小型猪耳蜗多平面重组技术的临床应用价值

侯琨 钟玲玲 郝青青 徐良慰，2 任丽丽 李佳楠 郭维维* 杨仕明*

自1995年多通道人工耳蜗引进我国，截至2013年已有约30000国人接受了人工耳蜗植入术[1]。临床上术者将电极通过圆窗或耳蜗开窗途径植入鼓阶内，人工耳蜗将声音信号转化为电信号，刺激耳蜗内残存的螺旋神经元重建听觉功能。耳蜗鼓阶的结构和大小是人工耳蜗植入手术成败的重要因素：鼓阶畸形除了增加手术的难度外，还容易导致植入损伤，影响植入后的效果。同时耳蜗鼓阶的大小也是术者选择植入电极的重要因素之一。因此，耳蜗内部精细结构的研究，尤其是鼓阶大小的研究有着重要的临床意义。

本研究基于Micro-CT扫描的小型猪颞骨图像，并借助于Mimics三维重建软件，首次将MPR技术应用于耳蜗鼓阶及前庭阶形态的观察及参数测量上，探索其技术要点及应用价值。

1 材料和方法

1.1 实验动物

听觉灵敏的成年小型猪（贵州香猪，由中国农业大学提供）3只，雌雄不限。氯胺酮(30 mg/kg)与甲苯噻嗪(0.1 mg/kg)混合，通过肌肉注射对小型猪进行复合麻醉[9，10]。麻醉满意后快速断头取出双侧颞骨，共获得6只颞骨标本。放置-20℃冰箱保存，扫描前3 h，取出颞骨放置在室温下（20℃）解冻。小型猪的使用获得解放军总医院实验动物伦理委员会批准。

1.2 Micro-CT扫描条件

Micro-CT（比利时，SKYSCAN 1076型）对6个颞骨标本进行扫描，扫描条件为91 kV、80 μA，扫描层厚18 μm，曝光时间200 ms，图像大小为876×876，每个标本共获得1200张图片。扫描过程中用海绵及透明胶带固定颞骨防止移位[11]。

1.3 三维重建及耳蜗长度的测量

将Micro-CT扫描所得图片以DICOM格式导入Mimics 17.0软件。选取的阈值范围为220～1100，HU将分割的阈值结果保存为蒙板（Mask），利用计算轮廓线、编辑蒙板等工具进行编辑，重建内耳的3D模型。

笔者通过不断旋转重建耳蜗3D图像，利用Mimics软件自带的绘制工具包手动绘制蜗管的中心线，定义耳蜗长度为起始于圆窗的中点盘曲向上至蜗孔的蜗管中心线，这与Wysocki等人[2]的研究方法一致（图1）。

图1 A：显示小型猪左侧内耳的3D图像，经过透明化处理。红线表示耳蜗长度，由圆窗的中点盘曲向上至蜗孔的蜗管中心线;B：分离出小型猪的前庭阶及鼓阶，紫色代表鼓阶，绿色代表前庭阶。

图2 A为重切片（reslice）模式图。其中红线为耳蜗外侧壁的长度，mimics软件中的在线重切片（online reslice）功能可以获得垂直于该曲线的交叉断层图片;B 显示A图切割后所得的截面图;C显示Mimics软件测量的方法。红线区域表示Mimics软件的套索功能勾画的前庭阶区域，并计算出相应区域的面积（area）、宽度(Dp)及高度（Da），黄色框内的数据是标尺放大100倍后的数值。

1.4 重组断层层面及参数的测量

连续的颞骨断层图像导入到Mimics软件后组成三维体数据，从体数据集中抽取过任意平面的体素值，可以组成一个新的断层图像称为重组断层图像（reslice images）。Mimics软件中的在线重切片（online reslice）功能允许用户沿自定义的曲线及其平行线重组获得平行重组断面，同时获得垂直于自定义曲线的交叉断层图像，称交叉重组断面。将耳蜗的长度设置为自定义的曲线，获得的交叉重组断面为本研究提供沿蜗管盘绕方向上连续的蜗管截面图（图2B）。Mimics软件的套索功能根据灰度值自动选取与之相近的范围，能够准确的勾画出前庭阶及鼓阶的轮廓，自动计算出相应区域的面积、宽度及高度（图2C）。重组后每个标本获得2000张图片，层厚约20 μm。每50张对截面图进行一次测量，即沿耳蜗长度每10 mm距离测量一次。

