李濱，李潮激，楊利軍，楊亮，范振增

顱內(nèi)大腦鐮旁占位病變的定位是神經(jīng)外科手術(shù)成功的關(guān)鍵步驟[1]。臨床醫(yī)生常常僅依靠原始的CT或MRI圖像進(jìn)行粗略測量定位，或在頭顱體表放置標(biāo)記物再次進(jìn)行掃描定位；這不但增加患者的費(fèi)用，且往往會(huì)產(chǎn)生誤差。為了全部包括腫瘤的范圍，經(jīng)常不得不擴(kuò)大切口，給患者帶來了負(fù)面影響。目前精確的靶點(diǎn)定位方法主要是立體定向儀定位[2]和神經(jīng)導(dǎo)航[3]，但上述方法均需要使用價(jià)值昂貴的儀器且操作較為繁瑣，不能普及應(yīng)用。為此，本研究開發(fā)了額頂中線定位法[4-5]，提供了一種定位顱內(nèi)大腦鐮旁占位病變的準(zhǔn)確、簡易方法。本定位方法的主要功能是轉(zhuǎn)換CT或MRI坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定顱內(nèi)靶點(diǎn)的頭皮對(duì)應(yīng)位置。本軟件系統(tǒng)基于云平臺(tái)部署，在瀏覽器內(nèi)使用；用戶登錄后，可以上傳查看案例，對(duì)案例可以進(jìn)行3D建模，手工選點(diǎn)，自動(dòng)計(jì)算定位結(jié)果。本方法簡便準(zhǔn)確，可用于神經(jīng)外科手術(shù)頭皮投影定位，指導(dǎo)手術(shù)切口和顱內(nèi)穿刺點(diǎn)的選擇。

本軟件主要實(shí)現(xiàn)了兩種定位法：顳側(cè)定位法和額頂中線定位法，根據(jù)靶點(diǎn)位置可以靈活選擇具體的定位方法。顳側(cè)定位法主要適用于定位顳側(cè)附近的靶點(diǎn)，額頂中線適合定位顱頂中線附近的靶點(diǎn)；兩種定位法使用共同的基準(zhǔn)面，即兩外耳門和兩外眥點(diǎn)確定的平面。顳側(cè)定位法已有相關(guān)研究報(bào)道[6-9]；而額頂中線定位法是新坐標(biāo)系，以眉心為原點(diǎn)(亦外眥連線中點(diǎn))，外眥連線向左外眥為x軸方向，平行基準(zhǔn)面向前為y，垂直于基準(zhǔn)面向上為z?；咀龇ㄊ钦{(diào)取患者頭顱掃描數(shù)據(jù)，重建三維立體、水平位、矢狀位和冠狀位等四種圖像，從中記錄雙外耳門、雙外眥，前后腦鐮及靶點(diǎn)等部位的原始三維坐標(biāo)值。雙外耳門及雙外眥構(gòu)成一平面，將眉間作為0點(diǎn)，形成新坐標(biāo)系。將原始三維坐標(biāo)值經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式移到新坐標(biāo)系中，在新坐標(biāo)系沿矢狀縫向額頂畫曲線或矢狀縫旁開畫曲線，曲線可以看成無數(shù)點(diǎn)組成，這些點(diǎn)都有坐標(biāo)值，這樣就能計(jì)算出曲線長度，繼而可以推算出顱內(nèi)病變相對(duì)應(yīng)的垂直頭皮點(diǎn)及病變深度。本定位方法不需要患者再次重新CT或MRI掃描，整體的誤差小，精度高；導(dǎo)入CT或MRI的DICOM文件后只需數(shù)分鐘操作就能得到靶點(diǎn)的頭皮對(duì)應(yīng)點(diǎn)。現(xiàn)報(bào)告如下。

