基于3D Slicer软件鞍底重建在经鼻蝶垂体瘤切除术中的指导意义

师忠杰，李玉魁，高鑫，周立伟，朱宏伟，谭国伟，王占祥

垂体腺瘤是神经外科比较常见的神经内分泌肿瘤，目前外科治疗的方法主要包括内镜和显微镜下经鼻蝶入路病灶切除和传统显微镜下开颅病灶切除术；手术目的是到达鞍区并切除鞍区病变结构，缓解肿瘤等对视路结构、垂体、垂体柄等周围结构的压迫[1-2]。其中，相比传统的显微镜下开颅手术，内镜下经鼻蝶手术入路有许多优点，内镜可提供一个全景手术野，具有良好的照明和放大效果，缩短患者的住院时间，减少术后并发症等[3]。同时，带角度的内镜实现了病变侧方术野的可视性，在探查海绵窦内侧壁时，无需过多的分离和牵拉即可实现。近年来随着影像学技术的不断提高，可以从形态结构、质地等不同角度了解肿瘤性质，为临床治疗提供更多有价值的信息[4-5]。本研究对厦门大学附属第一医院神经外科2020年1月—10月行经鼻蝶入路手术的12例垂体腺瘤患者，将其完整的影像数据导入3D Slicer软件进行多模态融合及三维模型重建，实现术前可视化及手术入路模拟，辅助手术规划制定，指导术中病灶切除，获得了较为满意的效果。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 软件版本及计算机系统介绍 3D Slicer(www.slicer.org)是一款由美国哈佛大学、麻省理工学院、美国国立卫生研究院历时近二十年联合开发的影像后处理软件，具有强大的3D建模、多模态影像配准融合、模型分割、内镜模拟等功能，为临床医生、科研人员提供了强大的医学图像处理、可视化和数据分析的便捷，可以在Windows、Linux、Mac多系统上运行，应用于医学影像分析、 导航手术和微创手术等[6]。研究中使用的3D Slicer版本为最新稳定版(version 4.10)，电脑系统为Windows 7 专业版64位。

1.2 一般资料 12例经鼻蝶入路手术治疗的垂体占位患者，影像数据资料均完整，其中男5例，女 7例；年龄22～64 岁，平均年龄43.4 岁；病程1～48 个月，平均病程13个月；肿瘤直径11～38 mm,平均25.5 mm；术后病理报告为垂体腺瘤10例，垂体囊肿2例。

1.3 影像学检查及3D重建过程 影像重建过程中由副主任及其以上级别的医师协助结构辨别，影像数据包括颅脑CT、CTA、MRI、MRA、增强MRI等。影像学检查采用飞利浦3.0 T 磁共振扫描仪进行MRI检查，颅脑CT或CTA扫描层厚为1 mm。通过医院影像归档通讯系统(picture archiving and communication systems，PACS)获取患者全部原始DICOM格式影像数据[7-8]。分别将患者不同模态的原始DICOM格式数据导入到3D Slicer软件中。骨性结构如鞍底，主要通过CT或者CTA数据进行重建，血管主要通过CTA或者MRA、增强MRI进行重建，视神经主要通过CT或MRI进行重建；同时使用不同的颜色进行标记。重建过程中使用的3D Slicer工具主要集中在Volume Rendering和Segment Editor模块里面，包括Paint、Grow from Seeds、Threshold等[9]，影像配准使用的是General Registration(Elastix) 模块。重建完成以后的3D模型，通过与2D影像融合，初步验证3D影像重建的准确度。完成鞍底及其周围血管神经等重建以后，调整模型观察角度，获得与以鼻尖至鞍底连线垂直的平面视角，实现手术视角的模拟，并将模型导出为STL格式备用。整个重建流程见图1。

1.4 手术过程 选择单侧鼻孔或双鼻孔入路，并在蝶筛隐窝内找到蝶窦开口后用磨钻扩大蝶窦开口；依次打开蝶窦前壁，磨除蝶窦分隔，并显露鞍底、斜坡隐窝等结构。磨钻磨开鞍底下部骨质，进一步显露鞍底硬脑膜，以十字形切开硬脑膜，显露肿瘤。肿瘤切除后，使用脑膜补片联合生物蛋白胶修补硬膜及密封鞍底。术中留存手术录像备用。

