3D Slicer 軟件測(cè)量側(cè)腦室體積準(zhǔn)確性探討

張 逵，羅 波，謝國強(qiáng)

側(cè)腦室體積的大小,對(duì)于診斷交通性、梗阻性腦積水和腦萎縮等具有重要的參考價(jià)值, 也是觀察病情的發(fā)展和評(píng)價(jià)療效的量化指標(biāo)。 側(cè)腦室位于大腦半球的深部,左、右各一,呈“C”形腔室,由于側(cè)腦室形態(tài)不規(guī)則、個(gè)體差異大,臨床一直在尋找測(cè)量活體側(cè)腦室體積的準(zhǔn)確、實(shí)用方法[1-4]，目前臨床上一般采用人工點(diǎn)計(jì)數(shù)法(手工法)測(cè)量側(cè)腦室體積[5]。3D Slicer軟件是美國哈佛大學(xué)外科手術(shù)計(jì)劃實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款開源、免費(fèi)的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件,本研究將3DSlicer用于臨床實(shí)踐中, 發(fā)現(xiàn)該軟件測(cè)量側(cè)腦室體積較傳統(tǒng)的手工法,更加精準(zhǔn),現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 病例資料 收集醫(yī)院神經(jīng)外科2020 年10~11 月就診的住院患者104 例， 其中男 48 例, 女56例,年齡 15～89(56.5±18.5)歲。 頭部 CT 檢查:采用德國西門子SOMATOM Definition Flash 雙源CT 掃描機(jī)進(jìn)行掃描。體位:仰臥位。掃描范圍:自下而上整個(gè)顱腦。 掃描參數(shù)為：管電壓120 kV，管電流190 mA，矩陣512×512。 掃描完成后對(duì)圖像進(jìn)行重建,通過院內(nèi)醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)(PACS),同時(shí)將層厚0.6 mm層間距0.6 mm 薄層掃描數(shù)據(jù)、 層厚0.7 cm層間距0.7 cm 數(shù)據(jù)傳輸給臨床。 排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）CT掃描圖像有偽影或模糊感。 （2）某些可能影響側(cè)腦室體積的病突變, 例如第五腦室和側(cè)腦室內(nèi)蛛網(wǎng)膜囊腫。 CT 影像顯示側(cè)腦室形態(tài)正常者55 例,異常者49 例(腦腫瘤 10 例、腦出血 15 例、腦萎縮 11 例、交通性腦積水8 例、外傷性腦腫脹2 例、其他3 例)。

1.2 測(cè)量方法 測(cè)量工作由兩位神經(jīng)外科?？漆t(yī)生完成,均參加過3D Slicer 培訓(xùn)班學(xué)習(xí),并掌握體視學(xué)原理,兩名醫(yī)生分別采用3D Slicer 法、手工法計(jì)算側(cè)腦室體積,取兩者平均值為最終測(cè)量值。（1）3D Slicer 法：登錄 https://www.slicer.org,下載 3D Slicer 軟件安裝在64 位Win10 電腦中,內(nèi)存至少8G。 打開3D Slicer 軟件 (4.10.2 版), 導(dǎo)入薄層掃描數(shù)據(jù), 依次點(diǎn)擊Volumes,CT brain,Modules,Editor,Pain Effect,Threshold Paint,Threshold 設(shè)置閾值為(-19～19)顯示側(cè)腦室,點(diǎn)擊Sphere 涂抹各層側(cè)腦室使之完全染色(圖1),點(diǎn)擊Erase Label 去除側(cè)腦室外的染色, 點(diǎn)擊Make Model Effect,Apply,Models,Information, 即在窗口呈現(xiàn)側(cè)腦室精確體積(圖 2)和三維結(jié)構(gòu)(圖 3)。 （2）手工法：制作測(cè)量工具,即由若干相等小方格組成的體視學(xué)測(cè)格,測(cè)點(diǎn)(方格直線的交叉點(diǎn))關(guān)聯(lián)特定的面積,即邊長(在此為0.5 cm)的平方。 運(yùn)行常用的圖像軟件Photoshop,依次點(diǎn)擊編輯、預(yù)置、參考線網(wǎng)格和切片,導(dǎo)入層厚0.7 cm 數(shù)據(jù), 即呈現(xiàn)腦窗圖像及疊加在圖像上的測(cè)格(圖 4、圖 5)。 依照體視學(xué) Cavalieri 原理[5-7],側(cè)腦室體積(V)=∑P·a(p)·t,∑P 為落于側(cè)腦室上的測(cè)點(diǎn)總數(shù),a(p)為測(cè)點(diǎn)代表的面積,t為層厚。 手工計(jì)數(shù)∑P,代入公式 V=∑P×0.5 cm×0.5 cm×0.7 cm。

