CT和MRI融合配準在口腔頜面部腫瘤中的應用*

郭建徠 聶 斐 周緒經 邵益森 蔣 琳 涂佛昊

江西中醫藥大學附屬醫院口腔科,江西省南昌市 360006

頜面部腫瘤因周圍血管神經豐富,術中涉及頸部淋巴結清掃、皮瓣移植、骨移植的多方面,手術難度大,風險高,并發癥多[1]。計算機體層攝影(CT)和核磁共振(MRI)是目前外科醫師術前評估腫瘤的重要參考標準[2]。CT可清晰顯示骨組織影像,了解骨組織腫瘤及侵襲范圍,但對軟組織結構顯示欠佳 ;MRI 則軟組織分辨力高,可以很好地顯示腫瘤的浸潤范圍及病變中的不同組織成分,卻無法精確顯示骨結構。然而,上述影像收集了三維數據,通常只能在二維平面顯示,限制了腫瘤病灶的三維立體展示[3]。腫瘤的三維建模結合3D打印可以直觀立體、可操作性的多方位了解腫瘤。CT、MRI 的融合配準技術使CT 圖像骨組織和MRI軟組織成像的優勢在融合后的圖像中并存[4]。本研究旨在用CT和MRI融合圖像數據為基礎建模,分離出頜面部腫瘤模型,以精確判定腫瘤的邊界及重要毗鄰結構,以更好地進行術前規劃,同期組織缺損修復,減輕手術并發癥,早期恢復功能,提高患者生命質量。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2018年1月—2021年10月于我院接受診療的口腔頜面部腫瘤病例12例,其中男患者10例,女患者2例;年齡35～79歲,平均年齡(51.67±11.89)歲;上頜骨腫瘤患者2例、下頜骨腫瘤患者2例、口底癌1例,舌癌7例,其中3例舌癌累及頜骨、1例累及咽部。納入標準：術前行CT平掃、MRI 檢查,并應用 CT及 MRI 圖像配準融合技術建立頜面部腫瘤及顱骨模型、術前規劃并模擬手術。排除標準：(1)不能配合檢查的患者;(2)未采用手術治療方案者。

1.2 方法

1.2.1 影像檢查與審閱：患者術前行CT 及 MRI檢查 ,并保存 CT 和 MRI 數據。CT 檢 查：128 排雙源 CT 機(炫速雙源CT機,德國 Siemens),頜面部CT加后處理。MRI 檢查： MR750 3.0T磁共振掃描儀(Discovery MR750 3.0T, 美國 GE),頜面部掃描。所有患者的 CT、MRI 圖像均由1名放射科副主任醫師和1名頜面外科主任醫師雙盲評價,確定腫瘤邊界,毗鄰血管分布,是否累及周圍淋巴結。

1.2.2 CT、MRI 配準及腫瘤建模：將患者影像數據導入 3Dslicer,分別選取 CT (見圖1-Ⅰ)和 MRI Out of phase OX T2(反相位T2加權橫斷面)序列(見圖1-Ⅱ)進行配準。使用landmark registration模塊手工標記4～6個標記點,半自動配準功能計算出CT與MRI坐標系間的轉換關系,圖像配準后獲得重采樣的MRI圖像,其坐標與CT一致(見圖1-Ⅲ)。根據重采樣的MRI逐層分割出腫瘤軟組織邊界(圖 1-Ⅳ),骨組織圖像(見圖1-Ⅳ)可以在segment editor模塊通過閾值法自動分割得到,閾值區間采用 [185,3 071] ,并手動修正。最終建模得到腫瘤和顱骨的三維模型[5](見圖 2),以 STL 格式導出模型數據,3D打印后進行術前規劃,手術模擬,根據預計缺損范圍確定術后修復方案。

圖 1 CT、MRI 圖像的配準融合Ⅰ.CT 圖像 Ⅱ.MRI 檢查Out of phase OX T2序列圖像 Ⅲ.CT、MRI的融合圖像 Ⅳ.基于融合配準圖像重建的頜面部腫瘤模型

2 結果

2.1 患者影像分析及建模 通過3Dslicer軟件成功重建出頜面部腫瘤患者 CT、MRI 配準圖像,分離頜骨、腫瘤及周邊重要結構,建立了頜面部骨組織和腫瘤軟組織融合的立體模型,圖1分別列舉了上頜骨、下頜骨、舌部腫瘤的CT、MRI、融合影像、腫瘤建模橫斷面影像。圖2分別列舉了上頜骨腫瘤、下頜骨腫瘤、舌部腫瘤建模后的三維影像。圖2c為充分暴露舌部腫瘤,建模時去除了部分上頜骨的影像。

圖2 頜面部腫瘤建模后的三維影像a.上頜骨腫瘤 b.下頜骨腫瘤 c.舌部腫瘤

根據建模獲得的腫瘤模型,測量腫瘤最大直徑,平均值為(4.20±1.76)cm(1.2 ～ 8)cm。根據 TNM分期,T4N0M0的例數最多,有6例;其次為T1N0M0,有2例,T2M0N0 1例,T3M0N0 1例,T4N1M0 1例,T4N2bM0 1例。