1 操作方法

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立 顱內(nèi)靶點(diǎn)定位系統(tǒng)的基本操作流程如下：準(zhǔn)備DCM文件，進(jìn)行3D建模。創(chuàng)建水平位、矢狀位和冠狀位等3個(gè)視圖加3D視圖。3D渲染有助于了解整個(gè)頭顱的結(jié)構(gòu)。最終的選點(diǎn)操作是在3個(gè)視圖中完成。選好的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變化，并得到切面圖；為了計(jì)算切面方便，新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以像素點(diǎn)為單位。在兩個(gè)切面圖中確定輪廓線，算出兩者長度；并匯總計(jì)算結(jié)果。標(biāo)記后的切面圖可以打印出來供臨床參考。為了手工測算核對(duì)方便，切面圖上帶比例尺。

DCM序列與工作集：每個(gè)病例有自己的DCM目錄，目錄下有一個(gè)由自動(dòng)工具dcm2png生成的dcmlist.json文件，文件含有該目錄下所有DCM圖片的信息。該工具自動(dòng)掃描目錄中的dcm文件，將dcm轉(zhuǎn)成PNG文件，并將dcm信息寫入dcmlist.json。每張DCM圖片都有一個(gè)序列號(hào)(Series Number)和一個(gè)實(shí)例號(hào)(Instance Number)。同一序列號(hào)的DCM圖片一般是同一角度，如水平截面。但是同一序列的圖片有時(shí)并不能全部用來進(jìn)行3D重建。需要根據(jù)實(shí)例號(hào)排序，手工指定一定范圍內(nèi)的圖片作為符合條件的工作集。同一工作集的DCM圖片必須滿足：(1)水平截面圖；(2)尺寸一致；(3)圖片左上點(diǎn)的x和y值必須很接近；(4)橫向和縱向的pixel Spacing必須一致；(5)各層z遞增或者遞減，且間距均勻；(6)創(chuàng)建工作集后，可以選擇一個(gè)工作集進(jìn)行3D重建。所有的后續(xù)操作均發(fā)生該工作集內(nèi)。

1.2 各點(diǎn)的選擇 選擇一個(gè)工作集進(jìn)行3D重建后，需要從3個(gè)角度的截面中(水平位，矢狀位，冠狀位)找到7個(gè)位置點(diǎn)：左外眥、右外眥、左外耳孔、右外耳孔、前腦鐮、后腦鐮及靶點(diǎn)。前4個(gè)點(diǎn)有比較明顯標(biāo)志，在影像中容易選取，體表也容易找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)；此4點(diǎn)確立了新坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面。左外眥、右外眥的中點(diǎn)為原點(diǎn)(圖1)。為了校正，要求另外需要提供前腦鐮和后腦鐮的點(diǎn)，用來校正原點(diǎn)位置，因原點(diǎn)位置決定了過額頂中線切面的準(zhǔn)確性。手術(shù)定位的靶點(diǎn)(病變位置)需要分別選擇腫瘤的前后、上下邊界分別計(jì)算(圖2)。

圖1 原點(diǎn)選擇示意圖(右外耳門) 圖2 靶點(diǎn)計(jì)算示意圖

1.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 DCM文件中含有每層掃描圖像的數(shù)據(jù)，并有該層掃描圖像的原始坐標(biāo)信息，這些坐標(biāo)信息與設(shè)備相關(guān)。需要將原始坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)為臨床上有意義的坐標(biāo)系統(tǒng)，以便于理解和計(jì)算，也便于計(jì)算出臨床需要的切面。掃描層切面的像素點(diǎn)有相應(yīng)的物理點(diǎn)距。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，要求x點(diǎn)距和y點(diǎn)距(pixel Spacing)須一致。另外，各層切面的z坐標(biāo)值必須間隔均勻。新坐標(biāo)系以眉間為原點(diǎn)。因眉間在CT掃描圖像中很難確定，本研究的做法是找出兩個(gè)外眥點(diǎn)，取其中點(diǎn)。兩眼連線為x軸。外眥和外耳孔確定了z=0這個(gè)平面。x=0的面即為過額頂中線的矢狀位切面。假設(shè)靶點(diǎn)坐標(biāo)為(tx，ty，tz)，則y=ty為過靶點(diǎn)的冠狀位切面。矢狀位切面和頭顱表面的交界線確定了靶點(diǎn)的第一段路徑，冠狀位切面與頭顱表面的交界線確定了第二段路徑。深度為頭顱表面上第二段路徑的終點(diǎn)與靶點(diǎn)的距離。為了計(jì)算坐標(biāo)變換矩陣，需要對(duì)原始坐標(biāo)系進(jìn)行簡化；令各層掃描圖像的左上角x,y為0，最底層的掃描圖像z為0，其上各層z遞增。原坐標(biāo)系和新坐標(biāo)系均以像素點(diǎn)為單位。

