3D-Slicer软件在难治性癫痫外科手术计划可视化中的运用

李佳，林久銮，周文静，宋宪成，王海祥，丰倩，阮静，王思瑜

难治性癫痫患者的生活质量差，发作率和病死率较高；其一线治疗方法为手术治疗[1]。近年来随着MRI、功能MRI及PET-CT技术的提高，不仅可获得脑组织形态结构信息，而且可从分子、代谢微观角度，甚至脑网络方面描述脑功能状态。从而能够更深层次地探讨癫痫的病理生理机制，对癫痫的病因识别提供帮助，为临床治疗提供更为精准、更具价值的影像信息[2]。本研究选取清华大学玉泉医院癫痫中心于2018年1月—2018年6月经严格的术前评估后，进行癫痫病灶手术的患者58例。其中影像资料完整的17例患者使用3D-Slicer软件进行多模态融合后，指导癫痫病灶切除手术入路，获得了良好效果。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 软件介绍 3D-Slicer软件是由哈佛大学医学院和麻省理工学院共同开发的用于医学图像处理一款开源软件[3]。基于ITK(insight segmentation and registration)和VTK(visualization toolkit)的平台进行数据处理，主要应用于医学图像分析、导航手术和微创手术等。

1.2 一般资料 本组患者中男11例，女6例，年龄6个月～50岁,平均年龄17.8岁，病程(98±82)个月；癫痫发作频率1～2次/月至20～30次/d；服用抗癫痫药物1～4种。见表1。

表1 本组患者的临床资料

1.3 方法

1.3.1 影像学检查 采用飞利浦3.0 T磁共振扫描仪(PHILIPS-RTEC3L4)进行MRI检查。扫描参数，3D-T1WI：层厚1 mm，FOV 256×256×256，TR 7.9，TE 3.9；PCA(phase contrast angiograms)：层厚1 mm，FOV 200×178×198，TR 20，TE 10.1；3D-Flair：层厚1 mm，FOV 200×232×180，TR 5000，TE 366.8。根据术前评估需要行PET-CT(GE Discovery VCT)检查。将上述扫描序列结果以DICOM格式导入3D-Slicer软件中。

1.3.2 三维图像重建 均由一名主管外科医生和一名技师，依次将上述扫描序列的DICOM格式数据导入3D-Slicer软件中，首先在二维视窗中调节灰白度，可以连续观查轴位、矢状位、冠状位的病灶部位。运行Registration模块将不同时间扫描的3D-T1WI、3D-Flair、PCA、PET、CT图像进行配准。配准成功后，通过Volume、Volume Rendering和Segment Editor等模块，在三维视窗将3D-T1WI序列重建出头皮、CT图像重建颅骨、3D-Flair重建脑实质、PCA重建血管等依次操作后，在二维及三维视窗同时切换查看。另外通过手动调整透明度、阈值逐层显示查看头皮、血管及大脑沟回的位置关系。必要时重建出纤维束，指导功能区的定位。此外，还可对其进行旋转、剪辑以及测量，从不同角度、方向进行观查。根据术前评估及重建图像进行手术计划设计及模拟。

2 结 果

2.1 手术效果 本组17例患者均成功进行了术前计划及模拟，并顺利完成手术。所有患者的实际手术情况与3D重建后图像吻合；全麻后，在显微镜下成功切除癫痫病灶。术后2周及6个月时复查头颅MRI显示，手术切除范围与术前计划相吻合。见表1。

2.2 3D-Slicer指导手术的典型病例 病例17，男，4岁。出生后3个月首次出现癫痫发作，表现为动作中止、双眼向左侧斜、身体前后轻微晃、双眼上睑向上抽动、双上肢下垂无力；发作时无肢体抽搐，意识清楚，能言语，但吐字不清。此后每天均有发作，多在清醒时发作。入院后脑电图检查显示，右侧额中央-中线区节律性放电起始的发作。常规MRI检查显示，右额叶上部近中线区皮层异常；将MRI结果导入3D-Slicer后重建清晰显示右额中线区病灶(图1A、B虚线所示)。PET(图1C)示额中线区代谢减低。将3D-T1WI和PET图像融合后获得图1D，调节透明度后，可以清楚显示低代谢在MRI上的位置范围。切换到3D视窗中，用3D-T1WI重建出头皮(图2A)，PET-CT中的CT重建颅骨(图2B)，位相增强血管像(Phase contrast angiograms，PCA)重建血管(图2C)，调节阈值可以清晰地看出人字缝下的血管(图2C)，可以辨认出术前计划的脑沟回(图2C、D)。图2中浅蓝色区域为术前计划切除的范围。病灶接近中线区，根据术前的切除计划，开颅过程中未损伤大血管，术中通过导航验证切除范围。术前根据MRI数据重建大脑及脑表面动静脉血管，术前计划保留粗额叶回流静脉(图3A)。术中开颅剪开硬脑膜后暴露术区，对比术前重建图像辨识脑沟回及需要保留的血管(图3B)；参照术前规划的切除范围切除致痫灶，保留术前标识的回流静脉(图3C)。术后复查MRI显示成功切除病灶(图3D)。术后，病理检查为FCDⅠb；随访患儿1年半无发作。