2 结 果

2.1 影像重建结果 本组12例垂体占位患者均顺利完成鞍底重建。重建的3D模型正确显示了病变及其周围不同结构的相对空间位置，与术中所见吻合度较高，结果满意。

2.2 手术结果 本组患者术前均按照重建模型成功进行了手术入路模拟和规划，并按照计划顺利完成了手术；术后1例患者出现脑脊液漏，予以保守治疗后痊愈；其余患者均未出现脑脊液漏、视力下降等并发症。所有患者术后24 h内复查颅脑CT示鞍底骨窗位置满意，手术区域未见新增出血。

2.3 典型病例 患者女，54岁，以“左侧视力下降2年余,加重2个月”于2020年3月入院。患者病后无其他不适。入院后颅脑CTA、MRI检查示：垂体前后叶间囊样占位并突入鞍上,偏左并压迫视交叉。术前将患者CTA联合增强MRI数据进行3D重建(图2)。完善术前检查后，行经鼻蝶入路垂体占位切除术，手术过程顺利；术中所见与3D重建模型高度吻合(图3)。术后病理诊断：垂体囊肿。

3 讨 论

目前神经内镜下经鼻蝶入路已逐渐成为垂体腺瘤的首选术式[2]，如果在术前能够对复杂的鼻蝶窦内解剖结构进行熟悉和了解，势必可以提高手术的安全性及手术效率。随着影像学技术的不断发展，颅脑CT、CTA、MRI等已成为了鞍区病变患者的常规检查，并且通过医院影像系统可以实现简单的3D重建。但是这种影像重建基本上由放射科医生完成，因此对于手术过程中外科医生关注的侧重点把握并不十分准确，重建模型也很难达到手术医生所期望的理想状态。此外，在大部分医院PACS系统，无法将不同模态影像的重建结果放置于同一空间进行观察。对于专业的神经外科医生，在将神经影像检查作为诊断手段的同时,更希望将影像检查作为辅助手术治疗的工具，而不再局限于疾病的诊断。颅脑CT扫描可以更好地显示鞍底的骨性轮廓、蝶窦分隔、视神经管等；颅脑MRI的扫描可以更好地显示垂体腺瘤大小、质地以及颈内动脉等。利用3D Slicer将两种模态影像进行成功配准后，在同一空间下，分别使用颅脑CT进行鞍底骨性轮廓、蝶窦分隔、视神经及视神经管重建，使用颅脑MRI进行垂体腺瘤及颈内动脉重建，充分结合了两种不同影像模态的各自优势，实现鞍底的立体可视化，使之更加直观。另外，使用CTA与MRI组合同样可完成各结构的重建。

A、B：调整模型角度，使观察平面与鞍底至鼻尖连线(紫色线)垂直； C:逐层推进观察平面(红色线)至蝶窦内； D：观察鞍底结构(1-视神经隆突；2-鞍底；3-视神经-颈内动脉隐窝；4-蝶窦分隔；5-斜坡隐窝；6-颈内动脉隆突)； E：术中内镜下所见鞍底各部分结构(1-视神经隆突；2-鞍底；3-视神经-颈内动脉隐窝；4-蝶窦分隔；5-斜坡隐窝；6-颈内动脉隆突，以上结构与模型高度吻合)； F：进一步将骨性结构半透明化，显露内部结构，确认D中各结构位置准确图3 模拟手术及3D模型与术中所见对比

通过多模态三维重建，不仅可以为外科医生提供术中解剖信息，还可以直接任意调整3D模型模拟手术视角，预测术中可能出现的情况及手术难点，并制定相应的应对措施和计划，最大程度提高手术治疗的安全性。与建立在二维影像基础上制定的手术计划相比较，采用3D Slicer软件制作的3D立体模型更加直观、准确，组织结构层次更加清晰明了，并且与术中可见的真实解剖结构具有较高的吻合度，在一定程度上可以减少术中因组织结构识别有误而造成的不必要损伤[10]。