2 结果

2.1 重组后图像能够清晰的显示耳蜗内的精细结构（图1B），包括各转的前庭阶及鼓阶。受限于Micro-CT对软组织的显示，实际上此处的前庭阶包括充满内淋巴液的中阶。

2.2 图3显示沿耳蜗全长鼓阶及前庭阶横截面积的比较。在耳蜗长度的前1.16 mm处，鼓阶横截面积迅速增加而前庭阶面积不断减少，鼓阶面积增长到最大值2.67±0.90 mm2；在耳蜗1.16～13.60 mm区间，小型猪鼓阶面积较前庭阶面积大；而在13.60 mm鼓阶面积和前庭阶面积都维持在较平稳的水平，且两者间面积较为接近。

图3 沿耳蜗长度分布的小型猪前庭阶及鼓阶的面积

2.3 小型猪前庭阶高度和宽度的变化趋势一致，沿耳蜗全长分布的耳蜗宽度大于高度（图4）；在鼓阶中，耳蜗的宽度同样大于高度（图5）。在耳蜗起始点处前庭阶的宽度和高度达最大，分别为2.65±0.45 mm、2.43±0.29 mm，在耳蜗长度的终点处最小，分别为0.24±0.01 mm、0.24±0.03 mm。鼓阶的宽度最大为2.17±0.30 mm，高度最大为1.83±0.42 mm。

图4 耳蜗全长前庭阶高度和宽度的变化趋势

图5 耳蜗全长鼓阶高度和宽度的变化趋势

3 讨论

耳蜗的横截面由三个充满淋巴液的腔隙组成，包括充满外淋巴液的前庭阶、鼓阶及充满内淋巴液的中阶组成。由于Micro-CT对软组织分辨的局限性，本实验18 μm层厚的颞骨影像图片不能清晰显示前庭膜及基底膜，Braun等[6]将前庭膜、基底膜及螺旋韧带统称为耳蜗隔膜，起始于骨螺旋板的外侧止于耳蜗的外侧壁。本实验重组的耳蜗前庭阶横截面包括耳蜗隔膜及骨螺旋板的厚度，且研究结果同Wysocki等[2]人的耳蜗参数相似：鼓阶的参数（横截面积、高度及宽度）有着相似的变化趋势，沿耳蜗全长两阶的宽度均大于高度。

耳蜗是位于颞骨岩部的听觉器官，周围由致密的骨质包绕，其中的蜗管结构由前庭阶、中阶及鼓阶三部分组成，传统的解剖方法很难将耳蜗从颞骨中分割出来，更难以获得耳蜗内部的参数。耳蜗位置倾斜，临床上普通的颞骨CT通常以体表标志作为扫描基线，这样扫描出来的影像图片无法重建耳蜗的三维结构，不能直观的反应耳蜗在体内的位置。

Wysocki等[2]通过耳蜗内注入乳胶，待乳胶塑形后剔除周围的骨质，获得耳蜗前庭阶和鼓阶的模型，再进行模型的切割和测量从而获得了人前庭阶和鼓阶的参数。Li等[3]应用非染色的颞骨组织连续切片并在显微镜下摄像，借助于三维重建软件获得了耳蜗的前庭阶和鼓阶的3D结构，但未进行相关参数的测量。除了上诉两种破坏性途径外，直角平面荧光视觉切片显微镜（OPFOS）[4]及Micro-CT[5]可以在颞骨完整的情况下获得连续的颞骨图片及迷路内部精细结构的信息。Braun等[6]通过Micro-CT扫描获得层厚5.9 μm的连续颞骨图片，借助于三维重建软件重建出完整的耳蜗结构，并分割了鼓阶、前庭阶等耳蜗内精细结构，但仅测量出过蜗轴中切面的鼓阶和前庭阶各转的高度和宽度。