1.3 觀察指標(biāo) 記錄并比較3D Slicer 法、手工法體積測(cè)量結(jié)果,測(cè)量每例所耗用時(shí)間。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件分析。 采用Kappa檢驗(yàn)評(píng)價(jià)兩位測(cè)量結(jié)果的一致性,Kappa值 0.41～0.60 表示一致性強(qiáng)度為中度,0.61～0.80 表示高度一致,0.81～1.00 表示幾乎一致。 配對(duì)資料經(jīng)過正態(tài)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)非正態(tài)分布, 計(jì)量資料以中位數(shù)(四分位間距)[M(P25,P75)]形式描述,采用Mann-Whitney U檢驗(yàn),以P＜ 0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩位觀察者數(shù)據(jù)的一致性比較 3D Slicer法測(cè)量體積時(shí)一致性為極強(qiáng)(Kappa=0.812),手工法為中度(Kappa=0.558);平均耗時(shí),3D Slicer 法為中度(Kappa=0.511),手工法為極強(qiáng)(Kappa=0.842)。 說明兩位觀察者的數(shù)據(jù)一致性較高。

圖1 3D Slicer 側(cè)腦室三維重建

圖2 3D Slicer 計(jì)算體積在紅色框內(nèi)顯示為256.37865 ml

圖3~5 3D Slicer 法與手工測(cè)量側(cè)腦室體積

2.2 3D Slicer 法測(cè)量側(cè)腦室體積 測(cè)量范圍在9.08～286.69 ml 之間, 手工法范圍在 4.03～305.55 ml之間,兩種方法U檢驗(yàn),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05,表 1)；3D Slicer 法耗時(shí),范圍在 1.17～23.20 min 之間,手工法在 0.67～25.5 min 之間, 兩種方法U檢驗(yàn),差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞ 0.05,表 1)。

