際情況對比，初步探討該技術應用于神經內鏡經鼻蝶入路垂體腺瘤手術的療效。現報道如下：

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2018 年8 月－2021 年7 月收治的28例垂體腺瘤并行神經內鏡手術的患者的臨床資料。其中，男14例，女14例，年齡32～72 歲，平均（53.3±8.4）歲；垂體大腺瘤25例，垂體微腺瘤3例；術后病理報告為泌乳素瘤1例，無功能腺瘤27例。

入選標準：①臨床影像學確診為垂體腺瘤；②年齡≥18歲；③均行神經內鏡經鼻蝶入路手術治療；④均為首次手術。排除標準：①已接受藥物或放射治療；②患有重要器官功能障礙；③患有凝血障礙、自身免疫疾病；④存在精神認知障礙，對正常診療程序無法遵照醫囑配合。本研究通過醫院倫理委員會審核批準，患者家屬均簽署知情同意書。

1.2 影像學數據的采集及3D模型構建

所有入選患者于術前均完成頭顱CT 和MRI 掃描（西門子64 排螺旋CT 機，GE 3.0T 磁共振機），包含標準頭部或垂體平掃及增強掃描，層厚5.0 mm，層間距1.0～1.5 mm。經外周靜脈注射釓類對比劑，注射劑量為0.1 mmol/kg。原始數據均從醫院PACS 系統導出，格式為DICOM，再將數據資料導入3D-Slicer軟件（版本為4.10.2）。將鼻蝶鞍區結構進行三維透視化模型構建，利用3D-Slicer 內置模塊剪切圖像，保留手術入路及蝶鞍區周邊相關結構，模擬出蝶竇前壁、蝶竇內分隔、斜坡凹陷、鞍底、視神經管隆突、頸內動脈隆突、視神經頸內動脈隱窩（optic nerve internal carotid recess，OCR）、腫瘤、神經和血管等重要解剖結構，用不同顏色進行區分。該軟件可以隨意調整視角及放大倍數，方便醫師細致地觀察相關結構，通過修剪圖像功能，模擬內鏡下磨除鞍底、鞍結節和蝶骨平臺等解剖結構，了解腫瘤與毗鄰結構的解剖位置關系。所有患者術前均使用3D-Slicer 軟件進行CT/MRI 三維重建解剖結構，并與術中內鏡下圖像進行比較。將圖像顯示程度進行分級：1級為部分顯示，2級為完全顯示。通過3D-Slicer軟件內置功能來反復比較術中關鍵結構，所有區域均可準確測量，以期為手術入路提供參考，指導實際手術中的暴露范圍，為設計手術方案提供更加詳盡的依據。

1.3 手術方法

所有患者均在氣管插管全身麻醉下行神經內鏡下經鼻蝶入路切除腫瘤。術中應用德國卡爾史托斯內鏡系統（KARL STORZ），使用0°鏡或變色龍觀察鏡進行操作，并對圖像加以保存。術者根據腫瘤大小及Knosp分級行經單鼻孔或雙鼻孔入路手術。患者取仰臥位，頭后仰15°，常規消毒鋪巾，選擇右側鼻腔入路。用0.01%腎上腺素棉片填塞手術通道，收縮鼻道黏膜，向外掰開中鼻甲確認蝶竇開口，然后用單極電刀做弧形黏膜瓣，翻開黏膜瓣暴露蝶骨嘴后，用高速磨鉆磨除蝶竇前壁及蝶竇內分隔，充分暴露鞍底、斜坡凹陷和兩側頸內動脈海綿竇段骨質。使用2.0 mm金剛砂鉆頭磨除鞍底骨質，直到鞍底硬膜被充分顯露，采用H 字或十字形切開硬膜，大腺瘤先行內減壓，再使用刮圈分塊切除腫瘤。切除完畢后，充分止血，鞍內填塞明膠海綿及速即紗，使用可吸收硬腦膜補片修補缺損，外層再使用生物蛋白膠進行封閉。如果術中出現鞍隔破損、腦脊液漏，可使用大腿外側筋膜及脂肪填塞鞍底，同時外層覆蓋帶蒂鼻中隔黏膜瓣修補鞍底。

1.4 統計學方法

使用SPSS 22.0 統計軟件分析數據。正態分布的計量資料以均數±標準差（）表示，非正態分布的計量資料以中位數（四分位數）[M（P25，P75）]表示；計數資料用例表示，行χ2或Fisher 確切概率法。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 術前3D重建圖像與術中內鏡下圖像比較