本研究中通过3D Slicer重建了鞍底、颈内动脉、视神经、蝶窦分隔等，通过调整模型透明度及角度可以清晰地显示不同结构的空间位置以及肿瘤位置，并且在模型中可以使用不同的颜色进行结构标记，使各部分结构更加清晰明了。通过术前对三维模型的反复观察熟悉，使得术者在手术过程中对颈内动脉隆突、视神经隆突、斜坡隐窝等的位置判断更为准确。如本研究中的典型病例,术前通过3D Slicer将患者原始影像数据进行配准后，完成3D模型重建，通过调整模型角度，成功模拟了术中内镜视角，同时确定了以鞍底为中心的周围各结构的相对位置；在模型中可以清晰地识别出蝶窦分隔、鞍底、斜坡、颈内动脉隆突等周围结构，实现了术前手术区域解剖结构的立体可视化，手术过程中术者通过内镜到达蝶窦之后，观察到了蝶窦分隔，其走行和3D模型所示完全吻合。通过观察模型并结合术中所见，使得术中各解剖结构更加明确，进而很容易确定鞍底及斜坡隐窝位置，术中仔细操作，避免了颈内动脉、视神经等重要结构的损伤；术后通过回看手术录像，结合模型进一步评估模型的应用价值及手术操作中的不足。另外，由于部分患者的颈内动脉隆突并不是非常明显，术前通过观察蝶窦分隔模型，将其作为解剖学参考标志指导术中结构识别，不失为一种好的方法[11]。本研究典型病例的蝶窦分隔比较突出，通过分析模型可知，其两侧蝶窦分隔的中间区域即为鞍底和斜坡隐窝，按照内镜视角方位，其中蝶窦左侧分隔的上方起始部即为左侧颈内动脉隆突位置和左侧视神经管隆突的位置，蝶窦右侧分隔的上方起始部外侧即为右侧颈内动脉隆突的位置。

根据病变特点，外科医生将影像数据选择性地进行解剖结构3D重建，处理后的3D影像模型不仅可以导入到移动设备中，随时随地查看，还可以直接用于3D打印[12]。另外关于3D Slicer软件的应用，除了本研究采用的经鼻蝶手术模型制作，还包括大脑其他肿瘤模型制作、脑血肿及垂体瘤体积计算、神经纤维束示踪、影像组学研究等[13-15]。近几年，虚拟现实及人工智能技术在医疗领域的应用逐渐普及，越来越多的机构以此进行医学教学、手术辅助等[16]，而这一切都是建立在影像3D可视化的基础之上。尽管神经导航等技术联合内镜可提高肿瘤全切率，降低手术风险[17-18]，但是在一些基层医院由于条件限制，神经导航、神经外科手术机器人等[19-21]并不能得到广泛应用，因此第三方影像可视化处理软件会成为最佳选择。

另外，本研究亦有一些不足之处，主要体现在以下两个方面：(1)由于样本量小，利用3D Slicer辅助术前规划能否缩短整体手术时间，有待进一步证实；(2)影像重建使用的是原始DICOM格式数据，模型的重建效果很大程度受限于所使用的数据质量，因此使用3D Slicer必须和影像科医生相互沟通合作。尽管如此，这并不影响3D Slicer在经鼻蝶入路手术中的重要使用价值。

综上所述，在不增加医疗资源消耗和患者经济负担的前提下，利用3D Slicer软件联合现有的影像检查数据，实现多模态影像的三维重建，使得病变解剖结构3D可视化，可以帮助医生制定更完善的术前计划。另外，3D模型还可以作为医疗团队之间、医患交流和术前谈话的媒介工具，清晰、易懂，值得提倡和推广。尽管垂体瘤等鞍区病变的外科治疗任重道远，但是相信随着经验的积累和技术的进步，治疗手段将会更加完善。