利用影像数据坐标转换定位头颅外体表标志与颅内靶点关系

李 滨，雷 学，戴 萌，王润辉，毕艳华，范振增

（1.华北油田公司总医院神经外科，河北任丘 062552；2.河北医科大学第二医院神经外科，河北石家庄 050000）

利用影像数据坐标转换定位头颅外体表标志与颅内靶点关系

李 滨1，雷 学1，戴 萌1，王润辉1，毕艳华1，范振增2*

（1.华北油田公司总医院神经外科，河北任丘 062552；2.河北医科大学第二医院神经外科，河北石家庄 050000）

目的利用螺旋CT图像及其后处理工作站，结合颅外标志，寻找颅内病灶与头皮各点的对应位置关系。方法使用美国GE公司的CT及后处理工作站（AW4.0），选择患者头颅CT扫描数据，进行三维立体、水平位、矢状位和冠状位等4种图像重建，从中获得双侧外耳门上缘、病灶侧颧弓上前缘皮肤点、手术靶点的原始三维坐标值。设病灶侧外耳门上缘为原点，颧弓上前缘皮肤点位于x轴，对侧的外耳门上缘位于xoy平面上，将原始坐标数据代入坐标转换数学公式，求出上述4个点在新坐标系的新三维坐标值x1，y1，z1，即x1值为靶点距原点外耳门上缘前（后）的距离，z1值代表靶点距原点外耳门上缘上（下）的距离，y1值代表靶点垂直深度距离。该法用于13例需手术定位患者，验证其准确性。结果所有患者均能成功定位靶点。结论利用螺旋CT和CT工作站，获得颅外体表标志以及颅内靶点的原始三维坐标值，建立以病灶侧外耳门上缘为原点，眶耳线为x轴的新三维坐标系，通过数学方法转化，获得靶点在新坐标系下的坐标值，实现对颅内靶点的体表定位。该方法实用可靠，是一种新的简易颅内病灶定位方法。

脑；体层摄影术，螺旋计算机；放射外科手术

颅内病变定位是神经外科医师手术成功的关键。目前精确的靶点定位方法，主要是立体定向仪定位或神经导航［1］，需昂贵仪器且操作繁琐，不能普及应用。若仅依靠CT扫描进行粗略定位，往往会产生较大的误差［2］。为此，本文介绍了一种依赖CT和MRI扫描数据结合头颅体外明显标志，推算出定位颅内病灶的数学公式，从而使颅内病变体表投影和靶点深度距离定位趋于简单化。通过文献检索查新，国内外尚未见此类报道。

1 资料与方法

1.1 一般资料：本文选择了13例需要手术定位的患者。基底节区高血压脑出血9例，额叶、颞叶、顶叶大脑脑膜瘤3例和颞叶胶质瘤1例。男性9例，女性4例。年龄31～73岁，平均56.3岁。

1.2 方法

1.2.1 扫描：采用美国GE螺旋CT（4排），GE公司的 AW 4.0CT工作站，对患者按眶耳线（orbitomeatal line，OML）常规扫描，包括外耳门和外眦。若病灶较大，定位精度要求不太高，普通扫描即可；若病灶较小，且定位精度要求较高，可以做CT薄层扫描或套扫成薄层的CT图像，层厚一般要达到至少5mm。

1.2.2 原始坐标值的选取：在 CT工作站上（AW4.0），对患者的CT数据进行重建，工作站屏幕上会出现三维立体、水平位、矢状位和冠状位等4种图像，在三维立体图上获得患侧外耳门上缘、患侧（近似OM线）颧弓上前缘皮肤点、健侧外耳门上缘、靶点的原始三维坐标值，每个坐标在4种图像上可相互参考和印证。各靶点选择时尽量在重建的冠状位和矢状位图或立体图像上选择，数据会更加准确。

1.2.3 计算和编程：已知旧坐标系里的4个点坐标分别为A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3）和D（x4，y4，z4）。A点为新坐标系的原点，B点位于新坐标系的x轴，C点位于新坐标系的xoy平面上，下面求出B，C和D在新坐标系里的坐标（推导过程略），分别为（x′1，y′1，z′1），（x′2，y′2，z′2），（x′3，y′3，z′3）和（x′4，y′4，z′4），要通过这4个点的坐标找到两个坐标系之间的对应关系。就可以用于求任意一个旧坐标系里的点在新坐标系里的坐标。假设任意旧坐标系里任意一个点的坐标（x，y，z）转换到新坐标系中变为（x′，y′，z′）。这种转换关系可以用矩阵表示为系就可以用于求任意一个旧坐标系里的点在新坐标系里的坐标。具体过程略。

