3D Slicer软件在微血管减压术治疗面肌痉挛教学中的应用评价

王 伟，姜海涛，李传坤

西安交通大学第一附属医院神经外科，西安 710061

面肌痉挛(hemifacial spasm，HFS)是一种面神经兴奋性增高所致的疾病，主要临床表现为单侧面部肌肉不自主、阵发性地抽搐，严重影响患者的工作与生活。HFS主要发病机制是由于面神经出脑干处(root exit zone，REZ)受到迂曲的小脑后下动脉(posterior inferior cerebellar artery，PICA)、小脑前下动脉(anterior inferior cerebellar artery，AICA)或椎动脉(vertebral arteria，VA)的压迫而引起。面神经REZ区位于面神经中枢端与外周端交界处并且髓鞘薄弱，受到责任血管压迫后容易发生脱髓鞘改变。关于面肌痉挛机制的假说主要包括“周围假说”与“中枢学说”：前者认为面肌痉挛由于REZ血管神经冲突触发异常动作电位引起，后者则认为面神经核处的异常兴奋性才是病因[1]。基于“周围假说”建立的微血管减压术(microvascular decompression，MVD)[2]作为目前唯一针对病因治疗的非毁损性手术，对于痉挛的缓解具有良好的效果，是治疗HFS的主要手术方式[3]。在MVD手术实施过程中，准确判断责任血管是MVD手术成败的关键因素，所以术前的磁共振影像学评估对于责任血管的判断及手术计划的制定至关重要。术前行3T磁共振成像的三维稳态自由进动梯度回波序列(3D Fiesta)联合三维时间飞跃序列(3D TOF)序列扫描，虽然能够准确评估责任血管与面听神经REZ区的关系；但由于磁共振提供的是二维图像，需要临床医师在脑海中将连续的二维图像转化为三维解剖结构，需要术者具备丰富的临床经验才能保证较高的准确率：因而，对于缺乏经验的规培医师的临床教学造成较大的困难。3D Slicer软件是由哈佛大学布里格姆妇女医院和麻省理工学院联合开发的一种医学影像处理分析与视觉化的软件系统[4]。该软件能够通过实现多模态影像融合对神经血管进行三维重建、融合及虚拟现实技术，使学生通过三维立体模型直观地了解具体的神经血管解剖位置关系，对辅助判断责任血管与明确术区解剖关系具有极大的促进作用，并有利于术前制定个体化的MVD手术策略。一项教学研究发现，将神经外科规范化培训的住院医师分为3D打印模型辅助CBL教学组和传统教学对照组，两组学员在理论考试、临床技能考核及教学满意度调查结果显示，3D打印模型辅助CBL教学组均优于传统教学组，提示3D打印模型辅助CBL教学模式能够有效提高神经外科规培医师对于显微神经解剖和各种手术入路的理解与掌握，从而提高教学效果与教学满意度[5]。西安交通大学第一附属医院神经外科教学团队于2020年3月—2021年6月，开始在规培医师临床教学中逐步引入3D Slicer软件，并应用于辅助微血管减压术治疗面肌痉挛术前责任血管及其与神经关系的判定，取得了良好的教学效果。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取2020年3月—2021年6月进入西安交通大学第一附属医院神经外科轮转的19名规培医师为研究对象。

1.2 3D-Slicer软件重建3D模型判定责任血管

使用3D slicer软件对患者面听神经与责任血管进行3D教学模型建立。具体方法如下：①由PACS系统导出患者的3D Fiesta与3D TOF数据，存储为DICOM格式；②将DICOM格式数据导入3D Slicer(Version 4.11.20210226)软件；③使用General Regi- stration(BRAINS)模块以3D Fiesta数据为Fixed Im- age Volume，以3D TOF数据为Moving Image Vol- ume，使用Rigid模式进行图像配准；④使用Crop Volume模块选择感兴趣区(Region of Interest,ROI)进行剪裁，获得3D Fiesta Cropped与3D TOF Cropped序列；⑤使用Segment Editor模块，以3D Fiesta Crop- ped序列为Master volume，利用Threshold Effects工具3D重建脑干及面听神经，在3D视图上利用Scissors Effects工具剪切遮蔽脑干与面听神经的部分；⑥动脉血管的重建，在⑤已建成的模型中添加Segmentation，以3D TOF Cropped序列为Master vol- ume，利用Threshold Effects工具3D重建动脉血管。通过融合模型，分析判定压迫面听神经REZ区的责任血管，制定手术过程中微血管减压策略。

