手机App辅助颅内幕上病变的定位方法(进化版)

作者简介束旭俊 解放军第82医院

征稿启事:本公众号3DSlicer社区SlicerCN)长期征文,投稿邮箱地址:slicercn@163.com。

手机App辅助颅内幕上病变的定位方法(进化版)

2017年中国医师协会神经修复学专业委员会卒中神经修复第二届年会在武汉召开,会上跟大家共同分享了“手机App辅助颅内幕上病变的定位方法”,因会议发言时间有限,未能做很详细的介绍,加之网络直播出现故障,导致群里的同志没能看到分会场直播,在这里我把发言做成图文版,并尽可能将内容和原理讲得详细一些。原版PPT还包括了穿刺路径的选择等内容,那部分以后再讲,这次先讲定位。这次讲的定位方法是上次颅内血肿定位方法的进化版,适用于大部分幕上病变的体表定位。也希望此文能抛砖引玉,激发大家对Slicer的研究兴趣。

手机App辅助颅内幕上病变的定位方法(进化版)

自从神经导航应用于临床以来,使得颅内病变的定位、穿刺变得简单、直观和准确,大大提高了我们神经外科医生的工作效率,也增强了手术的安全性。可以说,神经导航是一款“革命性”的产品。

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然而神经导航价格不菲,目前只在大型医院普及,广大中、小型医院还担负不起,只能望尘莫及。但我们也有准确定位和精准穿刺的需求,所以我们就想:能不能搭建一套简易的系统来实现类似导航的部分功能,即简单实用,又价格低廉,适合广大基层医院使用呢?

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于是就开始尝试使用免费开源软件+手机App来辅助定位。

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2016年我们看到麦考瑞澳洲高等医学院的学者在《world neurogurgery》杂志上发表了一篇名为“手机App辅助颅内幕上浅表肿瘤定位”的技术报道。他们开发了一款安卓手机端应用叫“Sina”。这个App的功能其实很简单,就是能将患者的MRI照片进行半透明化处理,并重叠(overlap)在手机摄像头取景画面之上。

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这时,只需将手机对准患者头部,使MRI的冠状位图像与患者的头部轮廓及冠状缝位置吻合(如图),助手用手指定肿瘤位置,然后在患者头部画一条水平线,之后载入患者的轴位MRI图像,从患者头顶部进行第二次匹配,助手再次定位好肿瘤位置,并画出第二条水平线,两条线相交的位置就是肿瘤中心的体表投影位置。这种定位方法在匹配时需要参考标志,文中用的是冠状缝和头像轮廓,MRI上冠状缝很好辨识,但患者头部的冠状缝需要助手用手触摸去定位,实际操作时存在一定困难,会导致定位的误差。作者用导航验证了这种方法,结果表明误差在1cm左右。

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那么,Sina能否用于颅内血肿的定位呢?我们发现有两个问题:1、脑出血患者往往做的是CT扫描而不是MRI扫描。MRI可以清楚的显示患者头部轮廓,但CT显示的是颅骨轮廓,这加大了匹配难度;2、这种方法只能定位血肿的中心位置,不能显示血肿的范围。

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当我们将患者的二维CT影像转化成三维影像时,上面两个问题就解决了。二维转化成三维的操作并不困难,只需要一台个人电脑、一个免费开源软件(3DSlicer)和几分钟时间。

手机App辅助颅内幕上病变的定位方法(进化版)三维影像有什么优点呢?

1、三维头颅能自由旋转浏览,可以看清楚体表细节,比如眼角、眉弓、外耳轮廓等,这些体表标志都有助于匹配;

2、三维血肿可以精确计算体积,不需要使用多田公式了。同时还可以观察血肿的三维形态,选择更佳的穿刺目标点;

3、在Slicer中可以用虚拟现实技术,使头颅变透明,看颅内血肿的位置和不同方向的体表投影。看到这里,细心的同志们就已经发现:只要拿最后一张带有血肿的图片,载入Sina中就可以定位了。但是这里有个问题:要想显示颅内血肿就需要使头颅透明化,头颅透明化后,体表细节也会消失。最理想的状态应该是即有血肿显影,又有体表细节。

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这个问题可以通过手机上的“图片合成”App来解决。在Slicer软件中分别截取三维血肿和头颅的图片,再将两者在手机APP中重叠,就能合成我们理想的图片。再将这个图片载入Sina中,就可以和患者头部进行匹配了。匹配完成后,血肿会以增强现实的方式在患者的头部显示,血肿的位置、大小、形状一目了然。

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实际操作中主要分两个步骤:1、在PC端利用患者CT数据对头颅和血肿进行三维重建,并将图片传输到手机进行整合处理;2、在病房或手术室对血肿进行定位。

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以上手机辅助定位的方法我们已经发表在《脑出血》杂志上,里面对方法有详细的描述及准确性验证的结果,有兴趣的同志可以看一下。

但该方法并未尽善尽美。通过患者头像轮廓和几处体表特征进行匹配,操作起来很费时间。在匹配之前要对患者头位进行“摆正”,Slicer软件中的虚拟头位也需要“摆正”,只有当现实和虚拟头位一致时,才能匹配准确。那么有没有更有效率的方法呢? 有……!那就是在患者头部贴上标志物,再去扫描一次CT。如图(图片由Slicer社区赵端允医生分享),在Slicer中把体表标志物和血肿重建出来,这时甚至不需要重建头颅,直接用标志物进行匹配即可,当标志物(蓝色)重叠时,血肿(红色)在患者头部的位置也就显示出来了,只需要描下边即可。这个方法大大缩短了匹配的时间,提高了定位的效率。

但是,脑出血患者一般急诊入院,病情比较急。有时候没有时间贴上标志物再拉去扫一次CT。还有患者家属有时不能理解,为什么刚做的CT又要做?