3 討論

在神經(jīng)內(nèi)外科的診斷和治療中, 常涉及側(cè)腦室,如阿爾茨海默病、先天性腦積水、梗阻性腦積水、側(cè)腦室腫瘤、高血壓性腦室出血等。還有涉及側(cè)腦室的操作,如側(cè)腦室外引流術(shù)、側(cè)腦室腹腔分流術(shù)、側(cè)腦室腫瘤切除術(shù)、神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)治療腦室出血等。側(cè)腦室的大小成為重要的參考指標(biāo), 側(cè)腦室是一個(gè)不規(guī)則幾何體, 線性指標(biāo)過去常用來描述側(cè)腦室的大小,例如 Evan's 指數(shù)(EI)、側(cè)腦室額角寬度(FHW)、側(cè)腦室指數(shù)(BI)等。但是線性指標(biāo)不能直接反映側(cè)腦室體積大小, 使用線性指標(biāo)判斷一些疾病存在較大局限性。 并且線性指標(biāo)有著自身的缺陷,同次CT 的不同層面,不同次數(shù)的影像,側(cè)腦室測(cè)量結(jié)果可能會(huì)有較大差異。 3D Slicer 軟件利用CT 掃描的原始DICOM格式數(shù)據(jù),應(yīng)用Editor 模塊設(shè)置閾值范圍,常規(guī)體積渲染法, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)側(cè)腦室的三維結(jié)構(gòu)重建和體積計(jì)算,體積大小可統(tǒng)計(jì)到小數(shù)點(diǎn)后5 位。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),3D Slicer 法與手工法計(jì)算得到體積結(jié)果有明顯差異(表1)。3D Slicer 法的結(jié)果更加準(zhǔn)確,與3D Slicer 法完全滿足了以下3 個(gè)體視學(xué)基本要求有關(guān)：（1）均勻隨機(jī)抽樣原則[8-10]。 CT 掃描是對(duì)全部顱腦掃描, 在均勻隨機(jī)的位置上對(duì)器官采樣,層厚層距固定,得到等距連續(xù)平行截面。 （2）足夠的樣本含量原則。 誤差系數(shù)的大小與截面總數(shù),即樣本含量有關(guān),隨著截面總數(shù)的增加,誤差系數(shù)總的趨于減少。 形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)如大腦皮層、線粒體、睪丸組織、顱內(nèi)血腫,總共不需要多于10 張的等距切片即可使體積估計(jì)的平均誤差系數(shù)不>5%[5,11]。 筆者曾統(tǒng)計(jì)50 例正常人在層距1 cm 層厚1 cm CT 掃描圖像上所得到的側(cè)腦室層面數(shù)為2 層的2 例(4%),3層的 32 例(64%),4 層的 16 例(32%)[5],目前 CT 機(jī)已普遍能做層距0.1 cm 層厚0.1 cm 掃描,可獲得的層面總數(shù)可達(dá)三、四十層,病理性擴(kuò)大的腦室會(huì)獲得更多的層面。 如果用薄層掃描數(shù)據(jù),手工法測(cè)量側(cè)腦室體積時(shí),工作量大、耗時(shí)長,并易受操作人員主觀因素干擾,在臨床中實(shí)際難以開展,故無臨床實(shí)用價(jià)值,這也是本研究中手工法不采用薄層數(shù)據(jù)的原因。在臨床實(shí)際工作中, 多數(shù)醫(yī)院的醫(yī)生最常用的是層距1 cm層厚1 cm CT 掃描圖像觀察腦結(jié)構(gòu), 本研究采用的是影像部門傳輸給臨床的常規(guī)圖像, 即層距0.7 cm層厚0.7 cm 數(shù)據(jù),正常側(cè)腦室只得到大約5～6 個(gè)層面,3D Slicer 法至少可得數(shù)十個(gè)層面, 手工法與3D Slicer 法之間的相對(duì)誤差值偏大(圖5)。降低人工測(cè)量誤差的根本是： 增加截面數(shù)——希望能有10 個(gè)左右,但如上所述理由,用層距 0.7 cm 層厚0.7 cm 數(shù)據(jù)難以做到。 3D Slicer 法是將研究對(duì)象切割成近百個(gè)截面,由電腦進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算得到體積結(jié)果,手工法是將研究對(duì)象切割成幾個(gè)截面,人工統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn),通過簡(jiǎn)單的計(jì)算得到體積估計(jì)結(jié)果, 這是兩者的本質(zhì)區(qū)別。（3）足夠的測(cè)點(diǎn)總數(shù)。選擇足夠大的參照面進(jìn)行測(cè)試比選擇測(cè)格重要得多, 即測(cè)點(diǎn)代表的面積越小,結(jié)果越精確。 體視學(xué)認(rèn)為,在均勻抽樣及適當(dāng)抽樣間距的前提下, 所測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)總共計(jì)數(shù)最好能接近或達(dá)到100～200 測(cè)點(diǎn), 可得到可靠估計(jì)器官的體積[11-12]。但是筆者在臨床工作中感到手工法測(cè)量側(cè)腦室體積, 用測(cè)格邊長為CT 圖像上比例尺0.5 cm 刻度,Photoshop 圖像放大至滿屏,已接近肉眼辨別的極限,易看錯(cuò)數(shù)錯(cuò),大多數(shù)形態(tài)正常側(cè)腦室的測(cè)點(diǎn)總數(shù)遠(yuǎn)少于100 個(gè)。故體視學(xué)多用于微觀結(jié)構(gòu)的分析,常常將包埋切片放大12～400 倍條件下運(yùn)用,甚至需要體視顯微鏡(立體顯微鏡)觀察,在電腦顯示屏上最后放大倍數(shù)達(dá)2240[13]。

