基于计算机建模的侧脑室额角垂直穿刺方法研究

刘宇清 何炳蔚 黄绳跃 洪文瑶 廖正俭 练发杨

1)福建省立医院 福建医科大学省立临床医学院，福建 福州 350000 2)福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350000

侧脑室额角穿刺为神经外科的基本操作[1]，主要应用于严重颅高压的减压、脑室内感染与出血的外引流及给药、VP分流手术等[2]，穿刺点、穿刺方向、穿刺深度是决定手术成败的关键因素[3]。目前常用的穿刺方法为：取冠状缝前2～3 cm，中线旁开2.5 cm，朝两侧外耳道假想连线中点方向穿刺[4]。但在手术时，由于冠状缝辨认不清、手术铺巾覆盖两侧外耳孔、外耳道假想连线及中点位置需凭术者想象等原因，影响术者对穿刺点及穿刺方向的准确把握，降低了一次性穿刺成功率[5]。

因此，如果能找到一种更简单易行的穿刺方法，术者可根据患者CT或MRI图像所显示的侧脑室大小，通过选择最佳穿刺点、穿刺方向及穿刺深度，降低人为因素影响，及时纠正穿刺偏差[6]，则可大大提高穿刺的一次性成功率，保证引流管准确进入侧脑室，减少多次试穿刺造成的脑组织损伤[7]。

本研究利用计算机技术建立颅骨-侧脑室虚拟模型，同时将侧脑室大小予以归类，选择不同位置进行垂直颅骨钻孔点的侧脑室模拟穿刺，记录穿刺结果并进行统计学分析，总结不同大小侧脑室的最佳穿刺点及穿刺深度，用于指导临床手术操作，实现个性化的侧脑室额角穿刺。

1 资料与方法

1．1临床资料选取福建省立医院2014-05—2018-12颅脑CT检查报告侧脑室增大且无明显受压、变形、移位的成年患者(≥15岁)261例，其中男171例，女90例，年龄15～83岁。CT横断面层厚为1.25 cm。

1．1．1 侧脑室占比的计算：按照以下方法计算261例CT图像的侧脑室宽径与脑横径比例：以CT图像眦耳线为基线，向上找到第一个完整显示侧脑室图像的层面，分别标示两侧侧脑室额角的内侧拐点a、b，连接a、b点并向两侧延长，通过两侧侧脑室外缘(cd线，定义为侧脑室宽径)，到达两侧颅骨内缘(ef线，定义为脑横径)，计算侧脑室宽径与脑横径之比即为侧脑室占比。见图1，该图侧脑室占比为52.68 mm/114.6 mm=46%。

图1 侧脑室占比计算图Figure 1 Calculation of the lateral ventricles ratio

1．1．2 病例筛选：选取侧脑室占比20%～60%患者204例为研究对象，男126例，女78例，年龄15～83岁；204例中侧脑室占50%～60%20例，40%～<50% 56例，30%～<40%72例，20%～<30%56例，分别定为A、B、C、D 4组。

1．2方法

1．2．1 建立颅骨-侧脑室三维虚拟模型：在计算机上分别读取204例CT图像的DICOM原始数据(图2)，根据颅骨和侧脑室的灰度值差异，重建颅骨-侧脑室三维虚拟模型(图3)。

1．2．2 模拟穿刺：①在颅骨-侧脑室虚拟模型上取鼻根部(A点)沿矢状线向上9～11 cm(B点)，垂直AB线向一侧分别旁开2.0 cm(C1点)、2.5 cm(C2点)、3.0 cm(C3点)、3.5 cm(C4点)、4 cm(C5点)作为穿刺点(颅骨钻孔点)，各长度均以颅骨表面曲线距离计算(图4)。②构建各穿刺点的切平面。以C1点为例，在距离C1点0.5cm的颅骨表面取三个点，三点彼此之间的夹角约为120度，通过该三点确定一辅助平面，将C1点投影至此辅助平面生成C1’点(图5)。③通过C1’点拉伸一直径为0.5 cm的虚拟引流管垂直辅助平面，该引流管的穿刺方向即垂直于颅骨钻孔点C1所在切平面(图6)。④按照以上步骤，204例颅骨-侧脑室三维虚拟模型均制作出旁开距离为2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm、3.5 cm、4 cm的5根虚拟引流管，判断模拟穿刺效果(图7)。评价标准：①穿刺成功：引流管进入同侧侧脑室额角；②穿刺失败：引流管未进入同侧侧脑室额角或进入对侧侧脑室。

