顳骨HRCT三維重建測量乳突氣房表面積與容積的臨床意義

于鋒，黃佳麗,3，林穎，鄒子柔,3

(1.廣州市紅十字會醫(yī)院 耳鼻咽喉頭頸外科，廣東 廣州 510220； 2.暨南大學(xué)耳鼻咽喉頭頸外科研究所，廣東 廣州 510220； 3.廣州醫(yī)科大學(xué)耳鼻咽喉頭頸外科研究所，廣東 廣州 510620； 4.廣州市第十二人民醫(yī)院 耳鼻咽喉頭頸外科，廣東 廣州 510620)

中耳負(fù)壓不僅是分泌性中耳炎、中耳膽脂瘤等中耳疾患形成的重要原因，也是中耳膽脂瘤等疾病術(shù)后復(fù)發(fā)的重要因素。中耳負(fù)壓的形成源于中耳壓力調(diào)節(jié)的失敗。乳突氣房和咽鼓管在中耳壓力的調(diào)節(jié)中都占據(jù)著重要的地位[1]。近年，大量研究者致力于探討改善咽鼓管功能的有效治療方法以改善中耳負(fù)壓，并取得了不錯的進(jìn)展，但少有關(guān)于乳突氣房功能重建改善中耳負(fù)壓的研究被報道。乳突氣房(mastoid air cells，MAC)維持中耳壓力平衡，主要通過兩種功能，即儲備氣體的壓力緩沖功能和表面黏膜的氣體交換功能[2-5]。乳突氣房的容積(volume，V)越大，其儲備氣體的壓力緩沖功能就越強(qiáng)，乳突氣房的表面積(surface area，SA)和表面積容積比(surface-to-volume ratio，SA/V)越大，其氣體交換功能就越強(qiáng)。本研究擬通過三維重建顳骨HRCT乳突氣房測量乳突氣房SA、V、SA/V，探討乳突氣化型成年人中SA、V、SA/V的正常參考值范圍及特征，為進(jìn)一步乳突氣房功能研究、生理建模及功能重建提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象

回顧性分析2016年1月—2017年6月在廣州市紅十字會醫(yī)院行顳骨HRCT平掃患者的臨床資料。入選研究對象均滿足以下納入標(biāo)準(zhǔn)：①成年患者；②雙側(cè)乳突氣房掃描完整；③氣化型乳突；④無中、內(nèi)耳解剖結(jié)構(gòu)變異及畸形；⑤耳內(nèi)鏡、純音聽閾測試、聲導(dǎo)抗檢查排除中耳疾患。

符合納入標(biāo)準(zhǔn)的乳突氣化型成年患者共108例(216耳)，其中男51例(47.22%，51/108)，女57例(52.78%，57/108)；年齡18～79歲，平均年齡(48.8±14.6)歲。

1.2 研究方法

1.2.1 CT檢查方法 采用日本東芝公司AQUILION 64排螺旋CT行顳骨薄層掃描，患者取仰臥位，以聽眶上線為基線，頭顱擺位須左右對稱，掃描范圍自巖尖上緣至乳突尖部。掃描參數(shù)：層厚0.5 mm，像素點(diǎn)陣0.331 mm，高分辨率骨算法重建，重建間隔0.3 mm，窗寬4 500 Hu，窗位450 Hu。

1.2.2 測量方法 乳突氣房SA、V測量：顳骨HRCT數(shù)據(jù)以DICOM文件格式導(dǎo)入至Mimics Medical 21.0軟件中，界定乳突氣房平均CT值閾值-1 024～-200 Hu，將含氣部分從原始掃描資料中分離出，分離出的含氣部分在各掃描層界面上以指定的綠色顯示(圖1A)。逐層檢查各掃描層乳突氣房是否與其他含氣腔室相通，使用編輯功能將與之相通的其他含氣腔室顯色部分在連接處涂抹掉，確保每一層面乳突氣房與其他含氣腔室不通后，使用區(qū)域增長功能將目標(biāo)相連像素進(jìn)行局域集合，使乳突氣房在各掃描層被完整分離并以指定的藍(lán)色顯示(圖1B)。對分離的乳突氣房進(jìn)行三維重建，所有藍(lán)色標(biāo)記的像素相互連接立體成像形成重建的氣房(圖2A)。重建的氣房表面由大量帶有向量的三角平面覆蓋拼湊形成(圖2B)。所有三角平面面積的總和即為乳突氣房SA，所有組成像素體積的總和即為乳突氣房V。