1.3 研究方法

1.3.1纳入分组方法

规培医师进入神经外科后，进行面听神经相关的桥小脑角区应用解剖教学，理论授课6学时。完成学习后随机分为试验组与对照组，进入颅神经疾病外科团队。每位规培医师均通过阅读面肌痉挛患者的影像学资料判断责任血管，其中试验组通过3D Slicer软件重建的3D模型判断面肌痉挛患者的责任血管；对照组通过调阅PACS系统的轴位3D Fiesta与3D TOF序列判断面肌痉挛患者的责任血管。

1.3.2面肌痉挛患者责任血管的判定

面肌痉挛患者责任血管的最终判定根据术中显微镜下解剖所见。术中充分解剖松解后组颅神经，充分显露面听神经REZ区，全程探查面听神经，寻找并判定责任血管。确认责任血管，分离血管后垫入Teflone棉，完成MVD手术。

1.3.3责任血管判定准确性评价方法

根据下列公式计算各组责任血管判定的准确率：责任血管判断准确率=判断准确例数/总例数×100%

1.4 统计分析方法

采用SPSS 27.0软件对数据进行分析，两组学员间责任血管判定准确率间的比较使用卡方检验，两组学员间年龄的比较采用单因素方差分析，以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 基本资料

共纳入HFS患者89例，术前均于西安交通大学第一附属医院行磁共振3D Fiesta与3D TOF序列扫描，并行开颅面神经MVD。纳入规培医师19人，年龄24～32岁，随机分为试验组10人，对照组9人，两组学员的年龄差异无统计学意义(P>0.05)。

2.2 两组间责任血管判断准确性比较

纳入影像学资料完整且于神经外科完成开颅面神经MVD患者89例。两组进行责任血管判断依据如图1所示。对照组根据术前3D Fiesta(图1-A)与3D TOF(图1-B)序列判断压迫面听神经REZ区的责任血管(箭头)；试验组根据3D Slicer软件重建的3D模型(图1-C)判断压迫面听神经REZ区的责任血管(箭头)。试验组通过3D模型判断责任血管更为直观，且对责任血管走行、来源的判断更为准确。由3D Slicer软件重建的3D模型(图1-C)很容易判断该例患者左侧椎动脉为责任血管，术中显微镜下证实左侧椎动脉(图1-D，箭头所示)压迫面听神经REZ区，为责任血管，由于单纯垫入Teflone棉不能完全减压，术中将左侧椎动脉悬吊于颅底硬膜(图1-E，箭头所示)完成MVD手术。

图1 面肌痉挛患者的影像学及术中所见

试验组45例手术责任血管判定正确37例，正确率82.22%；对照组44例手术责任血管判定正确28例，正确率63.64%。试验组的责任血管判断正确率高于对照组(χ2=3.902，P<0.05)，如图2所示。

图2 试验组与对照组对面肌痉挛责任血管判定的对比

3 讨论

HFS是神经过度兴奋性疾病，年发病率男性为0.74/10万人，女性为0.81/10万人[6]。“血管压迫”学说认为异常走行的血管压迫或其他因素(机械、压力等)刺激颅神经REZ致使有髓神经纤维发生脱髓鞘改变，纤维之间伪突触的形成引起“交叉传导”而诱发HFS，该学说被国内外学者广泛接受[1-7]。面部肌肉注射肉毒素虽然对HFS的初期治疗效果较好；但其作用短暂，且出现面瘫并发症的发生率较高[8]。目前，针对HFS病因的临床治疗方式主要是MVD手术，不仅缓解面肌痉挛的有效率高达90%以上，复发率低，而且为非毁损性手术，在临床得到广泛开展与应用。

