多模態全息影像技術輔助中央區腦膜瘤手術切除的應用價值

楊吉鵬 王同聚 盧圣奎 宋燕飛 劉洪亮 孫曉楓 霍浩然 楊悅 郭麗斯 李琛

腦膜瘤是顱內最常見的良性腫瘤之一,手術切除是其最主要治療方式[1]。中央區腦膜瘤由于鄰近重要功能區,手術難度及風險較高,如何減輕患者術后的肢體功能障礙是神經外科醫生探索的重點之一[2]。隨著影像學及電子數字技術的發展,利用各種軟件基于多模影像數據的三維重建技術已逐步應用于臨床,如3DSlicer軟件,已被廣泛用于神經外科的手術治療中[3-5]。本研究利用3DSlicer、Matlab、Dsi Studio三種軟件重建13例中央區腦膜瘤患者的全息影像并進行術前評估,輔助腫瘤的手術切除,報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2021年6月至2022年10月河北醫科大學第二醫院收治的13例中央區腦膜瘤患者作為觀察組,患者均為首次入院治療,其中男4例,女9例;平均年齡(47.3±8.4)歲。根據術前核磁共振等影像學特征診斷,鐮旁腦膜瘤2例,鐮旁竇旁腦膜瘤6例,中央區凸面腦膜瘤5例,13例中3例患者存在不同程度的瘤周腦組織水腫;臨床表現:輕度頭痛4例,一側下肢力弱1例,一側下肢偶有麻木1例,無癥狀7例;查體:肌力正常12例,一側下肢肌力Ⅳ級1例,跟膝脛試驗一側略差1例;既往病史:高血壓1例,糖尿病1例。上述患者術前均行顱腦CT平掃、3D-T1WI加權成像(3D-T1WI)、彌散張量成像(DTI)等磁共振成像等影像學檢查。選取2019年6月至2021年5月未應用全息影像技術輔助的中央區腦膜瘤患者15例作為對照組,其中男4例,女11例;平均年齡(48.6±6.5)歲;其中鐮旁腦膜瘤2例,鐮旁竇旁腦膜瘤8例,中央區凸面腦膜瘤5例;臨床表現:不同程度頭痛5例,一側下肢力弱2例,無癥狀8例;查體:四肢肌力正常13例,一側下肢肌力Ⅳ級2例,一側跟膝脛試驗略差2例。2組一般資料比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表1。

表1 2組患者一般臨床特征 例

1.2 影像學檢查 患者術前常規應用3.0T磁共振儀(美國GE公司)進行3D-T1加權成像(3D-T1WI)、T1增強、三維相位對比靜脈血管成像(three dimensional phase contrast magnetic resonance venography, 3D-PC-MRV)、彌散張量成像序列檢查及顱腦三維CT平掃。

1.2.1 3D-T1WI序列:軸位掃描,TR為8.1 ms,TE為3.7 ms,層厚為1 mm,間距為0,FOV為231 mm×231 mm,矩陣為240 ×240。

1.2.2 DTI:軸位掃描,彌散梯度方向64個,TR為5 600 ms,TE為79.3 ms, FOV為240 mm × 240 mm,擴散加權系數b值為 1 000 mm2/s,矩陣為256×256,層厚 1.8 mm,層間距 0 mm,48通道線圈,激發次數2次。