將常見解剖標志顯示情況進行對比分析，結果顯示：3D 重建圖像與術中內鏡下圖像顯示的解剖標志高度匹配，內鏡下能觀察到的解剖標志，在3D-Slicer 軟件中均可重建出來。上鼻甲、中鼻甲、下鼻甲以及鼻中隔在兩組中均100.0%顯示，而蝶竇開口（100.0%）和OCR（78.6%）的3D 重建圖像顯示明顯優于術中內鏡（75.0%和46.4%），差異有統計學意義（P<0.05）。見附表。

附表 術前3D重建圖像與術中內鏡下圖像比較例（%）Attached table Comparison of anatomical structure between preoperative 3D reconstruction image and intraoperative endoscopic image n（%）

2.2 3D-Slicer軟件在術前模擬垂體瘤與毗鄰結構的關系

28例患者中，3D-Slicer 均能夠清晰模擬腫瘤形態、大小及位置。腫瘤體積0.32～22.05 cm3，中位數4.20（3.00，8.10）cm3。Knosp分級中，0級至Ⅱ級16例（57.1%），Ⅲ級至Ⅳ級12例（42.9%）。甲介型蝶竇1例（3.6%），27例（96.4%）非甲介型；視神經受壓17例（60.7%），11例（39.3%）無視神經受壓；鞍底擴大8例（28.6%），20例（71.4%）鞍底沒擴大。利用CT/MRI 數據，可清晰顯示蝶竇內分隔、斜坡凹陷、鞍底、視神經管、頸內動脈、OCR 和鞍區腫瘤等結構圖像。通過自由旋轉模型，可隨意觀察腫瘤與毗鄰神經和血管解剖空間的關系。使用3D-Slicer 軟件內置模塊（Segment Editor），模擬磨除鞍底骨質，顯露腫瘤，觀察腫瘤與視神經和頸內動脈的關系。見圖1～3。

圖1 垂體瘤、頸內動脈和視神經在三維重建圖像中的空間關系Fig.1 Spatial relationship of pituitary tumor,internal carotid artery and optic nerve in 3D reconstruction images

圖2 手術中真實圖像與3D虛擬圖像Fig.2 Intraoperative real image and 3D virtual image in 3D-Slicer

2.3 手術療效和并發癥

28例患者手術入路重要結構區域，均可在3DSlicer 軟件中成功構建三維透視化模型。模擬模型與現實手術圖像吻合程度高，術中各解剖結構定位明確，可快速地尋找到蝶竇開口及打開蝶竇前壁，精確定位鞍底，根據術前計劃模擬圖像，在術中磨開鞍底骨窗，順利切除腫瘤。28例患者全部按計劃順利完成手術，未發生死亡和嚴重并發癥（腦脊液鼻漏、顱內感染和尿崩），嗅覺減退2例（7.1%）。術后復査CT 未見繼發顱內血腫，鞍底磨除骨窗范圍滿意。腫瘤全切率為78.6%。所有患者順利出院，且恢復良好。

圖3 術中實際圖像與3D重建圖像Fig.3 Intraoperative real image and 3D reconstructed image in 3D-Slicer

3 討論

3.1 神經內鏡下經鼻蝶入路現狀

神經內鏡下經鼻蝶入路是目前鞍區手術的經典入路，已成為垂體腺瘤的常規手術入路[9-10]，但其安全性和精確性受到眾多因素影響[11-13]。垂體腺瘤是良性腫瘤，但部分腫瘤因生長方式具有侵襲性，常常會侵襲海綿竇和頸內動脈，甚至壓迫或破壞蝶竇骨質等周圍結構，全切難度大，風險相對較高[14]。蝶竇內解剖結構個體化差異較大，尤其是蝶竇氣化的程度、蝶竇內骨性分隔的數目及位置關系、鞍底的位置關系、頸內動脈隆起的發達程度、覆蓋頸內動脈骨壁的骨質厚度和視神經管的膨隆程度等[15]。這就要求主刀醫師必須對經鼻蝶入路解剖結構充分了解和熟悉，還要有熟練的神經內鏡下操作技術等。以上因素都是確保神經內鏡下經鼻蝶入路手術順利完成的關鍵。神經內鏡顯示的圖像只是二維圖像，缺乏空間結構立體感，而目前術前CT 和MRI 等影像學檢查提供的數據信息，亦為二維解剖關系圖像，無法為手術入路和神經內鏡下視角圖像提供更直觀的參考作用[16]。神經內鏡手術過程中，對解剖結構空間關系的辨別完全依靠主刀醫生的三維感官能力以及手術經驗，因個體化差異的存在，對需要高度精確性的顱腦手術十分不利，尤其在經鼻蝶入路這種操作空間十分狹小的手術中，非常容易造成致命的影響，一旦出現手術并發癥，主刀醫師往往面臨巨大的壓力，以致于難以順利完成手術。

