3D Slicer在高血压脑出血外科治疗中的应用①

夏学巍

(桂林医学院附属医院,广西 桂林 541001)

高血压脑出血常伴有高血压病史,与缺血性中风相比,其发病率和病死率更高,占中风病死总数的一半或更多[1]。在我国,≥20岁的人群中,因卒中死亡的人数高达112万,约占全球卒中死亡率的17.5%,其中农村地区仍然是我国卒中死亡的“重灾区”[2]。高血压脑出血的发病人群有逐年上升的趋势且趋向年轻化,早期干预更有利于脑出血患者日常生活能力改善[3]。因此,既往已有许多学者提出导航定位辅助、神经内镜、小骨窗开颅等微创治疗,血肿清除率高,创伤小,可明显改善患者预后[4-5]。我国农村地区卒中死亡率较城市地区高,这可能与城市地区经济发展较好、医疗水平较高等因素有关。因此,基层医院应积极开展脑血肿清除术,并致力做到更精准、创口更小。

3D Slicer软件是美国国立卫生研究院支持的开放源代码平台,用于医学图像信息学、图像处理和3维可视化,能够基于CT、MRI等影像数据对解剖进行3维重建,并精准定位相关生理或病理结构[6]。3D Slicer软件支持功能扩展,可进行动态建模,实现低成本3维可视化导航[7]。高血压脑出血,常常是由于高血压引起脑实质血管破裂的颅内出血,微创技术用于脑血肿清除一直是神经外科研究的重点[8]。笔者就3D Slicer在高血压脑出血外科治疗中的应用研究进展进行综述。

1 3D Slicer的应用

3D Slicer可应用于许多疾病的治疗中。肺癌的分期及侵袭性是选择治疗方式的决定性因素,治疗前将胸部CT增强图像导入3D Slicer,并对感兴趣区域进行重建及描绘,观察相关放射学特征以进行肺癌分期及预后评估[9-10]。在治疗儿童Wilms肿瘤时,3D Slicer有助于外科医生对肿瘤、健康肾脏、病理性肾脏、动脉和静脉血管进行分割,制订手术计划[11]。前列腺癌的骨盆转移影响患者预后,Hayakawa等[12]使用3D Slicer手动绘制骨盆转移灶的轮廓,结果显示,最大2维直径为转移性前列腺癌患者的重要预后因素。颞骨自发性脑脊液漏的特征是未发现颅骨骨瘤前,出现骨质变薄且伴有脑脊液漏。3D Slicer通过颅骨重建,验证颅骨骨厚度存在种族差异,以及肥胖症的早期发作可能会通过逆转年龄而使患者容易发生自发性脑脊液漏[13]。另外,3D slicer扩展模块GrowCut可应用于胶质母细胞瘤患者,可以进行精准肿瘤分割并计算体积,用于肿瘤术前规划及确定术中切除范围[14]。Soon等[15]使用3D slicer对66名脑膜瘤患者术前2次的MRI数据进行肿瘤3D重建,以此评估脑膜瘤体积增长率。结果提示,体积增长率与脑膜瘤患者预后显著相关。3D slicer在某些疾病的预后评估、放射特征评估、肿瘤分期、手术方式选择等方面均起到重要的辅助作用。

2 3D Slicer在高血压脑出血外科治疗中的应用

2.1 术前评估

高血压脑出血治疗方法的选择主要取决于血肿的大小、位置及临近周围神经血管,在术前对血肿的位置、体积进行评估,有助于治疗方案的制定。根据头颅CT影像计算血肿大小的方式主要有3种:Tada公式(ABC/2公式)、切片法和3D slicer。Tada公式与切片法对于形态规则、边界清楚的血肿体积计算较为准确,形态不规则时,则计算结果误差较大;3D slicer计算的误差更小、精度更高、结果更稳定[16-17]。使用3D slicer软件对脑出血CT放射学特征进行预后危险因素评估,将血肿形态进行3维重建,计算并统计血肿体积、表面积和表面规则性等因素,发现血肿基线体积与3维形状不规则是血肿扩大的危险因素[18]。

3D slicer应用于脑出血术前的鉴别诊断。3D Slicer重建动脉瘤形态,可明确脑出血病因,可与高血压脑出血相鉴别[19],同时,术前将颈部CTA数据导入3D Slicer重建血管形态,可准确地显示出血部位与每个动脉瘤之间的空间关系,有助于术前确定多发颅内动脉瘤患者的责任动脉瘤[20]。3D Slicer可清晰显示动脉瘤、脑组织、颅骨和神经之间的关系,帮助神经外科医生更好地完成术前鉴别及手术准备[21]。