图2 CT原始数据 A：矢状位；B：冠状位；C：横断位

Figure2Raw CT image (A：Sagittal；B：Coronal；C：Axial)

图3 颅骨、侧脑室三维虚拟模型 A：侧脑室；B：颅骨；C：颅骨-侧脑室

Figure33D virtual model of cranial and lateral ventricle (A：lateral ventricle；B：skull；C：skull-lateral ventricle)

图4 确定穿刺点的旁开距离Figure 4 Determining the puncture point

图5 制作辅助平面Figure 5 Making the auxiliary plane

图6 制作垂直穿刺点的虚拟引流管Figure 6 Making a virtual drainage tube

图7 模拟穿刺 a制作5根引流管 b判断穿刺效果 c整体效果图

Figure7Simulated puncture (a Production of5drainage tube b Judge the puncture effect c Overall renderings)

1．2．3 数据测量：分别标记通过C1～C5穿刺点的5根虚拟引流管到达侧脑室上表面的对应位置P1～P5点，测量各P点到颅脑中线矢状面的垂直距离(偏置距离)S1～S5(图8)，并测量各C点到对应P点的引流管长度(穿刺深度)H1～H5，以上测量穿刺失败者不予计入(图9)。

1．3统计学处理采用IBM公司SPSS22.0软件进行数据分析，计量正态分布资料用均值±标准差表示，组间差异比较采用单因素方差分析，计数资料用率表示，组间率的比较采用卡方检验或精确概率法。统计的数据有：(1)穿刺成功率统计，包括：①全样本总体穿刺成功率；②5个穿刺点均成功的模型比例；③4组模型的穿刺成功率；④5个穿刺点在各组中的穿刺成功率；⑤每个穿刺点在全样本中的穿刺成功率。(2)测量偏置距离及确定最佳旁开距离。(3)各组平均穿刺深度。

图8 偏置距离测量图 图 9穿刺深度测量图Figure 8 Measurement Figure 9 Depth measurement ofgraph of offset distance puncture

2 结果

2．1穿刺成功率

2．1．1 全样本穿刺成功率：204例模型共实施1 020次穿刺，其中986次穿刺成功，成功率96.67%。

2．1．2 5个穿刺点均成功的模型比例：204例模型中，有186例5个穿刺点均穿刺成功，占91.18%。见表1。

2．1．3 4组模型的穿刺成功率：A组共穿刺100次，均穿刺到位，成功率100%；B组共穿刺280次，成功278次，成功率99.29%；C组共穿刺360次，成功356次，成功率98.89%；D组共穿刺280次，成功252次，成功率90%。见表2。

表1 5个穿刺点均成功率比较Table 1 List of five puncture points were all successful

注：5个穿刺点均成功的比例随着侧脑室占比的增加而增加，当侧脑室占比50%～60%，成功率可达100%

表2 4组穿刺情况列表Table 2 List of four groups of puncture situations

注：卡方=53.547，P=0.000，提示4组间总体成功率差异具有统计学意义，随着侧脑室占比增加，穿刺成功率也不断提高，当侧脑室占比50%～60%，成功率可达100%

2．1．4 5个穿刺点在各组中的穿刺成功率：A组共20例，5个穿刺点均穿刺到位，成功率100%。B组共56例，旁开距离为2.0 cm和2.5 cm时各有55例穿刺到位，成功率98.21%；旁开距离为3.0 cm、3.5 cm和4.0 cm时所有模型均穿刺到位，成功率100%。C组共72例，旁开距离为2.0 cm和2.5 cm时各有71例穿刺到位，成功率98.61%；旁开距离为3.0 cm和3.5 cm时所有模型均穿刺到位，成功率100%；旁开距离为4.0cm时70例穿刺到位，成功率97.22%。D组共56例，旁开距离为2.0 cm时52例穿刺到位，成功率92.86%；旁开距离为2.5 cm时54例穿刺到位，成功率96.43%；旁开距离为3.0 cm时51例穿刺到位，成功率91.07%；旁开距离为3.5 cm时50例穿刺到位，成功率89.29%；旁开距离为3.5cm时45例穿刺到位，成功率80.36%。见表2。说明：侧脑室占比30%～<60%时，随着旁开距离的增加，穿刺成功率呈增高趋势；侧脑室占比20%～<30%时，旁开距离2.5 cm穿刺成功率最高，随着旁开距离的增加，穿刺成功率呈下降趋势。