多平面重组技术（MPR）应用于耳科学领域已不陌生。张略等[7]通过颞骨高分辨率CT结合MPR技术获得了国人耳蜗长径、宽径及底转角等参数，为设计符合国人耳蜗的电极提供依据。崔凤玉等[8]将MPR技术应用于观察半规管的形态及结构，能够明确半规管瘘的位置，明显提高临床迷路瘘的诊断率。

本研究最大的亮点在于提供了一种对耳蜗精细结构研究的非破坏性方法，相对于Li等[3]的组织切片法及Wysocki等[2]的内耳模型铸造法。耳蜗MPR技术有望作为一项精准影像诊断的手段为CI植入术前的参考。

3.1 多平面重建技术在疑难复杂人工耳蜗植入的应用

McClay等[12]发现先天性感音神经性耳聋的患者中超过20%伴有内耳畸形。随着人工耳蜗植入技术的提高，极重度感音神经性耳聋伴有内耳畸形也是人工耳蜗植入术的适应症，并且能够获得较满意的植入效果[13]。内耳畸形因其结构的异常，增加了人工耳蜗植入术的手术难度及术后的并发症。通过Mimics软件的重组断层图像功能，能够获得沿耳蜗长度分布的连续蜗管横截面。术前若获得耳蜗的重组图像，能够判断鼓阶有无畸形及畸形的位置，更客观的指导术者提高复杂人工耳蜗植入的成功率。

3.2 多平面重组技术在残余听力的保护和植入电极选择的应用

近年来，对人工耳蜗患者残余听力保护的重要性已经获得耳科学家的公认。残余听力的保护有利于提高患者在噪声环境下言语的识别率及音乐的欣赏能力[14]，从而提高患者的生存质量。残余听力的损失是多因素共同导致的结果，其中植入电极的选择也是重要的影响因素[15]。耳蜗公司也相继推出了具有不同植入长度及不同参数的短电极，如Med-EL公司开发的Flex24、Flex20EAS及Cochlear公司研发的Hybrid L24。相对于Med-EL Combi40+、Nucleus CI422等标准长度电极，短电极植入长度短，电极参数小。虽然短电极植入者能够在早期获得比较满意的听力效果，然而并不是选择的植入电极越小越好。Friedmann等[16]通过对比Nucleus CI422和Hybrid L植入1年后患者的听力情况，发现CI422标准电极植入组的言语识别率较短电极植入组好。植入损伤分为早期损伤和晚期损伤，早期损伤主要是电极插入过程中对于基底膜及血管纹的直接机械损伤导致的；晚期损伤推测是由电极植入后耳蜗的慢性炎症反应、电极周围纤维组织形成及鼓阶内神经骨化导致的结果[17，18]。植入后患者远期残余听力损失的具体机制尚不明确，现有的研究结果显示[16，19]选择合适的电极序列结合微创手术径路保护残余听力是所有耳科学家追求的目标。通过重组颞骨图像技术获得患者耳蜗鼓阶连续横截面图，测量鼓阶的参数，从而选择最合适的植入电极，联合微创植入途径获得最佳的听力效果。

越来越多的影像学技术已经应用于内耳成像，包括CT仿真内镜重建技术及磁共振三维水成像技术，判断内耳及听神经有无畸形，对把握人工耳蜗植入手术适应症及评估手术难易有着重要的指导意义。耳蜗MPR技术更是提供耳蜗全长鼓阶及前庭阶的结构和大小，为选择合适的人工耳蜗植入电极提供参考。尽管临床上受限于颞骨扫描的层厚，HRCT图像的精度尚不及本研究中Micro-CT的图像，使得这一技术的应用暂时受限。期待随着颞骨CT扫描精度的增加，耳蜗MPR技术有望为人工耳蜗患者提供有价值的参考。

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