于是我们思考:能不能不贴标志物,还能有同样的匹配效率呢?这个问题困惑了我们一段时间。

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下面讲个插曲:在一个对埃隆.马斯克(不知道的请百度)的访谈节目中,记者问他是如何构思超级高铁(Hyperloop)的。马斯克说:火箭能载人竖着向天上打,为什么不能横着在地面上打呢!于是就有了超级高铁(时速高达760英里/小时,飞机的时速为500英里/小时),目前超级高铁已经开始构建。正是这种回归事物原点和问题本质的思考方式(第一性原理)给人以启发。当我们抛开虚拟现实、增强现实等概念,回归问题的本质,即:如何用最简单、直观的方式指出血肿在哪里?

手机App辅助颅内幕上病变的定位方法(进化版)

我想最简单的方式可能就是头皮画线法了。就像汽车导航,先确定一个起始点,然后往后几厘米,再往旁边几厘米,到达目的地。传统定位法不能在CT平片上直接测量头部表面的距离,只好测量轴位平面上的直线距离,再用直角尺间接转化成头部表面距离。但在Slicer中,可以直接测量虚拟头像的体表曲线长度。我们选择鼻根部位作为起始点(M-1),因为这个点不仅在虚拟头像上好找,在患者头部也很好辨识。利用矢状位、冠状位、轴位平面在虚拟头像上定好血肿位置,便能测量从鼻根部到血肿中心点(M-2)的表面距离是16cm,然后再往侧方测量12cm到达M-3点。其实,M-3点就是血肿中心点在侧方的体表投影。到此,血肿的定位已基本完成,只是没有血肿范围而已。

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要想显示血肿范围,只需结合手机辅助定位就行。为了更好验证该方法的可靠性,我们把患者的头颅进行了1:1的3D打印,这里可以当作患者的真实头颅。我们在模型上同样从鼻根部开始画线,向后16cm,再旁开12cm,得到血肿中心点投影,用红“十”字标出。我们将虚拟头像(带绿色测量线和M-3点)的图片载入Sina,用手机对模型进行匹配,这时我们发现红色测量线和“十”字点可作为匹配参考,再结合头颅轮廓,外耳形状等,使匹配的效率大大提高。而且不需要贴标志物后二次CT扫描了,因为红线和M-3点可当作参照标志物。画线法结合手机定位法,还能提高定位的准确度。因为画线定位和手机定位相当于进行了双重验证(Double Confirm)。

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接下来验证该方法的准确性。我们用“十”字激光定位到血肿的中心点后,水平位固定激光仪(可搜淘宝购买)。移开头颅模型,显露出颅内的血肿模型(白色球体,上方的是侧脑室),可以看到激光焦点正好落到球体的中心位置,这也证明了定位的准确性。

手机辅助颅内病变定位的方法国内外学者均有报道。其基本原理皆相似,就是利用患者医学影像来达到增强现实的效果从而显示出病变的位置。我们利用患者的三维影像进行定位,能达到更加直观的效果。手机定位法结合画线法,除了适用于颅内血肿的定位,还适用于大部分幕上病变的定位,而且不需要贴体表标志物辅助定位,提高了定位的效率和准确度。

该方法尤其适合脑出血术前定位,原因如下:首先,脑出血作为一种神经外科常见危急重症,术前时间比较紧,没有充分的时间做类似肿瘤那样的术前准备。其次,对脑出血手术来说,对术中定位的精度要求并不很高,使用神经导航还会增加患者住院费用,所以一般不考虑使用神经导航系统。该方法也存在一些不足之处:1、掌握slicer需要学习成本;2、定位过程不能互动;3、不能实时引导穿刺。

最后需要提醒的是:以上内容均为个人经验,未经过严格的临床验证。该方法在实际操作中存在一些技巧(Tricks),比如患者头部画线时,两条线并非完全垂直。这需要在实际操作中体会,对于初学者来说,用该方法定位后,最好行CT或MRI检查对定位结果进行验证,以免造成严重不良后果。

本文仅代表作者本人观点,仅供参考,如有错误之处,还请批评指正。

致谢:感谢陕西省核工业215医院谢国强主任对文章提出中肯的建议

文章审校曹玉福 黑龙江鹤岗市人民医院神经外科

《手机App辅助颅内幕上病变的定位方法(进化版)》上的一个想法

  1. 软件找遍了都找不到,方便提供下么,谢谢

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