從新坐標(biāo)系到原坐標(biāo)系的變換矩陣的算法為M的逆：

得到切面的基本思路是：給定切面上各點(diǎn)在新坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，逆映射回原坐標(biāo)系中，即可知各點(diǎn)在原來的掃描圖像中的位置，從而獲取各點(diǎn)的像素值。矢狀位切面在x=0面上，設(shè)定其大小為500×500，其左上點(diǎn)為(x=0,y=100,z=300)。將該區(qū)域的點(diǎn)映射到原坐標(biāo)系中即可獲取原始像素值，見圖3A。冠狀位切面在y=TargetY面上，TargetY為靶點(diǎn)在新坐標(biāo)系中的y坐標(biāo)值；同樣設(shè)定其大小為500×500，其左上點(diǎn)為(x=TargetX-200，y=TargetY,z=300)；見圖3B。

A：矢狀位切面； B：冠狀位切面

1.4 輪廓線提取和長度估算 得到兩個(gè)切面后，在切面圖中提取兩段額頂輪廓線。第一段輪廓線在矢狀位切面，水平線過眉心，平行于基準(zhǔn)面，其z坐標(biāo)為0；垂直線為y=TargetY，靶點(diǎn)所在面過垂直線，垂直于切面(圖4A)；兩條線之間的左上部頭顱輪廓線即為第一段額頂定位路線。第二段輪廓線在冠狀位切面，水平線過靶點(diǎn)，垂直線同樣過靶點(diǎn)，顱頂部分的輪廓線即為第二段定位路線(圖4B)。在頭顱表面，該線與第一段輪廓成90°。選輪廓點(diǎn)基本原則為：在下45°區(qū)域取橫向的外延點(diǎn)，上45°區(qū)域用縱向的外延點(diǎn)。計(jì)算輪廓線長度時(shí)取點(diǎn)要有一定的間隔，以間距2～4個(gè)像素點(diǎn)為佳。

A：矢狀位切面輪廓線(額頂部綠線)； B：冠狀位切面輪廓線(顱頂部綠線)

1.6 計(jì)算結(jié)果匯總 定位軟件的計(jì)算結(jié)果包含7個(gè)位置點(diǎn)的新坐標(biāo)值；顳側(cè)定位結(jié)果可從靶點(diǎn)與耳孔的坐標(biāo)值關(guān)系算出；額頂中線定位結(jié)果包括矢位線的長度、冠狀位線長度及深度。兩個(gè)切面圖上標(biāo)出輪廓線及比例尺，程序日志輸出。見圖5。

A：矢狀位； B：冠狀位，由眉心始沿額頂中弧線73.2 mm處，往頭顱右側(cè)沿橫向弧線10.2 mm，垂直于兩耳孔和兩外眥線確定的基準(zhǔn)面鉆孔深度為28.4 mm

2 結(jié) 果

將上述運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)應(yīng)用于近200例大腦鐮旁占位患者的手術(shù)定位，均能成功準(zhǔn)確定位。與根據(jù)患者M(jìn)RI檢查結(jié)果設(shè)計(jì)的手術(shù)區(qū)域完全一致。目前本研究開發(fā)的是服務(wù)器軟件，神經(jīng)外科醫(yī)師使用時(shí)需要先在瀏覽器上登錄注冊(cè)，將患者的MRI數(shù)據(jù)上傳，然后從3個(gè)維度(水平位、矢狀位、冠狀位)平面鎖定7個(gè)位置點(diǎn)：左外眥、右外眥、左外耳孔、右外耳孔、前腦鐮、后腦鐮及手術(shù)靶點(diǎn)(也可以是設(shè)計(jì)手術(shù)區(qū)的前后上下邊界點(diǎn))，即可自動(dòng)生成手術(shù)定位數(shù)據(jù)(圖5)。