圖1 乳突氣房三維重建方法 A：Hu閾值設(shè)置-1 024～-200 Hu后的CT冠位窗口，見含氣部分均被分離并以指定的綠色顯示(存在噪點(diǎn))；B：使用編輯及區(qū)域增長功能將乳突氣房自含氣部分進(jìn)一步分離后的CT冠位窗口，見乳突氣房以指定的藍(lán)色顯示(噪點(diǎn)已消除)

圖2 三維重建的乳突氣房 A：三維重建的乳突氣房； B：三維重建的乳突氣房表面由大量帶有向量的三角平面覆蓋拼湊形成

所有患者的顳骨HRCT資料均由經(jīng)驗(yàn)豐富的影像科醫(yī)生判讀，通過Mimics Medical三維重建軟件對圖像進(jìn)行三維重建并測量乳突氣房SA、V。SA測量結(jié)果精確到0.01 mm2，V測量結(jié)果精確到0.01 mm3，SA/V計算結(jié)果精確到0.000 1 mm-1。所有數(shù)據(jù)均經(jīng)2次測量，取2次測量結(jié)果的平均值。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 SA、V、SA/V參考值范圍

108例(216耳)乳突氣化型成年患者乳突氣房SA經(jīng)K-S正態(tài)性檢驗(yàn)呈偏態(tài)分布，中位數(shù)為9 220.20(6 837.42～12 472.07)mm2，按照百分位數(shù)法，雙側(cè)95%參考值范圍為3 105.70～21 218.66 mm2；V呈偏態(tài)分布，中位數(shù)為7 255.86(5 178.03～9 796.77)mm3，按照百分位數(shù)法，雙側(cè)95%參考值范圍為2 185.78～19 297.57 mm3；SA/V呈正態(tài)分布，平均為(1.309 8±0.244 4)mm-1，按照正態(tài)分布法，雙側(cè)95%參考值范圍為0.830 8～1.788 8 mm-1。

2.2 各測量值性別間比較

108例(216耳)乳突氣化型成年患者中51例(47.22%，51/108)為男性患者，57例(52.78%，57/108)女性患者。男性左耳乳突氣房SA、右耳乳突氣房SA、左耳乳突氣房V和右耳乳突氣房V等測量值均大于女性，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)；男性左耳乳突氣房SA/V、右耳乳突氣房SA/V均小于女性，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)。詳見表1。

表1 各測量值性別間比較 (男=51例，女=57例)

2.3 各測量值左右耳間比較

108例乳突氣化型成年患者中，左耳與右耳乳突氣房SA、SA/V等測量值數(shù)值接近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；左耳乳突氣房V大于右耳，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。詳見表2。

表2 各測量值左右耳間比較

3 討論

乳突氣房在中耳壓力調(diào)節(jié)中起一定作用，主要通過兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：乳突氣房的壓力緩沖和乳突黏膜的氣體交換[1]。氣化型乳突氣房增加了中耳的含氣空間，使得中耳更易耐受壓力的變化，起到了壓力緩沖的作用[3-4]。其內(nèi)大小不一的氣房被較薄的骨壁分隔但又相互連通，大大增加了其表面積，氣房的內(nèi)表面被覆一層無纖毛的薄層黏膜，依靠黏膜中豐富毛細(xì)血管的濃度/壓力梯度進(jìn)行氣體交換，在維持中耳壓力平衡中發(fā)揮一定的作用[6-7]?；撔灾卸缀椭卸懼龅炔∽兝奂叭橥粴夥炕蚴侨橥槐旧須饣涣?，導(dǎo)致乳突氣房此功能不全甚至完全喪失，影響中耳壓力平衡，產(chǎn)生中耳負(fù)壓，不僅與中耳疾病的發(fā)生相關(guān)，還是術(shù)后復(fù)發(fā)的原因之一[8-10]。因此，中耳乳突術(shù)后重建乳突氣房功能有望減少中耳乳突術(shù)后負(fù)壓產(chǎn)生，減少化膿性中耳炎、中耳膽脂瘤等病變術(shù)后復(fù)發(fā)。乳突氣房功能的發(fā)揮與其解剖特征密切相關(guān)，探討乳突氣房功能并重建其功能，首先應(yīng)明確健康氣化型乳突氣房SA、V、SA/V等與其功能密切相關(guān)的重要解剖參數(shù)的正常參考值范圍及特征。本研究采用了基于顳骨HRCT三維重建乳突氣房的測量方法，揭示了健康氣化型乳突氣房SA、V、SA/V的參考值范圍及特征。

