3D-Slicer軟件在難治性癲癇外科手術(shù)計(jì)劃可視化中的運(yùn)用

李佳，林久鑾，周文靜，宋憲成，王海祥，豐倩，阮靜，王思瑜

難治性癲癇患者的生活質(zhì)量差，發(fā)作率和病死率較高；其一線治療方法為手術(shù)治療[1]。近年來隨著MRI、功能MRI及PET-CT技術(shù)的提高，不僅可獲得腦組織形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，而且可從分子、代謝微觀角度，甚至腦網(wǎng)絡(luò)方面描述腦功能狀態(tài)。從而能夠更深層次地探討癲癇的病理生理機(jī)制，對(duì)癲癇的病因識(shí)別提供幫助，為臨床治療提供更為精準(zhǔn)、更具價(jià)值的影像信息[2]。本研究選取清華大學(xué)玉泉醫(yī)院癲癇中心于2018年1月—2018年6月經(jīng)嚴(yán)格的術(shù)前評(píng)估后，進(jìn)行癲癇病灶手術(shù)的患者58例。其中影像資料完整的17例患者使用3D-Slicer軟件進(jìn)行多模態(tài)融合后，指導(dǎo)癲癇病灶切除手術(shù)入路，獲得了良好效果?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 軟件介紹 3D-Slicer軟件是由哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和麻省理工學(xué)院共同開發(fā)的用于醫(yī)學(xué)圖像處理一款開源軟件[3]。基于ITK(insight segmentation and registration)和VTK(visualization toolkit)的平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像分析、導(dǎo)航手術(shù)和微創(chuàng)手術(shù)等。

1.2 一般資料 本組患者中男11例，女6例，年齡6個(gè)月～50歲,平均年齡17.8歲，病程(98±82)個(gè)月；癲癇發(fā)作頻率1～2次/月至20～30次/d；服用抗癲癇藥物1～4種。見表1。

表1 本組患者的臨床資料

1.3 方法

1.3.1 影像學(xué)檢查 采用飛利浦3.0 T磁共振掃描儀(PHILIPS-RTEC3L4)進(jìn)行MRI檢查。掃描參數(shù)，3D-T1WI：層厚1 mm，F(xiàn)OV 256×256×256，TR 7.9，TE 3.9；PCA(phase contrast angiograms)：層厚1 mm，F(xiàn)OV 200×178×198，TR 20，TE 10.1；3D-Flair：層厚1 mm，F(xiàn)OV 200×232×180，TR 5000，TE 366.8。根據(jù)術(shù)前評(píng)估需要行PET-CT(GE Discovery VCT)檢查。將上述掃描序列結(jié)果以DICOM格式導(dǎo)入3D-Slicer軟件中。

1.3.2 三維圖像重建 均由一名主管外科醫(yī)生和一名技師，依次將上述掃描序列的DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D-Slicer軟件中，首先在二維視窗中調(diào)節(jié)灰白度，可以連續(xù)觀查軸位、矢狀位、冠狀位的病灶部位。運(yùn)行Registration模塊將不同時(shí)間掃描的3D-T1WI、3D-Flair、PCA、PET、CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)成功后，通過Volume、Volume Rendering和Segment Editor等模塊，在三維視窗將3D-T1WI序列重建出頭皮、CT圖像重建顱骨、3D-Flair重建腦實(shí)質(zhì)、PCA重建血管等依次操作后，在二維及三維視窗同時(shí)切換查看。另外通過手動(dòng)調(diào)整透明度、閾值逐層顯示查看頭皮、血管及大腦溝回的位置關(guān)系。必要時(shí)重建出纖維束，指導(dǎo)功能區(qū)的定位。此外，還可對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、剪輯以及測(cè)量，從不同角度、方向進(jìn)行觀查。根據(jù)術(shù)前評(píng)估及重建圖像進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃設(shè)計(jì)及模擬。

2 結(jié) 果

2.1 手術(shù)效果 本組17例患者均成功進(jìn)行了術(shù)前計(jì)劃及模擬，并順利完成手術(shù)。所有患者的實(shí)際手術(shù)情況與3D重建后圖像吻合；全麻后，在顯微鏡下成功切除癲癇病灶。術(shù)后2周及6個(gè)月時(shí)復(fù)查頭顱MRI顯示，手術(shù)切除范圍與術(shù)前計(jì)劃相吻合。見表1。