将上述程序于MATLAB软件中编程并运算，就可计算出颅内靶点的新坐标值即x1，y1，z1［3-6］。

1.2.4 坐标值意义：新坐标系和颅内靶点新坐标值的意义与手术定位的关系，新的三维坐标系是仿我们手术时在患者头部画出病侧外耳门上缘、病灶侧的颧弓上前缘皮肤点（近似眶耳线），结合CT和MRI图像，寻找出颅内靶点在手术视野平面中距外耳门上缘的上下前后的头皮体表投影位置。把患侧外耳门上缘设为原点，近似眶耳线为x轴，x轴和健侧外耳门上缘构成xoy平面，经过原点并垂直xoy平面的为z轴，构成类似我们手术视野和定位需要的坐标系。求出的颅内靶点（x，y，z）可以理解为x值为靶点距外耳门上缘前（后）的距离，z值代表靶点距外耳门上缘上（下）的距离，y值代表靶点距xoz平面的垂直（深度）距离。

2 结 果

在CT和CT后处理工作站上，只要将CT图像重建，找出双侧外耳门上缘、病灶侧的颧弓上前缘皮肤点及靶点坐标值。就能经MATLAB软件中编程的数学公式程序坐标转换，得到结合以病灶侧外耳门上缘为原点的x、y、z平面三维坐标靶点值，即以外耳门上缘、病灶侧的颧弓上前缘皮肤点为基线的x，y，z靶点值。经过临床应用，均能成功的定位患者颅内病灶。

3 讨 论

神经导航或立体定向固然定位准确，但其仪器昂贵，基层医院不能普及；又因其操作复杂，收费价格高，在颅内病变手术时很难普及应用，即便买了这些仪器临床大体定位也很少运用。这就存在着颅内病变手术切口定位问题。因为各医院影像设备条件不一样，采集图像的手段和水平也不一样，许多CT片缺乏侧位定位片或扫描基线不标准，患者的体位不标准如头部旋转等，致使神经外科医师根据CT和MRI片定位病灶的方法，会产生一定的偏差。如矢状窦旁脑膜瘤的前后边界，为了全部包括肿瘤不得不扩大切口，给患者带来负面影响。医师有时为了避免这种偏差，常于患者头颅体表放置显影的标志物，定位颅内病变前后边界，并重新进行CT扫描，用来验证定位的准确性，依据标志物调整头皮切口边界［7］。这样虽提高了准确性，但增加了患者的医疗费用，延长了住院时间，患者又受到一次射线的损伤。因此，临床上迫切需要运用原始CT或MRI片数据，对颅内病变进行较准确头皮投影定位和测量靶点深度距离。为此，我们对该项问题进行了研究。

现在无论是CT还是MRI的技术越来越成熟，精度越来越高，可以到达0.01mm，失真度越来越小，影像资料的后处理系统非常丰富和强大，影像学的飞速发展给临床工作带来了便利［8］。基于CT的成像原理，可以把每次的CT或MRI扫描看成是一次精度很高的、在各个方向上的对头颅的“实体解剖”［9］，而且每个“体素或像素”均有自己的三维坐标值。重建时电脑屏幕上出现三维立体图像、水平位、矢状位和冠状位4种图像，从中可以获得任意点的原始三维坐标值包括颅内靶点和颅外标志。经MATLAB软件中编程的数学公式程序坐标转换，就能得到以病侧外耳门上缘为原点的靶点新坐标值，指导临床手术。

从病侧外耳门上缘到病灶侧的颧弓上前缘皮肤点划线，近似OM线。CT扫描的眶耳线，是外眦与外耳门连线，额部延长线向正中矢状面靠拢，实际上眶耳线是斜向前上内穿行于组织内的，是不可见的。所以我们选择近眶耳线的颧弓上前缘皮肤点，使手术患者头部画出的定位线近似平行矢状面，和我们临床操作更加接近。以外耳门上缘为基础所建立的手术定位坐标系，很容易被神经外科医师所理解和接受，但注意靶点选择时尽量在重建的图像上选择，每个坐标在4种图像上相互参考和印证，数据会更加准确。

使用该种定位方法需要注意以下几点：①定位线除眶耳线以外，可根据实际情况任意调整，但需注意图像中我们选择的体表点需和患者实际的体表点有较好的对应关系，必要时可以根据手术视野和体位要求等，在体表贴上MARK以辅助定位。②由于计算出的三维数值是根据手术需要构建的垂直三维坐标，在颅脑的顶部靶点体表投影测量上还需要注意头颅曲度变化增加带来的误差增大问题，可使用一些简单的三维直角尺辅助。③该坐标系的xoz平面，和我们常说的矢状面有一定的小夹角（这与选择外耳门上缘和同侧颧弓上前缘皮肤点的个人在图像上的选取点有关，一般情况下与矢状面角度 ＜5°），对病灶的一般定位并不受影响；若需要xoz平面完全与矢状面平行，比如窦旁占位的定位，可补选大脑镰的任意两点对新坐标系进行调整（其调整公式和程序也已完成），以增加手术时方向性的把握［10］。④用于前额和后枕皮肤点平行矢状位穿刺时，需用延长线平行移位法和颅脑中线，确定其部位和方向。

