基于云平台计算大脑镰旁病变的手术定位研究

李滨，李潮激，杨利军，杨亮，范振增

颅内大脑镰旁占位病变的定位是神经外科手术成功的关键步骤[1]。临床医生常常仅依靠原始的CT或MRI图像进行粗略测量定位，或在头颅体表放置标记物再次进行扫描定位；这不但增加患者的费用，且往往会产生误差。为了全部包括肿瘤的范围，经常不得不扩大切口，给患者带来了负面影响。目前精确的靶点定位方法主要是立体定向仪定位[2]和神经导航[3]，但上述方法均需要使用价值昂贵的仪器且操作较为繁琐，不能普及应用。为此，本研究开发了额顶中线定位法[4-5]，提供了一种定位颅内大脑镰旁占位病变的准确、简易方法。本定位方法的主要功能是转换CT或MRI坐标数据，确定颅内靶点的头皮对应位置。本软件系统基于云平台部署，在浏览器内使用；用户登录后，可以上传查看案例，对案例可以进行3D建模，手工选点，自动计算定位结果。本方法简便准确，可用于神经外科手术头皮投影定位，指导手术切口和颅内穿刺点的选择。

本软件主要实现了两种定位法：颞侧定位法和额顶中线定位法，根据靶点位置可以灵活选择具体的定位方法。颞侧定位法主要适用于定位颞侧附近的靶点，额顶中线适合定位颅顶中线附近的靶点；两种定位法使用共同的基准面，即两外耳门和两外眦点确定的平面。颞侧定位法已有相关研究报道[6-9]；而额顶中线定位法是新坐标系，以眉心为原点(亦外眦连线中点)，外眦连线向左外眦为x轴方向，平行基准面向前为y，垂直于基准面向上为z。基本做法是调取患者头颅扫描数据，重建三维立体、水平位、矢状位和冠状位等四种图像，从中记录双外耳门、双外眦，前后脑镰及靶点等部位的原始三维坐标值。双外耳门及双外眦构成一平面，将眉间作为0点，形成新坐标系。将原始三维坐标值经坐标转换公式移到新坐标系中，在新坐标系沿矢状缝向额顶画曲线或矢状缝旁开画曲线，曲线可以看成无数点组成，这些点都有坐标值，这样就能计算出曲线长度，继而可以推算出颅内病变相对应的垂直头皮点及病变深度。本定位方法不需要患者再次重新CT或MRI扫描，整体的误差小，精度高；导入CT或MRI的DICOM文件后只需数分钟操作就能得到靶点的头皮对应点。现报告如下。

1 操作方法

1.1 数学模型的建立 颅内靶点定位系统的基本操作流程如下：准备DCM文件，进行3D建模。创建水平位、矢状位和冠状位等3个视图加3D视图。3D渲染有助于了解整个头颅的结构。最终的选点操作是在3个视图中完成。选好的点进行坐标变化，并得到切面图；为了计算切面方便，新坐标系中的坐标以像素点为单位。在两个切面图中确定轮廓线，算出两者长度；并汇总计算结果。标记后的切面图可以打印出来供临床参考。为了手工测算核对方便，切面图上带比例尺。

DCM序列与工作集：每个病例有自己的DCM目录，目录下有一个由自动工具dcm2png生成的dcmlist.json文件，文件含有该目录下所有DCM图片的信息。该工具自动扫描目录中的dcm文件，将dcm转成PNG文件，并将dcm信息写入dcmlist.json。每张DCM图片都有一个序列号(Series Number)和一个实例号(Instance Number)。同一序列号的DCM图片一般是同一角度，如水平截面。但是同一序列的图片有时并不能全部用来进行3D重建。需要根据实例号排序，手工指定一定范围内的图片作为符合条件的工作集。同一工作集的DCM图片必须满足：(1)水平截面图；(2)尺寸一致；(3)图片左上点的x和y值必须很接近；(4)横向和纵向的pixel Spacing必须一致；(5)各层z递增或者递减，且间距均匀；(6)创建工作集后，可以选择一个工作集进行3D重建。所有的后续操作均发生该工作集内。

1.2 各点的选择 选择一个工作集进行3D重建后，需要从3个角度的截面中(水平位，矢状位，冠状位)找到7个位置点：左外眦、右外眦、左外耳孔、右外耳孔、前脑镰、后脑镰及靶点。前4个点有比较明显标志，在影像中容易选取，体表也容易找到对应点；此4点确立了新坐标系的基准面。左外眦、右外眦的中点为原点(图1)。为了校正，要求另外需要提供前脑镰和后脑镰的点，用来校正原点位置，因原点位置决定了过额顶中线切面的准确性。手术定位的靶点(病变位置)需要分别选择肿瘤的前后、上下边界分别计算(图2)。

图1 原点选择示意图(右外耳门) 图2 靶点计算示意图

1.3 坐标转换 DCM文件中含有每层扫描图像的数据，并有该层扫描图像的原始坐标信息，这些坐标信息与设备相关。需要将原始坐标信息转为临床上有意义的坐标系统，以便于理解和计算，也便于计算出临床需要的切面。扫描层切面的像素点有相应的物理点距。为了计算的准确性，要求x点距和y点距(pixel Spacing)须一致。另外，各层切面的z坐标值必须间隔均匀。新坐标系以眉间为原点。因眉间在CT扫描图像中很难确定，本研究的做法是找出两个外眦点，取其中点。两眼连线为x轴。外眦和外耳孔确定了z=0这个平面。x=0的面即为过额顶中线的矢状位切面。假设靶点坐标为(tx，ty，tz)，则y=ty为过靶点的冠状位切面。矢状位切面和头颅表面的交界线确定了靶点的第一段路径，冠状位切面与头颅表面的交界线确定了第二段路径。深度为头颅表面上第二段路径的终点与靶点的距离。为了计算坐标变换矩阵，需要对原始坐标系进行简化；令各层扫描图像的左上角x,y为0，最底层的扫描图像z为0，其上各层z递增。原坐标系和新坐标系均以像素点为单位。