表1 3D Slicer 法與手工法的比較[M(P ,P ),n=104]指標(biāo) 3D Slicer 法 手工法 統(tǒng)計(jì)值 P 值體積(ml) 29.15(12.57，79.21) 36.56(9.10，96.43) Z=-3.291 0.001耗時(shí)(min) 6.97(3.57，19.45) 5.47(2.13，16.00) Z=-0.833 0.405

3D Slicer 軟件利用頭顱CT 掃描原始數(shù)據(jù),可從橫斷面、矢狀面、冠狀面逐層描繪側(cè)腦室截面,對(duì)腦組織各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建, 并依據(jù)每個(gè)層面面積與CT 薄層掃描層厚計(jì)算體積, 不受被測(cè)物結(jié)構(gòu)形狀及部位影響, 充分滿足了上述3 個(gè)體視學(xué)基本要求,對(duì)形態(tài)不規(guī)則、個(gè)體差異大的側(cè)腦室尤其適合,測(cè)量可重復(fù)性高,結(jié)果真實(shí)精確[14-17],并且三維圖像還能任意角度旋轉(zhuǎn), 能提供側(cè)腦室形態(tài)及受壓變形提示。對(duì)于形態(tài)不規(guī)則的側(cè)腦室,手工法不能滿足以上所述體視學(xué)后兩個(gè)要求,故準(zhǔn)確性非常低,無法滿足臨床對(duì)活體器官組織的無創(chuàng)性測(cè)量。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),3D Slicer 法與手工法均在幾分鐘內(nèi)即可完成測(cè)量工作。 3D Slicer 法用時(shí)主要有兩處,一是點(diǎn)擊Sphere 必須從軸位、矢狀位、冠狀位涂抹各層側(cè)腦室, 才能避免遺漏; 二是需用Erase Label 功能仔細(xì)擦除側(cè)腦室周邊的滲透水、 軟化灶、三腦室圖像,測(cè)量病理性側(cè)腦室用時(shí)耗時(shí)較多,對(duì)于形態(tài)正常側(cè)腦室,腦室顯示清晰、腦室壁略光滑,這道操作程序只占用極少時(shí)間, 熟練醫(yī)生可在幾分鐘內(nèi)完成整個(gè)體積測(cè)量工作[18]。 3D Slicer 法全程用鼠標(biāo)點(diǎn)擊、3D 圖像形象還能提供一些解剖信息供臨床參考,測(cè)量過程有一定“趣味性”,不易產(chǎn)生疲勞。 手工法用時(shí)主要有兩處,一是看錯(cuò)行數(shù),需再次計(jì)數(shù),為避免數(shù)錯(cuò),不得不減慢速度;二是測(cè)點(diǎn)總數(shù)多時(shí)耗時(shí)多,易致測(cè)量疲勞或厭倦,計(jì)數(shù)過程中可能難以記住[10],尤其腦積水時(shí)本組測(cè)點(diǎn)總數(shù)最高達(dá)1746 個(gè),整個(gè)測(cè)量用時(shí)25.5 min。

總之,精準(zhǔn)、快捷、簡(jiǎn)便的測(cè)量技術(shù)是形態(tài)定量的發(fā)展方向[19-20],也是臨床的需求,手工法因測(cè)量方法不能滿足體視學(xué)要求, 得到的結(jié)果并不可靠,3D Slicer 軟件自動(dòng)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、 準(zhǔn)確地測(cè)量側(cè)腦室體積,快捷易得,有臨床實(shí)用性。