本定位方法有以下优点：①可以直接在CT工作站获取患者的靶点资料，不需要患者再次CT重新扫描，减少了医疗费用和放射性损伤；②由于是数学计算，而且CT工作站中靶点选择时几种图像相互验证，整体的误差小，精度高；③简单易行，上述工作在CT工作站靶点选择和在MATLAB软件中运行得到结果，只需数分钟即可完成；④在CT和MRI中均可以实现上述靶点的获得。相信该技术和软件可在相关技术人员的帮助下能进一步完善，能更简化和精确地帮助临床医师定位。

［1］周良辅.神经外科手术步骤点评［M］.上海：科学技术文献出版社，2011：10-32.

［2］邵俊飞.颅内病变精确定位与手术设计［M］.北京：人民军医出版社，2005：1-19.

［3］张勇士，闫剑平，高良会，等.计算机CT辅助外贴标志物微小骨窗治疗颅内血肿［J］.中国实用医药，2007，2（12）：74-75.

［4］JIANG HSIEH，张朝宗.计算机断层成像技术——CT原理、设计、伪像和最新进展［M］.北京：科学出版社，2006：1-96.

［5］PANAGIOTOPOULOU O.Finiteelementanalysis（FEA）：applying an engineering method to functional morphology in anthropology and human biology［J］.Ann Hum Biol，2009，36（5）：609-623.

［6］钟世镇.数字人和数字解剖学［M］.济南：山东科学技术出版社，2004：1-3.

［7］周翔平.医学影像学［M］.北京：高等教育出版社，2008：1-106.

［8］吴辉群，吴兴，严培培，等，基于CT断层影像的颅骨解剖结构三维重建［J］.解剖与临床，2011，16（5）：382-384.

［9］李连峰，余新光.术中CT与导航系统在神经外科的发展应用［J］.中国医药指志，2011，9（16）：60-61.

［10］刘凤强，双靶点单通道穿刺角度深度计算法的修正与应用初探［J］.中国微侵袭神经外科杂志，2007，12（9）：403-405.

（本文编辑：刘斯静）

UTILIZING COORDINATE TRANSITION OF IMAGING DATA TO LOCATE THE RELATIONSHIP BETWEEN THE INTRACRANIAL TARGET AND THE SKULL SURFACE SIGNS

LI Bin1，LEI Xue1，DAI Meng1，WANG Runhui1，BI Yanhua1，FAN zhenzeng2*
（1.Department of Neurosurgery，Huabei Oilfield General Hospital，Hebei Province，Renqiu 062552，China；2.Department of Neurosurgery，the Second Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050000，China）

Objective To determine the corresponding relations between the positions of intracranial lesions and scalp surface signs by using Spiral CT and CT workstations.MethodsWith the application of American GE CT and CT workstations（AW4.0），the data of the patientsˊhead scan images were selected to reconstruct four images including three-dimensional position，horizontal position，sagittal position and coronal position.From those images，the three-dimensional coordinates figures of upper limbs of bilateral outer ears，upper front skin point of cheekbones on the lesion side（in Orbitomeatal Line，OML）and lesions demanding surgery were obtained for all 13 cases of patients who need surgical navigation.Command：With the upper limb of outer ear on the lesion side as the origin，the upper front skin point of cheekbones on the lesion side was located in OML（x-axis），and the upper limb of contralateral outer ear in xoy plane，a new three-dimensional coordinate system was acquired by means of mathematical transformation of these three-dimensional coordinates figures with mathematical formula，and the new coordinates figures（x，y，z）were calculated in the new three-dimensional coordinatesystem，with“x1”on behalf of the longitudinal distance from the target to the upper limb of outer ear on the lesion side，“z1”on behalf of the vertical distance from the target to the upper limb of outer ear on the lesion side，“y1”on behalf of vertical depth of target.This method was applied in all 13 patients to verify the navigating accuracy of the method.ResultsAll lesions of the patients were accurately navigated. Conclusion By using Spiral CT and CT workstation，the original three-dimensional coordinates figures of skull surface signs and intracranial targets were obtained，and a new three-dimensional coordinate system was established within which the origin was the upper limb of outer ear on the lesion side and the x-axis was the OML.A new three-dimensional coordinates figures of the target was acquired to locate the surface projection of intracranial lesions with the application of mathematical methods of coordinate transformation.This method is a novel，reliable，simple and practical way to locate the intracranial lesions.

brain；tomography，spiral computed；radiosurgery

R651.11

A

1007-3205（2012）11-1260-04

2012-03-28；

2012-08-27

李滨（1978-），男，山东淄博人，华北油田公司总医院主治医师，医学硕士，从事脑立体定向研究。

*通讯作者。E-mail：zhenzengfan@yahoo.com.cn

10.3969/j.issn.1007-3205.2012.11.008