3.1 測量方法

乳突氣房SA、V等幾何參數(shù)無法直接測量，主要通過對顳骨CT資料進(jìn)行影像后處理的方法間接測量，本文使用的CT閾值三維重建測量法被認(rèn)為是目前測量乳突氣房SA、V最為精準(zhǔn)的測量方法。Luntz 等[11]為了驗(yàn)證此方法的準(zhǔn)確性，設(shè)計了一種密度與骨密度相近的聚乙烯管狀系統(tǒng)模型，各管中空且相互連接，其內(nèi)容積已知。使用CT閾值三維重建測量法測量管狀系統(tǒng)模型的體積，發(fā)現(xiàn)其體積與已知的體積相同，證實(shí)了CT閾值三維重建測量法的準(zhǔn)確性。 采用此方法測量乳突氣房SA、V，其結(jié)果精準(zhǔn)度受CT數(shù)據(jù)分辨率、分割閾值設(shè)置以及三維重建優(yōu)化表面算法等因素的影響。CT掃描的分辨率是影響測量結(jié)果的一個重要因素，分辨率越高測量到更微小的氣房就越多，測量結(jié)果就越精準(zhǔn)。Cros等[12]通過使用CT閾值三維重建測量法測量同一樣本不同分辨率CT掃描資料的乳突氣房幾何參數(shù)，證實(shí)分辨率越高測量結(jié)果越精準(zhǔn)；測量過程中閾值的設(shè)置亦是一個影響測量結(jié)果精準(zhǔn)度的重要因素[13]。CT圖像上各個體素的CT值代表相應(yīng)空間內(nèi)所有組織的平均CT值，單一體素內(nèi)是無法區(qū)分不同組織的，這被稱之為部分容積效應(yīng)。如果閾值設(shè)置過低，與黏膜表面交界的部分含氣空間將有可能不被提取出重建測量，如果閾值設(shè)置過高，提取出重建的部分將可能包含軟組織甚至骨質(zhì)。Byun等[13]針對同一樣本高分辨CT掃描數(shù)據(jù)使用不同CT值閾值進(jìn)行乳突氣房SA、V的測量，發(fā)現(xiàn)閾值設(shè)置為-200 Hu時，測量出的結(jié)果最準(zhǔn)確；不同的醫(yī)學(xué)影像后處理軟件在重建過程中是否采用優(yōu)化處理或采用的優(yōu)化處理具體算法都不一致，使用不同的軟件對CT數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和測量，自然可能會得到有差異的結(jié)果。Byun通過對像素平方算法(square pixel based algorithm，SP)和行進(jìn)平方算法(marching square algorithm，MP)兩種算法進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)MP作為優(yōu)化算法，其結(jié)果更加準(zhǔn)確[13]。直接用于TDP技術(shù)的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)軟件對醫(yī)學(xué)影像資料進(jìn)行三維重建后以STL格式儲存，STL格式儲存的三維重建物體其表面由許多帶有向量的微小三角形平面相互連接構(gòu)成，可以使重建表面更加接近于真實(shí)的物體表面，重建乳突氣房表面所有三角形平面的面積總和便是乳突氣房的表面積。為求精準(zhǔn)的乳突氣房SA、V測量結(jié)果，本研究采用Mimics醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)三維重建顳骨HRCT乳突氣房，分割閾值范圍設(shè)置-1 024～-200 Hu。本研究中108例(216耳)乳突氣化型成年人乳突氣房呈偏態(tài)分布，中位數(shù)為9 220.20(6 837.42～12 472.07)mm2；V呈偏態(tài)分布，中位數(shù)為7 255.86(5 178.03～9 796.77)mm3；SA/V呈正態(tài)分布，平均為(1.309 8±0.244 4)mm-1。其中乳突氣房V與國內(nèi)同樣使用三維重建方法的金和娟等[14]報道的數(shù)值相似，比未使用三維重建方法的張國來等[15-16]報道的數(shù)值更大。