1.2.3 CT掃描參數:層厚為1 mm,層間距0.8 mm,FOV為231 mm×231 mm,矩陣為240 ×240,管電壓為140 kV ,管電流為350 mA。所有影像學數據均以DICOM格式收集。

1.3 影像數據后處理 將上述影像原始數據(DICOM格式)導入3DSlicer軟件,利用General Registration(Elastix)模塊以3D-T1WI作為基準序列,將其他磁共振序列及CT數據進行配準,利用Segment Editor模塊建立顱骨、腫瘤、靜脈竇的3D模型影像。將3D-T1WI數據轉化為Nifti格式后利用Matlab軟件中的Spm12插件中的Cat12工具包去除頭皮和顱骨后得到只有腦組織的Nifti文件。將此文件導入3DSlicer軟件并在Segment Editor模塊重建大腦的三維影像。在3DSlicer軟件上同時打開之前完成的全部模型影像,即可全息呈現患者顱骨、頭皮、腫瘤、大腦皮層、上引流靜脈、上矢狀竇等解剖結構。將DTI數據以DICOM的格式轉換成Nifti格式,利用Dsi Studio軟件按照步驟重建雙側椎體束,利用Slice選項導入Nifti格式的3D-T1WI序列,配準后去除頭皮顱骨并呈現大腦皮層與錐體束的三維影像。見圖1。

1.4 手術方法

1.4.1 制定手術計劃:術者根據包含腫瘤、大腦皮層、上引流靜脈、上矢狀竇和錐體束等解剖結構的三維全息影像制定個體化的手術方案,包括手術入路的選擇、頭皮切口的設計、腫瘤切除的策略、上引流靜脈的保護措施、上矢狀竇的處理等。

1.4.2 手術過程:根據三維全息影像協助腫瘤的頭皮體表定位,選擇適合的入路方式、頭皮切口及手術體位,根據術前制定的手術方案顯微鏡下切除腫瘤,同時保護中央區的大腦皮層與上引流靜脈。

1.5 術后檢查及隨訪 術后6 h及術后第3天復查顱腦CT,明確顱內術區情況。觀察并記錄患者術后的肌力、共濟等神經功能及術后并發癥。對術后新出現肌力下降患者出院后進行隨訪。

2 結果

2.1 全息模型影像的重建結果 13例均成功重建,腫瘤最長徑22～51 mm,平均(33.6±11.4)mm,腫瘤主體位于中央溝前方6例,腫瘤主體位于中央溝后方3例,腫瘤位于中央溝正上方2例,腫瘤位于旁中央小葉下方2例;較粗大的上引流靜脈在腫瘤前部2例,上引流靜脈在腫瘤后部3例,腫瘤前后各有1根引流靜脈3例,引流靜脈走行于腫瘤下方或深部3例,腫瘤后上方存在引流靜脈1例,引流靜脈走行于腫瘤前上方1例;矢狀竇受壓局部變窄3例,無上矢狀竇閉塞的病例。根據全息影像情況,決定擬采用弧形切口小骨瓣3例,馬蹄形切口大骨瓣10例。證實13例患者術前重建結果均與術中實際情況相符。見圖2。

2.2 手術結果 觀察組患者按照術前計劃實施手術,腫瘤定位準確,手術術野顯露滿意,均順利完成腫瘤切除,其中SimpsonⅠ級切除8例,SimpsonⅡ級切除5例。對照組15例患者與觀察組13例患者的臨床特征無統計學差異。

2.3 2組患者術肢體肌力比較 觀察組患者術后1周肢體肌力正常11例(84.6%),其中術前一側下肢肌力Ⅳ級的患者術后1周肢體肌力已恢復正常,術后1周一側上肢肌力Ⅲ級1例,一側下肢肌力Ⅳ級1例,上述患者肌力下降均出現在術后第3天,出院后隨訪,此2例患者分別于術后第4周及第2～3周肌力恢復正常。對照組患者術后1周肢體肌力正常5例,對側下肢肌力Ⅳ級6例,對側上肢肌力Ⅲ級1例,對側下肢肌力Ⅲ級3例,出院后隨訪1年10例患者肌力均恢復正常,2組患者術后1周肌力差異有統計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 2組患者術后1周肌力比較 例(%)

2.4 2組患者術后腦水腫發生率比較 觀察組術后6 h復查顱腦CT,無術區出血及腦水腫病例,術后第3天術區腦組織輕度水腫1例(7.69%)。對照組術后6 h復查顱腦CT,無術區出血及腦水腫病例,術后1周內復查CT發現7例(46.67%)患者出現不同程度腦水腫,差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。

表3 2組患者術后腦水腫發生率比較 例(%)