2.2 3D-Slicer指導(dǎo)手術(shù)的典型病例 病例17，男，4歲。出生后3個(gè)月首次出現(xiàn)癲癇發(fā)作，表現(xiàn)為動(dòng)作中止、雙眼向左側(cè)斜、身體前后輕微晃、雙眼上瞼向上抽動(dòng)、雙上肢下垂無力；發(fā)作時(shí)無肢體抽搐，意識(shí)清楚，能言語，但吐字不清。此后每天均有發(fā)作，多在清醒時(shí)發(fā)作。入院后腦電圖檢查顯示，右側(cè)額中央-中線區(qū)節(jié)律性放電起始的發(fā)作。常規(guī)MRI檢查顯示，右額葉上部近中線區(qū)皮層異常；將MRI結(jié)果導(dǎo)入3D-Slicer后重建清晰顯示右額中線區(qū)病灶(圖1A、B虛線所示)。PET(圖1C)示額中線區(qū)代謝減低。將3D-T1WI和PET圖像融合后獲得圖1D，調(diào)節(jié)透明度后，可以清楚顯示低代謝在MRI上的位置范圍。切換到3D視窗中，用3D-T1WI重建出頭皮(圖2A)，PET-CT中的CT重建顱骨(圖2B)，位相增強(qiáng)血管像(Phase contrast angiograms，PCA)重建血管(圖2C)，調(diào)節(jié)閾值可以清晰地看出人字縫下的血管(圖2C)，可以辨認(rèn)出術(shù)前計(jì)劃的腦溝回(圖2C、D)。圖2中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樾g(shù)前計(jì)劃切除的范圍。病灶接近中線區(qū)，根據(jù)術(shù)前的切除計(jì)劃，開顱過程中未損傷大血管，術(shù)中通過導(dǎo)航驗(yàn)證切除范圍。術(shù)前根據(jù)MRI數(shù)據(jù)重建大腦及腦表面動(dòng)靜脈血管，術(shù)前計(jì)劃保留粗額葉回流靜脈(圖3A)。術(shù)中開顱剪開硬腦膜后暴露術(shù)區(qū)，對(duì)比術(shù)前重建圖像辨識(shí)腦溝回及需要保留的血管(圖3B)；參照術(shù)前規(guī)劃的切除范圍切除致癇灶，保留術(shù)前標(biāo)識(shí)的回流靜脈(圖3C)。術(shù)后復(fù)查MRI顯示成功切除病灶(圖3D)。術(shù)后，病理檢查為FCDⅠb；隨訪患兒1年半無發(fā)作。

3 討 論

常規(guī)的MRI、CT及PET圖像是基于矢狀位、冠狀位和軸位的二維圖像，使對(duì)病灶的定位僅局限于二維的范疇。然而，真正的立體空間是三維的[4]。3D-Slicer輔助三維重建可視化手術(shù)規(guī)劃，不僅可以提供癲癇外科醫(yī)師準(zhǔn)確的術(shù)前三維的切除計(jì)劃、切除范圍；而且可以直按照術(shù)前的三維規(guī)劃進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的病灶切除，保證術(shù)前多學(xué)科集體討論的手術(shù)方案得以準(zhǔn)確落實(shí)；最大程度地提高癲癇患者術(shù)后的療效。癲癇外科的切除手術(shù)與腦腫瘤切除手術(shù)是不一樣的。腦腫瘤的切除是比較明顯的病變，即MRI影像上有比較明確的目標(biāo)；術(shù)中暴露后可以在顯微鏡下或者導(dǎo)航輔助下定位腫瘤位置。而癲癇外科的病灶切除計(jì)劃是比較復(fù)雜的，癲癇灶不等于病灶，癲癇灶的確定依賴術(shù)前評(píng)估，要綜合癥狀學(xué)、腦電圖及影像學(xué)的表現(xiàn)來確定手術(shù)范圍[5]。在實(shí)體組織上癲癇灶可以是肉眼觀察或影像學(xué)檢查正常的腦組織；所以在術(shù)中肉眼無法識(shí)別正常的腦組織和具有致癇性需要切除的腦組織。癲癇外科的切除目標(biāo)、切除范圍是多學(xué)科討論評(píng)估，并且基于癥狀學(xué)表現(xiàn)、功能和解剖影像學(xué)及腦電圖檢查的結(jié)果得出的。相比較依據(jù)二維影像制定的手術(shù)計(jì)劃切除目標(biāo)和范圍，采用3D-Slicer重建可視化的手術(shù)規(guī)劃無疑更加直觀準(zhǔn)確；并且與術(shù)中的真實(shí)場(chǎng)景沒有維度的差別和變化，可以更加直觀、準(zhǔn)確地引導(dǎo)外科醫(yī)師進(jìn)行手術(shù)，避免手術(shù)偏差造成不必要的腦功能損害。如本研究的典型病例患者，其MRI顯示有一處病灶，綜合發(fā)作癥狀、腦電圖表現(xiàn)與PET-CT低代謝范圍(圖3)，確定了以病灶為中心的切除范圍，并將切除范圍通過3D-Slicer繪制出來；在手術(shù)時(shí)就有比較明確的目標(biāo)，依照溝回形狀及血管走行特點(diǎn)在術(shù)中很容易找到切除范圍。