从新坐标系到原坐标系的变换矩阵的算法为M的逆：

得到切面的基本思路是：给定切面上各点在新坐标系的坐标值，逆映射回原坐标系中，即可知各点在原来的扫描图像中的位置，从而获取各点的像素值。矢状位切面在x=0面上，设定其大小为500×500，其左上点为(x=0,y=100,z=300)。将该区域的点映射到原坐标系中即可获取原始像素值，见图3A。冠状位切面在y=TargetY面上，TargetY为靶点在新坐标系中的y坐标值；同样设定其大小为500×500，其左上点为(x=TargetX-200，y=TargetY,z=300)；见图3B。

A：矢状位切面； B：冠状位切面

1.4 轮廓线提取和长度估算 得到两个切面后，在切面图中提取两段额顶轮廓线。第一段轮廓线在矢状位切面，水平线过眉心，平行于基准面，其z坐标为0；垂直线为y=TargetY，靶点所在面过垂直线，垂直于切面(图4A)；两条线之间的左上部头颅轮廓线即为第一段额顶定位路线。第二段轮廓线在冠状位切面，水平线过靶点，垂直线同样过靶点，颅顶部分的轮廓线即为第二段定位路线(图4B)。在头颅表面，该线与第一段轮廓成90°。选轮廓点基本原则为：在下45°区域取横向的外延点，上45°区域用纵向的外延点。计算轮廓线长度时取点要有一定的间隔，以间距2～4个像素点为佳。

A：矢状位切面轮廓线(额顶部绿线)； B：冠状位切面轮廓线(颅顶部绿线)

1.6 计算结果汇总 定位软件的计算结果包含7个位置点的新坐标值；颞侧定位结果可从靶点与耳孔的坐标值关系算出；额顶中线定位结果包括矢位线的长度、冠状位线长度及深度。两个切面图上标出轮廓线及比例尺，程序日志输出。见图5。

A：矢状位； B：冠状位，由眉心始沿额顶中弧线73.2 mm处，往头颅右侧沿横向弧线10.2 mm，垂直于两耳孔和两外眦线确定的基准面钻孔深度为28.4 mm

2 结 果

将上述运算结果的数据应用于近200例大脑镰旁占位患者的手术定位，均能成功准确定位。与根据患者MRI检查结果设计的手术区域完全一致。目前本研究开发的是服务器软件，神经外科医师使用时需要先在浏览器上登录注册，将患者的MRI数据上传，然后从3个维度(水平位、矢状位、冠状位)平面锁定7个位置点：左外眦、右外眦、左外耳孔、右外耳孔、前脑镰、后脑镰及手术靶点(也可以是设计手术区的前后上下边界点)，即可自动生成手术定位数据(图5)。

3 讨 论

目前对大脑镰旁占位定位比较准确的是立体定向和神经导航定位。立体定向定位操作过程中需要给患者颅骨上安装头架，后再次行颅脑CT扫描，增加了手术时间，且头架的安装影响了手术操作的灵活性[10-11]；而且目前国内多数立体定向头架与内镜系统的兼容性较差[12]。神经导航需要进行注册软件[13]等，手术准备时间较长[14]。由于此类医疗设备价格昂贵，目前多数医院(尤其是基层医院)不能装备立体定向仪或神经导航设备，所以此类手术的定位多数医生仍是根据CT片，结合临床经验，粗略估计测量定位。为了相对准确定位，部分神经外科医生采用“CT颅表定位栅”、“折耳法”、“CT激光标记”[15-17]或其他自制的体表定位标记物进行辅助定位，虽然都能明显地提高定位的准确性，但需要对患者再进行一次颅脑CT或MRI检查，增加了医疗费用。本研究的定位方法可为每例患者节省定位费用200元，仅华北油田公司总医院一年头颅手术及穿刺术2 500台，就可节省定位费用500 000元。如果此方法能在全国普及其经济价值将非常可观。

本定位方法靶点的选择可分别选择病灶的前后及上下边界，分别计算出具体数据，并在三维图像上直观显示。将数据在患者头皮上可直接用软皮尺量出来，并用记号笔标记即可。肿瘤的上下边界具体参考价值与手术的入路选择有关，手术医生可酌情参考。上述计算结果应用于患者的定位效果非常理想。

影像学检查技术的飞跃发展，给临床诊断和治疗带来了很多的便利。目前，影像学检查用于诊断的偏多，若其能更直接地、数字化地用于手术治疗中，将对精准定位帮助巨大，能减少差错，减少患者的痛苦及医疗费用。目前相关技术也在快速发展。机器人辅助的无框架神经导航技术将颅脑穿刺手术技术精确到了毫米的级别[11,18-19]。部分甚至采用3D打印技术定位大脑镰旁占位[20]，但费用非一般医院能承受。大脑镰旁占位手术为开颅手术，定位精确度的要求较高[21]。目前还没有简单实用但又精确的手术定位方法，本定位方法通过测量眉间到肿瘤前后边界的距离，直接给手术医生提供数据，极大地方便了手术。而且本软件基于云平台部署，在浏览器内使用，这样使各地临床医生通过网络就可以方便地应用该手术定位软件，达到资源共享，极大地方便了临床工作的需要。