3.2 虛擬現實技術的臨床應用

近年來，虛擬現實技術得到快速發展，是最有前景的手術計劃工具之一。它可以在虛擬現實條件下，對CT 和MRI 等數據集進行快速三維重建，可以更直觀、詳細地觀察手術區域各解剖結構的空間關系，在國外已經廣泛應用于醫學教育、住院醫師培訓和手術室中，有效地促進了術前計劃，提高了手術效率。國內外有報道，使用Vitrea虛擬現實圖像處理工作站結合CT仿真內鏡技術，導入CT/MRI數據，對患者鼻蝶及鞍區解剖結構進行三維重建，通過術前觀察解剖結構，模擬內鏡操作，為手術可行性提供了更多的保障，增加了手術的安全性，亦為手術醫師提供了更多的手術實踐，并提升了醫師信心[17-18]。而這類軟件系統均需要依附相應的工作站或配套設備來實現，限制了虛擬現實技術的普及。因此，國內應用虛擬現實技術進行手術評估及規劃的報道較少[19]。3D-Slicer軟件是一款免費的開源圖像分析處理軟件，由美國兩所頂級大學聯合開發，操作界面友好，具有功能擴展和改進的作用，降低了技術門檻，逐漸被臨床醫生所使用[20]。

本研究中，在CT 和MRI 原始數據基礎上進行圖像重建，利用Volume Rendering 模塊進行頭顱重建，通過調整shift 滑塊至合適窗寬，對上鼻甲、中鼻甲、下鼻甲和鼻中隔進行觀察，調整感興趣區（region of interesting，ROI）區域，使視野深入至蝶竇內，可見蝶竇內分隔、斜坡及鞍底、頸內動脈隆突和視神經頸內動脈隆突等骨性結構。部分患者為甲介型蝶竇，蝶竇腔內結構被遮擋無法清楚顯示，通過Segment Editor 模塊，可將垂體腫瘤、視神經和頸內動脈重建并建模，用內置模塊paint、scissors 等進行圖像切割或去除，從而實現模擬內鏡下磨除蝶竇內分隔的過程。通過上述步驟，可以更輕松地模擬去除甲介型蝶竇內骨質結構，暴露鞍底骨質，去除鞍底骨質形成的骨窗的過程，從而顯露已建模的腫瘤，并調整多角度來觀察腫瘤-頸內動脈-視神經-鞍底的關系，以進一步確定磨除骨窗的大小，降低術中誤傷頸內動脈及周圍其他結構的風險。整個模擬圖像與術中經鼻蝶入路的視野相比較，兩者匹配度較高。對于甲介型、鞍前型的蝶竇及部分復雜的蝶竇分隔，術中風險及難度會大大提高，意味著需要更長的手術時間，會增加術中失血量，影響患者預后及手術效果。術者可以在術前借助3D-Slicer 軟件，實行虛擬重建技術，反復觀察并熟悉手術區域中重要的解剖結構，模擬出骨質磨除的虛擬過程，增強手術操作者的認識和信心，從而在現實手術中，做到對相關結構精準定位，避免了過度暴露或暴露不足，進一步減少了手術操作損傷及手術風險。

3.3 虛擬圖像重建過程中的問題

在虛擬圖像重建的過程中確實存在一些問題。首先，本研究中3D 建模是用于術前重建，需根據已有影像學數據生成，無法提供術中信息，故不能實現術中實時監測，尚不具有術中導航的作用；其次，垂體、鞍底硬腦膜和海綿間竇等組織結構在3D-Slicer軟件中無法建模，無法判斷其是因腫瘤壓迫而移位、變扁，還是由于原始數據的影像分辨率不足所致。

綜上所述，3D-Slicer 軟件作為免費開源軟件，能夠高度準確還原經鼻蝶入路標志性解剖結構，具有無創性、易用性和高效性，有助于外科醫師在手術前的虛擬場景中反復模擬、對比和練習，從而選擇最佳方案；有利于在手術中識別和保護重要血管、神經，增強醫師信心；通過不斷地探索、分析、判斷和總結，可提高手術精確度和安全性，減少并發癥的發生。隨著3D-Slicer 軟件在神經外科領域中的廣泛應用，將給臨床工作和醫學培養教育等領域帶來更多的便利和幫助。