2.5 2組患者術后住院時間比較 2組患者術后平均住院時間差異有統計學意義(P<0.05)。見表4。

表4 2組患者術后住院時間比較 d,

2.6 2組患者術后共濟失調發生情況比較 觀察組術后1周存在不同程度的共濟失調3例(23.08%),對照組有不同程度的共濟失調6例(40.00%);2組共濟失調發生情況比較,差異無統計學意義(P>0.05)。見表5。

表5 2組患者術后共濟失調比較 例(%)

2.7 2組患者術后皮下積液發生情況比較 2組術后1周發生皮下積液情況比較,差異無統計學意義(P>0.05)。見表6。

表6 2組患者術后皮下積液比較 例(%)

2.8 2組患者術后1周癲癇發生率比較 2組術后1周癲癇發生率比較,差異無統計學意義(P>0.05)。見表7。

表7 2組患者術后繼發癲癇比較 例(%)

3 討論

顯微外科手術切除是中央區腦膜瘤最主要的治療方式,術后肢體運動功能障礙目前仍是手術治療最主要的風險[6-7]。研究表明,中央區腦膜瘤術后肢體功能障礙主要由術中運動中樞皮層的直接損傷及引流靜脈損傷所致的腦水腫或出血所引起[8]。因此,術中妥善保護中央運動區皮層及中央區引流靜脈(如中央溝靜脈)是手術成功的關鍵。術前對腫瘤與大腦運動區及其周圍引流靜脈位置關系的評估對手術方案的制定至關重要[9]。但以往術者僅依靠二維的磁共振或CT影像膠片無法精準地預測腫瘤與周圍結構的位置關系,尤其是腫瘤周圍引流靜脈和錐體束的走行。

隨著影像學技術與計算機技術的發展,三維重建軟件已逐步被神經外科醫生應用于臨床工作中。其中3DSlicer軟件作為一個開源且功能強大的影像后處理軟件已被廣大神經外科醫生學習并應用,現已被用于聽神經瘤切除、腦出血穿刺外引流與微血管減壓術等神經外科手術的術前評估[10-12]。但3DSlicer軟件的功能也存在一些局限性,需與其他軟件聯合使用以重建出更高質量的全息影像[13]。本課題組決定通過3DSlicer、Matlab等多種軟件克服了單一軟件的功能缺陷,充分發揮各軟件的優勢成功建立大腦皮層、腫瘤、上矢狀竇、上吻合靜脈、顱骨、頭皮等結構的全息影像,使術者在術前更直觀、更精準地了解腫瘤與中央溝的位置關系、中央溝靜脈等上引流靜脈的走行、中央運動區移位后的位置等信息,為術者在選擇手術入路、體表定位腫瘤、設計切口及骨窗、選取與規劃硬腦膜剪開方式與范圍、制定腫瘤切除策略、初步制定功能區皮質及重要引流靜脈的保護方法等提供重要的參考依據。

