顱腦腫瘤MRI及CT圖像三維重構(gòu)的應用研究

萬衛(wèi)平 許永華 劉東陽 陳雷 汪東 曾建喬 趙殿輝 陶曉峰

1.上海市閘北區(qū)中心醫(yī)院影像科，上海 2000070；2.中國科學院上海臨床中心、上海市徐匯區(qū)中心醫(yī)院影像科，上海 200031；3.上海市第九人民醫(yī)院影像科，上海 200011

目前顱腦腫瘤檢查主要依賴CT或MRI掃描，臨床治療主要采用手術(shù)或放療，治療前的準確診斷及病變范圍的正確判斷非常重要。顱腦CT與MRI影像圖像“渲染型”融合多年來已有應用報道[1-2]，但對顱腦腫瘤進行數(shù)字化三維重構(gòu)圖像融合的研究罕見報道。本研究嘗試通過采集活體顱腦腫瘤的CT和MRI影像數(shù)據(jù)，分別應用Mimics V10.0軟件進行數(shù)模建模后相互融合，可獲得三維重構(gòu)融合圖像。該圖像具備人、機交互功能，可隨意拖拽，且可從不同角度觀察，對不同組織著色，為數(shù)字醫(yī)學研究在顱腦腫瘤臨床中的應用提供直觀清晰的三維立體圖像，尤其對累及顱骨病變的顯示,較單純MRI和CT成像有一定的優(yōu)越性。

1 資料和方法

1.1 研究對象

收集2009年3月—2012年12月在上海市閘北區(qū)中心醫(yī)院和上海市徐匯區(qū)中心醫(yī)院經(jīng)MRI檢出并行高分辨CT（high-resolution computed tomography，HRCT）掃描的顱底腫瘤患者28例，所有病例均經(jīng)手術(shù)或臨床證實，其中腦膜瘤5例、膠質(zhì)瘤6例、多發(fā)性骨髓瘤7例、腦轉(zhuǎn)移瘤3例、聽神經(jīng)瘤2例、顱底骨巨細胞瘤1例、骨纖維結(jié)構(gòu)不良1例、血管外皮瘤1例、生殖細胞瘤1例、基底動脈瘤1例。男性11例、女性17例；年齡20～89歲，平均（55.2±4.5）歲。28例患者均同時注射對比劑行增強掃描，均于5 d內(nèi)行HRCT掃描。

1.2 設備和方法

采用PHILIPS公司Intera Achieva 1.5 T 超導MRI掃描儀，掃描序列包括自旋回波（spin echo，SE）序列、快速自旋回波（fast spin echo，F(xiàn)SE）序列、T2液體衰減反轉(zhuǎn)恢復（fluid-attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR）序列，行橫斷面、矢狀面、冠狀面掃描，獲得平掃T1WI和T2WI。28例病例同時采用對比劑釓噴酸葡胺（gadopentetate dimeglumine，Gd-DTPA）增強掃描，獲得增強T1WI，劑量0.2 mmol/kg。所有病例均行無間距掃描（層厚 l～2 mm）。采用SIEMENS公司Somatom Sensation 16層螺旋CT及GE公司 Light-Speed 2層螺旋CT掃描儀?；颊哐雠P，掃描范圍下頜角平面至雙側(cè)側(cè)腦室上緣平面，掃描基線平行聽眶線。掃描參數(shù)：準直器寬度16×0.75，螺距1.0，X線管旋轉(zhuǎn)時間0.42 s/r，圖像重組層厚0.75 mm，間距0.75 mm，運用高分辨骨算法重建，軸面圖像視野（field of view，F(xiàn)OV）與MRl軸面圖像保持完全一致。

1.3 圖像融合及三維重構(gòu)

將所有病例的CT、MRI掃描Dicom格式影像數(shù)據(jù)以三維體數(shù)據(jù)形式分別導入Mimics V10.0軟件。在進行三維實體重建時，首先應用閾值選取（thresholding）技術(shù)，根據(jù)所需重建組織的不同密度范圍，在操作者選定所要重建組織結(jié)構(gòu)后，軟件自動獲得該組織的閾值范圍，接受這一閾值范圍后，便獲得該組織的原始蒙片[3]。通過區(qū)域選擇和手工去除干擾，對選定區(qū)域進行三維重構(gòu)模型的建立。所獲圖像可進行任意分割及重建后處理，還可加上不同的偽彩，最終獲得對腫瘤及其鄰近組織的表面、半透明、立體及任意剖面顯示等多種三維重構(gòu)圖像結(jié)果。

2 結(jié)果

三維重構(gòu)及圖像融合可全方位立體化、任意選定多色彩顯示病變及鄰近結(jié)構(gòu)（圖1），圖像可根據(jù)需要進行多種再處理（圖2～6）。顱骨全部去除（圖2 A、B）、部分去除顱骨或“開天窗”（圖2C、3A、4A、4B）及加上半透明化處理（圖2D、3B、4C、4D），也可顯示或隱掉腦室系統(tǒng)（圖1、2），使腫瘤顯示可視化、直觀化。累及顱骨的病變（原發(fā)或轉(zhuǎn)移性病變）顯示較MRI及CT圖像更直觀、準確（圖5）。通過三維有限元法計算分析腫瘤組織體積，計算精確度提高（圖4、6），可為臨床教學、病例討論、手術(shù)方案制訂提供直觀、可視化圖像。

圖1 不同方向和角度顯示腫瘤所在位置、病變范圍及與腦室的關(guān)系A～D：63歲男性顱底骨巨細胞瘤患者；E～G：56歲男性顱底多發(fā)性骨髓瘤患者。紅色示腫瘤組織，黃色示腦室系統(tǒng)，銀色示顱骨