3.2 乳突氣房容積

乳突氣房V是反映乳突氣房壓力緩沖功能的重要解剖參數(shù)，Cinamon 等[3-4,17]通過各自的實(shí)驗(yàn)設(shè)計證實(shí)了乳突氣房容積越大，其儲備氣體的壓力緩沖功能越強(qiáng)。本研究中，男性乳突氣房V中位數(shù)為8 298.63(6 559.75～11 794.65)mm3，最小值為1 880.64 mm3，最大值為21 863.24mm3；女性乳突氣房V中位數(shù)為6 009.84(4 053.97～8 129.57)mm3，最小值為1 431.21 mm3，最大值為17 849.79 mm3?？梢?，乳突氣化型成年人中，乳突氣房V在個體間存在較大差異，說明乳突氣化型成年人的乳突氣房壓力緩沖功能在個體間存在較大差異。性別間Mann-Whitney U 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，男性的乳突氣房V比女性大。乳突氣房V在性別間的差異與國內(nèi)金和娟等[14-15]報道的39例(男20，女19)、43例(男32，女11)結(jié)果相違背，可能與既往研究樣本量較少有關(guān)。左右耳間Wilcoxon檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，左耳與右耳乳突氣房V存在差異。左耳中位數(shù)為7 315.85(5 502.88～9 970.88)mm3，右耳中位數(shù)為7 173.74(4 744.79～9 590.35)mm3，可見二者差值較小，臨床可認(rèn)為左右耳間乳突氣房V無明顯差異。

3.3 乳突氣房表面積、表面積容積比

乳突氣房的氣體交換功能取決于黏膜的面積、毛細(xì)血管的豐富程度以及用于單位容積氣體進(jìn)行交換的黏膜范圍。Takahashi 等[18]通過對保留部分乳突氣房黏膜和未保留乳突氣房黏膜的乳突根治術(shù)后患耳的比較，發(fā)現(xiàn)保留了部分黏膜的術(shù)后患耳，其氣體交換功能得到了部分恢復(fù)，而未保留黏膜的術(shù)后患耳，其氣體交換功能未得到恢復(fù)。Magnuson 等[19]發(fā)現(xiàn)在乳突氣房黏膜通過氣體交換功能維持中耳壓力平衡的過程中，更大的黏膜表面積容積比使其能更有效地發(fā)揮這一作用。因此，乳突氣房SA和SA/V是反映乳突氣房氣體交換功能的重要解剖參數(shù)，其中，SA/V最具代表性，SA/V比值越大，在單位氣體容積內(nèi)，用于進(jìn)行氣體交換的黏膜面積越大，氣體交換功能也越強(qiáng)。在本研究中，男性乳突氣房SA/V平均為(1.248 2±0.229 1)mm-1，最小值為0.805 0 mm-1，最大值為1.863 9 mm-1；女性乳突氣房SA/V平均為(1.365 0±0.245 5)mm-1，最小值為0.913 5 mm-1，最大值為2.286 6 mm-1。相比較乳突氣房V在乳突氣化型成年人中的明顯差異，乳突氣房SA/V在乳突氣化型成年人中的差異較小。乳突氣房的這一結(jié)構(gòu)特征，提示在乳突氣房維持中耳壓力平衡的過程中，反映乳突氣房氣體交換功能的SA/V變化相比較反映其壓力緩沖功能的V變化可能對中耳壓力的平衡產(chǎn)生更大的影響。目前并無報道證實(shí)在乳突氣房維持中耳壓力平衡的過程中，二者究竟哪一功能占主導(dǎo)地位，尚值得進(jìn)一步探討。

綜上所述，本研究使用Mimics醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)三維重建顳骨HRCT測量乳突氣房SA、V、SA/V，獲得健康乳突氣化型成年人乳突氣房SA、V、SA/V的95%參考值范圍分別為3 105.70～21 218.66 mm2、2 185.78～19 297.57 mm3、0.830 8～1.788 8 mm-1；并發(fā)現(xiàn)乳突氣化型成年人中，反映壓力緩沖功能的乳突氣房V在個體間存在較大差異，反映氣體交換功能的乳突氣房SA/V在個體間差異較小。為進(jìn)一步乳突氣房功能研究、生理建模及功能重建提供了一定的基礎(chǔ)。