3 讨 论

常规的MRI、CT及PET图像是基于矢状位、冠状位和轴位的二维图像，使对病灶的定位仅局限于二维的范畴。然而，真正的立体空间是三维的[4]。3D-Slicer辅助三维重建可视化手术规划，不仅可以提供癫痫外科医师准确的术前三维的切除计划、切除范围；而且可以直按照术前的三维规划进行准确无误的病灶切除，保证术前多学科集体讨论的手术方案得以准确落实；最大程度地提高癫痫患者术后的疗效。癫痫外科的切除手术与脑肿瘤切除手术是不一样的。脑肿瘤的切除是比较明显的病变，即MRI影像上有比较明确的目标；术中暴露后可以在显微镜下或者导航辅助下定位肿瘤位置。而癫痫外科的病灶切除计划是比较复杂的，癫痫灶不等于病灶，癫痫灶的确定依赖术前评估，要综合症状学、脑电图及影像学的表现来确定手术范围[5]。在实体组织上癫痫灶可以是肉眼观察或影像学检查正常的脑组织；所以在术中肉眼无法识别正常的脑组织和具有致痫性需要切除的脑组织。癫痫外科的切除目标、切除范围是多学科讨论评估，并且基于症状学表现、功能和解剖影像学及脑电图检查的结果得出的。相比较依据二维影像制定的手术计划切除目标和范围，采用3D-Slicer重建可视化的手术规划无疑更加直观准确；并且与术中的真实场景没有维度的差别和变化，可以更加直观、准确地引导外科医师进行手术，避免手术偏差造成不必要的脑功能损害。如本研究的典型病例患者，其MRI显示有一处病灶，综合发作症状、脑电图表现与PET-CT低代谢范围(图3)，确定了以病灶为中心的切除范围，并将切除范围通过3D-Slicer绘制出来；在手术时就有比较明确的目标，依照沟回形状及血管走行特点在术中很容易找到切除范围。

3D-Slicer辅助三维重建可视化手术规划可以对手术路径进行模拟，使开颅手术更加安全、微创。颅脑从外及里分为头皮、颅骨、硬膜、脑表面静脉和静脉窦以及脑表面等层次和结构。对于神经外科医师来说，有了3D-Slicer辅助三维重建可视化手术规划，可以设计更加准确、适合的头皮切口位置和范围。传统的手术切口的设计根据二维影像和解剖结构，进行一些简单的测量，设计头皮切口，比较粗略；为了保证暴露病灶，常需要适当地增大头皮切口。其实开颅就是一层层侵入的过程，开颅时是否掌握头皮上动脉的位置、手术区域颅骨的信息(厚薄、有无气房、板障是否发达、颅骨下方是否有大静脉)，对手术的安全性有相当重要的影响。预知手术路径的风险，可以提前做好准备或者规避。颅骨钻孔、铣开可能会存在一定的风险(图4)。如一些板障厚的或者硬脑膜动脉、静脉、蛛网膜颗粒嵌入颅骨内板造成压迹，或颅骨内板与硬膜粘连紧密的，颅骨钻孔、铣开时可能出现凶猛出血，甚至铣开硬膜，撕断桥静脉；如果是中央静脉或者Labe静脉撕裂的话，则后果很严重。预知静脉窦和桥静脉的位置，可以设计更加合理的钻孔位置和铣刀行走路线；并且操作时更加仔细，避免钻头过度用力冲击硬脑膜，造成硬脑膜或血管损伤。

3D-Slicer辅助三维重建可视化手术规划可以辨认出手术暴露区域的脑回和血管，进而标记出手术切除的沟回。也可以预先观察了解周围非暴露区域的脑沟回及血管走行，预知其解剖和功能，保障手术安全。通过沟回血管比对辨识，可明确暴露区域的各个沟回血管的解剖与功能，确定切除区域及需要保护的脑功能区域。同时，也能清楚地观察到毗邻的非手术暴露区域的脑沟回形态和血管走行；可术前规划制定更加安全的手术策略。本研究典型病例的癫痫灶位于右侧辅助运动区(图1)，切除的范围比较小，并邻近上矢状窦，其后为中央前回，切除的区域又被弯曲的中央前静脉根部包绕，一旦损伤会造成中央前回静脉回流障碍，引起偏瘫。而且术中见中央前静脉根部提前进入硬脑膜汇入窦，所以内侧面要切除的脑区不能掀开此处硬膜得到暴露；手术时只是暴露了蓝色区域，通过蓝色区域的软脑膜下吸除，逐渐到达不能暴露的内侧面，保证了静脉根部汇入静脉窦处的安全[6]。

另外，3D-Slicer支持3D打印[7]，支持虚拟现实技术[8]。手术医师可以佩戴专门的VR眼镜学习、研究虚拟的三维图像[9]，熟悉个体化手术过程及路径；从而更好地理解手术患者的神经解剖结构(图5)。并且在术前谈话中，也可利用重建图像更好地向患者及家属解释手术方案及风险，同时制定各种应急预案[10]，该软件可以在官方网站上免费下载，而且是开源软件，后续的开发及模块的运用有百余种；可运用于多学科领域[11-13]，为更好、更快、更安全地完成手术做充分的准备。

综上所述，采用3D-Slicer进行多模态融合制定的手术计划可以使得癫痫外科手术更加精确、微创、安全，并且有着很好的前景，是癫痫外科未来的发展方向；应在癫痫外科临床治疗中推广应用。