3 討 論

目前對(duì)大腦鐮旁占位定位比較準(zhǔn)確的是立體定向和神經(jīng)導(dǎo)航定位。立體定向定位操作過程中需要給患者顱骨上安裝頭架，后再次行顱腦CT掃描，增加了手術(shù)時(shí)間，且頭架的安裝影響了手術(shù)操作的靈活性[10-11]；而且目前國內(nèi)多數(shù)立體定向頭架與內(nèi)鏡系統(tǒng)的兼容性較差[12]。神經(jīng)導(dǎo)航需要進(jìn)行注冊(cè)軟件[13]等，手術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間較長[14]。由于此類醫(yī)療設(shè)備價(jià)格昂貴，目前多數(shù)醫(yī)院(尤其是基層醫(yī)院)不能裝備立體定向儀或神經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備，所以此類手術(shù)的定位多數(shù)醫(yī)生仍是根據(jù)CT片，結(jié)合臨床經(jīng)驗(yàn)，粗略估計(jì)測量定位。為了相對(duì)準(zhǔn)確定位，部分神經(jīng)外科醫(yī)生采用“CT顱表定位柵”、“折耳法”、“CT激光標(biāo)記”[15-17]或其他自制的體表定位標(biāo)記物進(jìn)行輔助定位，雖然都能明顯地提高定位的準(zhǔn)確性，但需要對(duì)患者再進(jìn)行一次顱腦CT或MRI檢查，增加了醫(yī)療費(fèi)用。本研究的定位方法可為每例患者節(jié)省定位費(fèi)用200元，僅華北油田公司總醫(yī)院一年頭顱手術(shù)及穿刺術(shù)2 500臺(tái)，就可節(jié)省定位費(fèi)用500 000元。如果此方法能在全國普及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值將非常可觀。

本定位方法靶點(diǎn)的選擇可分別選擇病灶的前后及上下邊界，分別計(jì)算出具體數(shù)據(jù)，并在三維圖像上直觀顯示。將數(shù)據(jù)在患者頭皮上可直接用軟皮尺量出來，并用記號(hào)筆標(biāo)記即可。腫瘤的上下邊界具體參考價(jià)值與手術(shù)的入路選擇有關(guān)，手術(shù)醫(yī)生可酌情參考。上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于患者的定位效果非常理想。

影像學(xué)檢查技術(shù)的飛躍發(fā)展，給臨床診斷和治療帶來了很多的便利。目前，影像學(xué)檢查用于診斷的偏多，若其能更直接地、數(shù)字化地用于手術(shù)治療中，將對(duì)精準(zhǔn)定位幫助巨大，能減少差錯(cuò)，減少患者的痛苦及醫(yī)療費(fèi)用。目前相關(guān)技術(shù)也在快速發(fā)展。機(jī)器人輔助的無框架神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)將顱腦穿刺手術(shù)技術(shù)精確到了毫米的級(jí)別[11,18-19]。部分甚至采用3D打印技術(shù)定位大腦鐮旁占位[20]，但費(fèi)用非一般醫(yī)院能承受。大腦鐮旁占位手術(shù)為開顱手術(shù)，定位精確度的要求較高[21]。目前還沒有簡單實(shí)用但又精確的手術(shù)定位方法，本定位方法通過測量眉間到腫瘤前后邊界的距離，直接給手術(shù)醫(yī)生提供數(shù)據(jù)，極大地方便了手術(shù)。而且本軟件基于云平臺(tái)部署，在瀏覽器內(nèi)使用，這樣使各地臨床醫(yī)生通過網(wǎng)絡(luò)就可以方便地應(yīng)用該手術(shù)定位軟件，達(dá)到資源共享，極大地方便了臨床工作的需要。