2.2 手術結果 術前根據頜面部骨組織和腫瘤軟組織三維模型(圖2)進行手術切除模擬,評價了不同切除范圍對患者頜面部咀嚼、發音、顏面部美觀的影響。12 例患者術前模擬的手術方案與實際手術執行的一致。術中冰凍結果切緣均為陰性,按腫瘤模型預備的皮瓣及腓骨合適。術后病理11例為鱗癌,1例考慮淋巴瘤。術后追蹤腫瘤有無復發。失訪患者 2 例,中位隨訪時間 7.2個月(2 ～ 12個月)。隨訪CT或MRI 圖像均為正常術后表現,無復發征象。

3 討論

術前CT、MRI的融合匹配可以更充分地了解頜面部腫瘤與周圍組織關系,要將收集到的增強 CT 與 MRI圖像進行配準、融合、分割和三維重建,首先CT與MRI拍攝時的頭顱的位置應該是一致。CT和MRI半自動匹配是把不同模態的兩個序列圖像統一到新的坐標系。頭顱位置一致,只需要簡單的平移變換就可以較快的配準在一起,而且重復性高。如果位置明顯不一致,半自動配準后的匹配度較差。可先將CT的圖像進行轉換,三維方向調整,獲得與MRI一致頭顱位置的CT圖像,再進行半自動匹配,較易匹配,但多次轉換可能降低數據的可信度。然后,配準采用半自動的點配準方式進行,分別在CT 及 MRI 圖像上選擇具有特征性的點、線、面提取標志點。頭部可選取左、右側眼球、第2頸椎椎體及鞍底中心等 4 個解剖標志點進行配準。此外,部分病例還增加了鼻尖點、軟硬腭交界的中點等點輔助。這2個標志點靠近頜面部,有利于頜面部組織的優先配準。融合后,MRI獲得了與CT匹配的新坐標系,糾正了垂直向的空間失真,配準后再行分割的MRI圖像準確度更高。

Longo 等[6]提出了“5P”醫學的概念,包含了預防性(Preventive)、預測性(Predictive)、個體化(Personalized)、參與性(Participatory)和精準性(Precision)[7],“5P”醫學模型是一種跨學科和多學科的方法。醫學影像的日益優化和圖像處理技術的智能化為“5P”醫學的新興創造了良好的條件。術前CT、MRI的融合匹配可以更充分地了解頜面部腫瘤與周圍組織關系,精準地確定手術安全邊界;術前可使用軟件對頜骨進行旋轉,模擬切除、虛擬修復、模擬內固定置入[8],通過術前手術方案設計、操作預演、頜骨切除導板的使用,可以更好地預測手術風險、損傷范圍等;可根據術前設計的最佳截骨范圍,預測術后骨骼缺損的形狀,可個體化制作出形態、大小完全一致的頜骨缺損模型,最大限度與骨面相貼合,骨骼塑形更快而更好地匹配頜面部復雜的解剖結構[9]。目前虛擬技術亦允許即刻放置腓骨并以咬合為導向引導種植體的位置,也允許即刻的個體化義齒修復[10],但其圍手術期管理與手術流程技巧等亟待完善[7];可經患者同意3D打印出頜骨和腫瘤模型的三維建模,直觀地為患者提供術前咨詢和方案討論,加強患者的參與感。

CT與MRI配合準融合技術在術后軟組織的修復中較單獨的CT更具優勢。例如其中1例上頜骨缺損腫瘤已向鼻腔延伸,修復時不僅要考慮骨組織的缺損,還要斟酌軟組織和黏膜的缺損,可在CT和MRI配準融合的計算機模型上糾正偏曲的鼻中隔及鼻翼,恢復和諧的面中份形態,再計算分割口腔、鼻腔所需要的軟組織尺寸;還應考慮到該患者現有上頜骨牙槽嵴低平,為后期牙列的更好修復應盡量恢復正常的牙槽嵴高度,這就需要更多的軟組織[10]。

目前頜骨缺損多采用自體骨和異體骨移植,但是自體骨來源不足、異體骨容易免疫排斥,因此衍生了各種人工骨材料。如個性化塑型的骨水泥植入物,聚醚醚酮(PEEK)材料,羥基磷灰石晶體—可溶性膠原支架復合骨髓間充質干細胞和人臍靜脈內皮細胞,明膠/海藻酸鈉/58S生物玻璃骨缺損修復支架復合大鼠骨髓間充質干細胞,均獲得了較多的新生骨,骨密度接近正常骨組織。后續研究中期望能尋找出可推廣的骨缺損替代材料,實現頜骨與牙列同日重建。

綜上所述,CT、MRI圖像配準融合,可以充分發揮CT和MRI圖像的優勢,更好地了解腫瘤邊緣、性質及毗鄰解剖關系,提高頜面部腫瘤手術的預測性、個體化、參與性和精準性,在口腔頜面部腫瘤術前規劃、預后評估及術后個體化修復中有重要的應用價值。