全息影像技術具有的優勢:(1)在手術設計方面,根據腫瘤的大小與位置,選擇個體化的手術入路,設計適合的切口和骨瓣,有助于減少頭皮、顱骨等組織的創傷[14]。本研究中對13例患者均采用了個體化的最佳手術入路,順利顯露并切除腫瘤,3例患者通過精準定位腫瘤實現弧形小切口完整切除腫瘤,手術創傷較以往明顯減少,術后恢復快且無皮下積液等不良反應。(2)在術中指導開顱方面,特別是對于竇旁鐮旁腦膜瘤,術者可參考全息影像明確上矢狀竇相對矢狀縫的位置及走行,指導術者確定中線處鉆孔的位置與銑刀移動的路線,減少了骨瓣成形時上矢狀竇的損傷及骨窗的無效顯露。(3)在剪硬膜時,全息影像可幫助術者避免剪斷匯入硬膜或上矢狀竇的引流靜脈,有利于減少重要引流靜脈的損傷。本研究中8例鐮旁及竇鐮旁腦膜瘤患者均參考三維影像確定鉆孔位置,骨瓣成型及硬膜剪開后均順利實現理想的術野顯露,開顱過程中無上矢狀竇及引流靜脈損傷的病例。(4)在功能區皮層與引流靜脈保護方面,全息影像可呈現重要功能區皮層及引流靜脈相對于腫瘤的位置,提示術者在重點保護區域輕柔且謹慎操作,保證引流靜脈及功能區軟腦膜的完整。當中央溝或中央前回受壓嚴重時,術者無法準確地識別中央前回及確認重點保護的運動區皮層,術者可參考錐體束的走行來輔助運動中樞皮層的識別與保護[15]。本研究中13例患者腫瘤與中央溝的相對位置關系與術前呈現的完全相符。本研究觀察組13例患者在術后1周雖然仍有一側下肢肌力Ⅳ級及一側上肢肌力Ⅲ級各1例,但肌力下降均出現在術后第3天,其中上肢肌力Ⅲ級的患者術后第3天復查CT提示術區出現輕度腦水腫,與對照組相比,觀察組患者術后1周肌力表現及腦水腫情況均明顯好于對照組。觀察組2例患者術后4周肌力均恢復正常,考慮術中運動功能區皮層均已得到有效保護,可能由于術中功能區腦皮層被輕度騷擾或皮層血供術后發生變化導致在水腫高峰期出現術區腦水腫進而影響運動功能,且功能恢復期也明顯短于對照組。此外,觀察組患者術后住院時間短于對照組,雖然住院時間受多種原因影響,但縮短術后住院時間也提示全息影像技術在減少手術副損傷方面的優勢與作用。通過比較2組術后共濟失調及并發癥的發生率,未發現2組存在統計學差異,考慮與本研究的樣本量少有關。

經驗總結:(1)重建上矢狀竇與引流靜脈時,建議通過MRV聯合T1增強或對比增強磁共振靜脈成像(CEMRV)一起重建,單純MRV多采用相位對比法,對血流變慢的血液呈現較差,有時出現MRV提示上矢狀竇血流中斷而實際竇內仍存有部分血流的情況,而T1增強與CEMRV由于對比劑的流過因而假陰性率較低[16];(2)重建大腦皮層建議應用Matlab軟件,3DSlicer軟件中SwissSkullSripper模塊在去除頭皮和顱骨的同時也去掉不少皮層表面的核磁信號,導致腦溝與腦回的重建效果很不理想,無法清晰、完整的呈現中央溝與中央前后回等皮層結構,Freesurfer軟件也常出現部分皮層信號缺失的情況且耗時較長。(3)緊貼于腫瘤表面走行的引流靜脈有時不易重建,術中分離腫瘤時仍需精細輕柔操作及默契配合,盡可能避免損傷大腦皮層表面的任何血管,以減少患者術后遲發性功能障礙的發生。(4)本研究推薦Dsi Studio與Slicer軟件聯合重建錐體束,Dsi Studio可以快速自動重建錐體束,有效排除了胼胝體側束等傳導束的干擾,但對于腫瘤較大的患者有時出現錐體束重建失敗,此時需Slicer軟件進行重建。(5)當前的全息影像技術尚不能準確預測腫瘤與大腦皮層之間的粘連程度,可通過腫瘤周圍的腦水腫情況初步評估腫瘤與周圍皮層的粘連程度,瘤周水腫越明顯往往越提示腫瘤與腦皮層間無蛛網膜界面且粘連緊密。(6)當腫瘤與功能區皮質間無蛛網界面或與引流靜脈壁脈粘連緊密無法分離時,可酌情保留腫瘤包膜甚至少許腫瘤組織,不建議強行完全切除腫瘤,保證功能區皮層軟腦膜的完整及引流靜脈的回流順暢[17]。

綜上所述,基于多模影像數據的全息影像技術可在術前全方位地呈現中央區腦膜瘤手術相關的重要解剖結構,輔助術者制定個體化的最佳手術方案,有助于腫瘤的切除、上引流靜脈及運動功能皮層的保護,減少手術副損傷。