MVD手术的关键点在于术前、术中责任血管的准确判断，是MVD手术效果的保证，同时也是规培医师神经外科教学的难点。目前，影像科提供的是3D Fiesta与3D TOF序列扫描的连续、轴位、二维图像，如何利用2个序列的二维图像在脑海中形成神经与血管的三维空间关系，对于准确判断责任血管，并判读其与面听神经REZ区的关系，从而制定手术中的减压策略至关重要。该研究中，对照组的规培医师应用传统方法，通过阅读3D Fiesta与3D TOF序列扫描的连续、轴位、二维图像判断HFS患者的责任血管，其正确率仅为63.64%，严重影响了临床教学效果。因此，教学团队需要探索新的教学方法，以帮助规培医师能够更加直观、准确地判断责任血管，从而缩短学习曲线。

3D Slicer是开源的医学图像数据处理和三维可视化软件[9]，能够处理CT及MRI等影像资料，多模态影像融合能够模拟出脑神经、脑血管以及颅内病灶，从而可以评估颅脑病灶范围及其与周围正常解剖结构的关系，在神经外科辅助血肿穿刺、动脉瘤夹闭、肿瘤切除、功能性疾病方面已得到初步应用[10-11]。洪文瑶等采用理论考试成绩与自编调查问卷结果，分别对规培医师进行基于3D Slicer软件的教学方式与传统教学，结果显示基于3D Slicer软件教学的学员的理论考试成绩、教学方式灵活性、学习效率、颅脑定位诊断分析和手术方式理解方面均比传统教学模式规培学员的评分高[12]。

MVD术中责任血管的判断失误或遗漏，会造成手术后症状无改善或复发。由于术区解剖关系复杂多变，常规的CT扫描与MRI序列，对于准确判定责任血管具有一定难度[13]。磁共振断层血管造影(ma- gnetic resonance tomographic angiography,MRTA)可清晰显示脑实质及血管的解剖结构[14]，3D TOF与3D FIESTA可在同一扫描层面同时以不同级别信号方式显示神经和血管状态[15]，可明确神经压迫情况。Han等[16]与Yao等[17]报道应用3D Slicer软件多模态图像的虚拟现实技术可提供可视的三维立体模型，明确神经血管位置关系，以及神经根受压程度，有助于制定手术入路。石海亮等利用3D Slicer软件，对患者的血管、脑干、面听神经进行三维建模诊断患者神经血管关系和责任血管，同时采用头颅3D TOF联合3D Fiesta磁共振检查判断责任血管，发现患者的血管、脑干、面听神经三维重建结果与术中所见高度一致，提示与3D TOF MRA联合3D Fiesta MRI检查比较，其对患者责任血管的确认、手术风险评估和手术策略的制定更有帮助[18]。该研究中应用3D Sli- cer软件构建3D模型进行临床教学，试验组对于HFS责任血管判断的准确率达到82.22%，远远高于对照组的准确率63.64%，促进了规培医师的学习动力，对于其快速掌握MVD责任血管的准确判断具有巨大的辅助作用。

HFS是面神经兴奋性增高导致的疾病，MVD手术是目前唯一的非毁损性手术，责任血管的准确判断对于MVD手术成功至关重要，也是神经外科规培医师教学的难点之一。该研究结果表明，利用3D Slicer软件构建3D模型进行面神经REZ区血管神经解剖结构分析，能够大大提高规培医师对责任血管的判断准确率，达到良好的教学效果。但是，该研究尚存在一定的不足之处：由于规培医师来自不同科室，对神经解剖学的熟悉程度不同，虽然所有参与该研究的规培医师均接受了6学时的桥小脑角区应用解剖理论学习，但是由于专业知识背景不同，对所授课内容的掌握程度存在一定差异，从而可能导致在责任血管判断时存在一定差异，需要在今后的教学中不断完善。