2．1．5 每个穿刺点在全样本中的穿刺成功率：204例模型中，旁开距离为2.0 cm时198例穿刺到位，成功率97.06%；旁开距离为2.5 cm时200例穿刺到位，成功率98.04%；旁开距离为3.0 cm时199例穿刺到位，成功率97.55%；旁开距离为3.5 cm时198例穿刺到位，成功率97.06%；旁开距离为4.0 cm时191例穿刺到位，成功率93.63%。见表3。

2．2偏置距离及最佳旁开距离4组5个穿刺点的偏置距离均值见表4。5个穿刺点的偏置距离在各组间的均值图见图10。采用单因素方差分析比较5个穿刺点各组间偏置距离S的均值，不同组间所测得的数据至少有2组之间差异具有统计学意义，组间两两比较结果见表5。

进一步根据4组中各旁开距离与平均偏置距离关系，拟合出图11及其公式。若能在手术前重建颅骨-侧脑室虚拟模型，计算出侧脑室占比以及测量侧脑室上表面最佳偏置距离，即可反推最佳穿刺点的旁开距离，为个性化的穿刺点确定提供依据。

图10 4组5个穿刺点偏置距离均值图Figure 10 Average figure of five puncture points offset distance of groups

表3 各穿刺点成功率比较

注：5个穿刺点间成功率比较，P>0.05

表4 4组间5个穿刺点偏置距离均值表Table 4 The mean table of 5 puncture points of each group

表5 各旁开距离下不同组间P值关系表Table 5 The relationship table of P values between different groups at different distances

注：引流管从各穿刺点位置进入侧脑室上表面的位置是存在差别的，因此在实际操作时，有可能因人为失误而导致穿刺失败

图11 各组旁开距离与平均偏置距离关系图(图中：A代表旁开距离，B代表平均偏置距离)Figure 11 The relationship between the side opening distance and the average deviation distance of each group (in the figure：A represents the side opening distance，and B stands for average offset distance)

但实际手术时，往往无法及时重建颅骨-侧脑室虚拟模型，难以获取每个患者的侧脑室最佳偏置距离数据。为简化穿刺点的选定，可计算每组侧脑室占比的最佳穿刺点。根据5根穿刺管到达侧脑室上表面的位置，确定相对最佳偏置距离(最接近侧脑室额角上表面中点处)及其对应的旁开距离，统计每组相对最佳旁开距离并求出平均值。可得侧脑室占比大小为20%～30%、30%～40%、40%～50%、50%～60% 的相对最佳平均旁开距离分别为2.55 cm 、2.67 cm、2.95 cm 和3 cm。因此，对于侧脑室占比20%～<60%者，穿刺点的相对最佳旁开距离范围为2.5～3 cm(图12)。

2．3穿刺深度统计各组平均穿刺深度，可方便术者针对不同侧脑室占比，穿刺时提前预知穿刺深度，若手术时超过平均穿刺深度范围未见脑脊液流出，应考虑可能出现偏差，须及时停止操作，寻找失误原因，避免进一步损伤脑组织。

统计每组所有模型的相对最佳穿刺点到侧脑室上表面对应穿刺深度的H值，计算平均值及标准差，得出该组的穿刺深度范围，50%～<60%、40%～<50%、30%～<40%、20%～<30%各组相对最佳引流管的H值范围分别是：(3.3±0.6)cm、(3.6±0.7)cm、(4.2±0.6)cm、(4.6±0.7)cm，因此，从颅骨表面到侧脑室上表面的最大深度不超过5.3 cm。见表10。