3D-Slicer輔助三維重建可視化手術(shù)規(guī)劃可以對(duì)手術(shù)路徑進(jìn)行模擬，使開顱手術(shù)更加安全、微創(chuàng)。顱腦從外及里分為頭皮、顱骨、硬膜、腦表面靜脈和靜脈竇以及腦表面等層次和結(jié)構(gòu)。對(duì)于神經(jīng)外科醫(yī)師來說，有了3D-Slicer輔助三維重建可視化手術(shù)規(guī)劃，可以設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確、適合的頭皮切口位置和范圍。傳統(tǒng)的手術(shù)切口的設(shè)計(jì)根據(jù)二維影像和解剖結(jié)構(gòu)，進(jìn)行一些簡單的測(cè)量，設(shè)計(jì)頭皮切口，比較粗略；為了保證暴露病灶，常需要適當(dāng)?shù)卦龃箢^皮切口。其實(shí)開顱就是一層層侵入的過程，開顱時(shí)是否掌握頭皮上動(dòng)脈的位置、手術(shù)區(qū)域顱骨的信息(厚薄、有無氣房、板障是否發(fā)達(dá)、顱骨下方是否有大靜脈)，對(duì)手術(shù)的安全性有相當(dāng)重要的影響。預(yù)知手術(shù)路徑的風(fēng)險(xiǎn)，可以提前做好準(zhǔn)備或者規(guī)避。顱骨鉆孔、銑開可能會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)(圖4)。如一些板障厚的或者硬腦膜動(dòng)脈、靜脈、蛛網(wǎng)膜顆粒嵌入顱骨內(nèi)板造成壓跡，或顱骨內(nèi)板與硬膜粘連緊密的，顱骨鉆孔、銑開時(shí)可能出現(xiàn)兇猛出血，甚至銑開硬膜，撕斷橋靜脈；如果是中央靜脈或者Labe靜脈撕裂的話，則后果很嚴(yán)重。預(yù)知靜脈竇和橋靜脈的位置，可以設(shè)計(jì)更加合理的鉆孔位置和銑刀行走路線；并且操作時(shí)更加仔細(xì)，避免鉆頭過度用力沖擊硬腦膜，造成硬腦膜或血管損傷。

3D-Slicer輔助三維重建可視化手術(shù)規(guī)劃可以辨認(rèn)出手術(shù)暴露區(qū)域的腦回和血管，進(jìn)而標(biāo)記出手術(shù)切除的溝回。也可以預(yù)先觀察了解周圍非暴露區(qū)域的腦溝回及血管走行，預(yù)知其解剖和功能，保障手術(shù)安全。通過溝回血管比對(duì)辨識(shí)，可明確暴露區(qū)域的各個(gè)溝回血管的解剖與功能，確定切除區(qū)域及需要保護(hù)的腦功能區(qū)域。同時(shí)，也能清楚地觀察到毗鄰的非手術(shù)暴露區(qū)域的腦溝回形態(tài)和血管走行；可術(shù)前規(guī)劃制定更加安全的手術(shù)策略。本研究典型病例的癲癇灶位于右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(圖1)，切除的范圍比較小，并鄰近上矢狀竇，其后為中央前回，切除的區(qū)域又被彎曲的中央前靜脈根部包繞，一旦損傷會(huì)造成中央前回靜脈回流障礙，引起偏癱。而且術(shù)中見中央前靜脈根部提前進(jìn)入硬腦膜匯入竇，所以內(nèi)側(cè)面要切除的腦區(qū)不能掀開此處硬膜得到暴露；手術(shù)時(shí)只是暴露了藍(lán)色區(qū)域，通過藍(lán)色區(qū)域的軟腦膜下吸除，逐漸到達(dá)不能暴露的內(nèi)側(cè)面，保證了靜脈根部匯入靜脈竇處的安全[6]。

另外，3D-Slicer支持3D打印[7]，支持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[8]。手術(shù)醫(yī)師可以佩戴專門的VR眼鏡學(xué)習(xí)、研究虛擬的三維圖像[9]，熟悉個(gè)體化手術(shù)過程及路徑；從而更好地理解手術(shù)患者的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)(圖5)。并且在術(shù)前談話中，也可利用重建圖像更好地向患者及家屬解釋手術(shù)方案及風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)制定各種應(yīng)急預(yù)案[10]，該軟件可以在官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載，而且是開源軟件，后續(xù)的開發(fā)及模塊的運(yùn)用有百余種；可運(yùn)用于多學(xué)科領(lǐng)域[11-13]，為更好、更快、更安全地完成手術(shù)做充分的準(zhǔn)備。

綜上所述，采用3D-Slicer進(jìn)行多模態(tài)融合制定的手術(shù)計(jì)劃可以使得癲癇外科手術(shù)更加精確、微創(chuàng)、安全，并且有著很好的前景，是癲癇外科未來的發(fā)展方向；應(yīng)在癲癇外科臨床治療中推廣應(yīng)用。