2.2 术中辅助

脑出血的治疗,特别是深部血肿的手术方式选择尚没有统一标准,常见的手术方式有神经内镜手术、微创穿刺引流和开颅手术等。Fu等[22]使用3D Slicer重建血肿模型,找到距离血肿最近的神经内镜手术路径,术中将重建图像传入Sina手机软件,实现虚拟现实,实时定位,完成手术路径规划。术中使用神经内镜清除血肿,清除效果满意,具有直观、有效等优点。彭逸龙等[23]将术前头颅CT数据导入3D Slicer完成重建,规划穿刺路径,联合虚拟现实软件,术中实时动态跟踪,实现术中导航穿刺血肿腔,完成基底节区脑血肿穿刺引流术,手术平均时长26 min,清除率满意。3D Slicer结合移动AR系统,实现低成本虚拟现实,使得术中完成动态实时跟踪,代替部分神经导航功能,目前多用于血肿穿刺引流[24]。

2.3 预后评估

脑出血患者的致死率、致残率极高。Qiu等[25]术前获取基底节区脑出血患者头颅CT,利用3D Slicer重建神经纤维束,直观评估血肿损伤纤维束情况,以此判断患者偏瘫及预后情况。杨铁牛等[26-27]应用3D Slicer清除脑血肿,将3D Slicer辅助微创穿刺置管术定义为实验组,开颅显微手术定义为对照组。结果发现实验组的并发症发生率明显低于对照组,认为3D Slicer辅助可明显缩短手术时间,从而减少并发症的发生,改善患者预后。

3D Slicer在脑出血的应用中,通过术前观察形态,获取相关影像学参数,规划手术入路或穿刺路径;术中联合AR系统实现低成本虚拟现实,实时获取动态数据,完成导航功能,提高血肿清除率,减少手术时长;术后重建皮质脊髓束,可观察损伤情况,评估患者预后。

3 3D Slicer软件与神经导航功能

在神经外科领域,已经开发并实施了几种旨在更好地进行术中可视化的技术,其中包括传统红外导航、增强现实神经导航、立体定向导航等[28-29]。技术的进步主要体现在神经外科术中导航的简便性、可靠性和流程顺畅[8]。Katsuki等[5]分析75例神经内镜下实施血肿清除术的高血压脑出血患者,采用单变量和多变量回归分析,发现缺乏神经导航是内镜下实施血肿清除术治疗脑出血的不良预后危险因素。术中使用导航治疗垂体瘤,可提高症状缓解率、肿瘤全切率及降低再治疗率[30]。Joud等[31]使用神经导航辅助小儿弥漫性浸润性桥脑胶质瘤活检术,成功率高,定位准确,不损伤周围桥脑组织。

术前使用3D Slicer对脑内血肿进行3D重建,手术中将图像结果导入Sina手机软件或AR系统,可以实现术前规划穿刺路径、术中实时定位及3维可视化,实现部分神经导航功能[22-24]。目前,3D Slicer在导航中的应用主要体现在脑血肿清除等精准度要求不高的神经外科疾病中,其他疾病的导航功能开发仍在继续。

神经导航具有精度高、定位准、应用广等优势,在处理解剖结构复杂,周围神经、血管关系密切,以及要求尽可能全切等需要精准定位的病变时显得尤为重要。但神经导航也存在着不可忽视的弊端:价格昂贵、操作复杂、难以普及[32]。现实中,基层医院往往没有神经导航设备,与此同时,脑血肿清除术术前规划及术中定位等并不需要太高的精度及准确度。因此,3D Slicer完全可以通过结合开源免费的手机软件实现术中导航及3维可视化,满足基层医院需要。

3D Slicer是一款医学影像处理与3维可视化的免费开源软件,可用于许多疾病的诊断、术前评估、手术辅助及预后判断。同时,软件可实现术中3维可视化,部分代替神经导航功能,在许多基层及下级医院已成为脑出血手术治疗的有效辅助方法。3D Slicer支持自主开发代码,创建扩展应用,这让使用者有充分的自主创新力,加之3D Slicer有实用性强、操作简单、设备要求低等优势,无疑为神经外科医师提供了更多的创作空间。另外,3D Slicer仍有许多需要解决的问题,相信在不久的将来,3D Slicer将为基层医院外科手术治疗高血压脑出血提供更精准、完善的辅助作用。