图12 各组相对最佳旁开距离人数统计表Figure 12 Table of population of relative optimal distance of each group

表6 最佳穿刺点的穿刺深度范围表Table 6 Table of puncture depth range of best puncture points

3 讨论

侧脑室额角穿刺术是神经外科医生必须熟练掌握的基本操作之一[8]。该手术看似简单，但由于术中依靠想象徒手盲穿[9]，在穿刺过程中无法及时了解引流管的运动轨迹[10]，难以判断失误原因[11]，甚至会出现已经偏离正确方向，仍继续盲目穿刺，使引流管到达丘脑、脑干等重要部位，或者穿刺到对侧，导致脑内出血及脑组织损伤[12]。因此，如何快速准确地一次性穿刺到达理想的侧脑室位置，一直是神经外科医师追求的目标[13]。

本研究通过计算机建模技术制作颅骨-侧脑室虚拟模型，验证垂直颅骨钻孔点的侧脑室额角穿刺的可行性，并对决定该手术成败的关键因素穿刺点、穿刺方向、穿刺深度进行统计分析，其研究方法基于如下思路：(1)穿刺点取鼻根部上方矢状线上9～11 cm，向一侧分别旁开2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm、4 cm，主要是考虑到尽量将切口置于发际内、冠状缝前[14]；最内侧穿刺点取中线旁开2 cm可避开上矢状窦[15]；沿颅骨的曲度计算旁开距离可与实际测量一致。(2)制作穿刺点的虚拟切平面时，以穿刺点为中心，在距离穿刺点0.5 cm的颅骨表面上取三个点，三点之间彼此夹角为120度，三点确定一个平面，可近似为通过穿刺点的切平面。(3)计算侧脑室占比时，选择CT图像眦耳线上方侧脑室完全显示的第一个层面作为统一计算层面，额角内侧中线处拐点作为侧脑室宽径及脑横径的测量标志点，是因为每个患者即使侧脑室大小变化，该拐点始终存在，且位置相对固定，易于辨认确定，可统一计算标准，减少误差[16]。(4)计算偏置距离及穿刺深度均以引流管到达侧脑室上表面的位置计算，是为了能更准确方便地测量。(5)垂直于颅骨钻孔点的穿刺手术，不受手术铺巾覆盖影响，无需想象两侧外耳道连线中点，可大大减少人为因素的影响。

本研究统计结果表明，计算机模拟垂直于颅骨钻孔点的侧脑室额角穿刺法总体成功率高，大部分模型5个穿刺点均能穿刺到位，验证了该方法的可行性。虽然从全样本中各旁开距离穿刺成功率来看，旁开距离的选取无明显差异，但统计偏置距离后发现，各穿刺点引流管在进入侧脑室时位置是存在差别的，这必然导致在实际操作时由于不可避免的人为误差(如手抖等)，有部分穿刺无法到位。在进一步测量统计最佳偏置距离及最佳穿刺点、穿刺深度后，我们认为：对于侧脑室占比为20%～<60%者，若能在手术前计算侧脑室占比，在计算机上重建颅骨-侧脑室模型，测量侧脑室上表面中点偏置距离，即可根据制作的图表及公式选择穿刺点，并测量该点到侧脑室上表面中点的距离即穿刺深度，可实现个性化穿刺，否则也可取中线旁开2.5～3 cm作为穿刺点，穿刺点到侧脑室上表面的深度不超过5.3 cm。

本研究通过建立颅骨-侧脑室模型，根据CT图像，按照统一的简单易行的标准测量侧脑室宽径与脑横径，计算侧脑室占比，经虚拟穿刺证实垂直于颅骨的侧脑室额角穿刺法是一种成功率较高的方法，该穿刺方法操作简单，人为影响因素少，易于掌握推广，在操作时穿刺点、穿刺方向和穿刺深度可提前预知，有效避免穿刺偏差，提高手术精确性、稳定性、安全性，保证手术成功率。目前本研究仅仅为计算机模拟穿刺，仍需临床实际手术验证，同时，下一步拟将该方法应用于计算机学习的研究，使计算机学习技术从目前在医学中的应用仅仅是诊断层面上升到辅助手术设计的高度。