圖2 60歲男性腦轉(zhuǎn)移瘤患者三維重構(gòu)A、B：顱骨全部去除； C：部分顱骨去除（“開天窗”）；D：部分顱骨去除加半透明化處理

圖3 89歲女性腦膜瘤患者三維重構(gòu)A：部分顱骨去除；B：部分顱骨去除加半透明化處理

圖4 57歲女性顱內(nèi)血管外皮瘤患者三維重構(gòu)可通過三維有限元法一系列計算分析病變組織體積，使計算精確度提高。紅色示瘤體，綠色示瘤周水腫組織

圖5 78歲女性骨纖維結(jié)構(gòu)不良患者三維重構(gòu)A：病變顱骨加軟組織；B：病變顱骨內(nèi)側(cè)觀；C：病變顱骨外側(cè)觀；D～F：病變（顱骨加軟組織）內(nèi)外側(cè)觀、顱骨半透明觀

圖6 61歲女性惡性腦膜瘤患者三維重構(gòu) A～C：顯示顱骨半透明下觀察腫瘤（紅色）、鄰近水腫（綠色）及顱骨受累（土黃色）狀況；D：有限元計算可精確計算腫瘤體積

3 討論

顱腦腫瘤影像數(shù)據(jù)三維數(shù)模圖像融合重構(gòu)技術(shù)不同于傳統(tǒng)三維重建技術(shù)，盡管目前臨床上使用的MRI和CT成像設備都包含三維重建軟件包，可對獲取的二維影像數(shù)據(jù)進行各種三維重建處理，但這種三維影像僅僅是可視化的，其建立在像素基礎上，不能工程化應用，不能進行任意角度圖像切割及分析處理[4]。本研究利用工程學應用的三維有限元Mimics V10.0軟件，將二維影像數(shù)據(jù)進行三維數(shù)字化重構(gòu)，其重構(gòu)數(shù)據(jù)格式為三角面網(wǎng)格STL格式，可以多種通用格式輸入多種計算機輔助科研軟件，為顱腦腫瘤影像數(shù)字化、精細化研究提供基礎。

隨著MRI和CT成像技術(shù)的不斷發(fā)展，可獲得清晰的顱腦腫瘤二維數(shù)字斷層圖像，目前國內(nèi)外對形態(tài)學與功能學圖像的融合（如PET與CT圖像）及形態(tài)學圖像之間的融合（如MRI與CT圖像）研究較多[5-6]，對顱骨等全身骨骼系統(tǒng)進行數(shù)字化三維重構(gòu)圖像融合的研究也較多[7-8]，但對顱腦腫瘤進行數(shù)字化三維重構(gòu)圖像融合的研究則罕見報道。

顱腦結(jié)構(gòu)相對比較復雜，尤其是發(fā)生在顱底的腫瘤常常侵犯周圍的組織結(jié)構(gòu)及鄰近顱骨，臨床治療主要采用手術(shù)或放療，故治療前的準確診斷、精確定位、明確顯示腫瘤邊界及其對鄰近顱骨等結(jié)構(gòu)的侵犯非常重要。MRI對顱腦腫瘤與周圍軟組織的關(guān)系、腫瘤內(nèi)部成分判定的作用重大，但對累及顱骨的病變，尤其在顯示顱骨破壞程度或受累范圍等方面，有一定的局限性[9]。CT在顯示骨性結(jié)構(gòu)病變及破壞程度等方面優(yōu)于MRI，但由于常規(guī)CT僅為橫斷面掃描，在對顱骨病變受累確切范圍判斷和體積準確計算等方面不盡人意，因此與CT和（或）MRI以像素為基礎的重建及計算相比，數(shù)字化三維重構(gòu)圖像融合在此方面有較明顯的優(yōu)越性[10]。利用Mimics軟件對MRI及CT采集的Dicom數(shù)據(jù)進行計算機后處理重建、圖像融合，解除了傳統(tǒng)重建時對MRI及CT設備的依賴，以及只能通過膠片進行觀察分析的束縛，更方便臨床醫(yī)師的參與和理解。此外，利用Mimics軟件還可對腫瘤、顱內(nèi)結(jié)構(gòu)和顱骨進行偽彩染色重建，融合后的數(shù)字化三維模型不但使病變顯示內(nèi)容更豐富，而且更有利于各臟器組織之間的對比識別[11]。

三維重構(gòu)所獲得的融合圖像可進行任意分割及重建后處理，還可加上不同的偽彩，最終獲得對腫瘤及其鄰近組織的表面、半透明、立體及任意剖面顯示等多種三維重構(gòu)圖像融合結(jié)果，可為臨床教學、病例討論、手術(shù)方案制訂等提供直觀、可視化、可任意操作化的圖像，對臨床手術(shù)方式和治療方案的確定具有較重要的指導價值[12]。本組28例患者10種病理類型的顱腦腫瘤，均獲得令人滿意的一系列數(shù)字化三維重構(gòu)融合圖像。

本研究也發(fā)現(xiàn)MRI與CT融合圖像的質(zhì)量與原始CT、MRI圖像的采集層厚關(guān)系密切，層厚越薄，融合圖像的質(zhì)量越高。結(jié)果表明，層厚≤2 mm可滿足融合圖像的臨床要求，與以往文獻報道相仿。這也是圖像融合的局限性所在，因為層厚越薄，患者MRI及CT檢查時間越長，患者所接受的射線劑量也相應增加。總之，顱腦腫瘤數(shù)字化三維重構(gòu)圖像融合作為顯示顱腦腫瘤的一種新的嘗試，是顱腦腫瘤影像學檢查的一種補充方式，可為臨床教學、病例討論、手術(shù)方案制訂提供直觀、可視化的圖像，具有一定的應用價值和臨床意義。

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