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3D slicer在神经外科手术中的应用研究进展
发布时间发布时间:2021-01-10 12:36

  3Dslicer软件是由哈佛大学布里格姆妇女医院和麻省理工学院联合开发的一种医学影像处理分析与视觉化的软件系统。目前3Dslicer软件正以惊人的速度在神经外科领域中发展,其特点是免费开源且操作简单,对计算机的配置要求不高,同时可进行功能扩展以及不断的优化升级。

  随着医学影像学的飞速发展,神经外科医师通过3Dslicer软件可将患者的CT或MRI的二维DICOM(digital imaging andcommunications in medicine)影像进行多模态的影像融合,从而获取颅脑病变的多模块三维立体模型,进而将虚拟三维数字模型与患者表明面体表标志进行配准拟合,从而描绘出病灶的轮廓。通过Sina手机软件来模拟虚拟现实技术以及增强现实技术,从而可辅助临床医师实现术前病灶的精准定位,其类似神经导航系统,可以做到病灶的精准治疗。

  由于3Dslicer软件的以上特征,现如今3Dslicer软件已在神经外科高血压脑出血微创穿刺术、软通道置管引流术、神经内镜手术、颅内动脉瘤开颅夹闭手术、颅内肿瘤切除术以及三叉神经痛和面肌痉挛的微血管减压术等神经外科手术中广泛应用,并取得较为显著的临床效果,其在心脏外科、呼吸内科、口腔医学科、泌尿外科等多学科中的疾病诊断和手术治疗取得广泛应用。

  3Dslicer软件术前可制定个体化手术方案,避开重要的脑功能区及邻近颅内病灶的大血管,规划出最佳的手术入路,模拟手术切口的设计。本文将从3Dslicer在辅助神经外科手术的临床应用角度加以阐述。

  高血压脑出血(hypertensive intracerebral hemorrhage,HICH)是神经外科最常见的急症,具有高病死率和高发病率,患者预后较差。其主要以手术治疗为主,合理且个体化的手术设计可以减低手术损伤,提高治愈率。利用3Dslicer软件可实现高血压脑出血手术的精准定位,提高血肿清除率的同时使患者的创伤最小化。

  目前,神经导航系统对脑内血肿的定位较为准确,但因步骤繁琐,耗时较长,无法满足神经外科急诊的要求。借助3Dslicer软件,根据患者的CT 影像,可以在较短时间内对血肿和颅骨建模,获得深部血肿的位置及体表投影,设计出最优手术路径,指导手术操作。WANG 等应用3Dslicer软件辅助完成了21例自发性小脑出血的微创穿刺,其准确穿刺率达到100%,8例患者的预后良好,提高了穿刺的安全性和有效性。

  ZHANG等采用3Dslicer协助完成了26例高血压脑出血的微创软通道置管血肿引流术,其中23例获得穿刺成功,血肿清除率在90%以上,有效率为92.3%,在缩短手术时间、实现精准定位的同时改善了预后。有学者认为使用3Dslicer结合Sina软件协助神经内镜手术可实现更加精准的定位,规划最佳手术入路,可指导脑出血的微创手术。有学者应用3Dslicer联合Sina软件辅助神经内镜治疗高血压脑出血19例患者均获得精准定位,血肿清除率达到90%以上。

  研究报道15例患者使用3Dslicer软件辅助神经内镜治疗高血压脑出血,其手术效果好,不良预后发生率低。利用3Dslicer软件协助血肿穿刺和神经内镜清除颅内血肿,能够实现对病灶的精准定位、血肿的体表投影、手术入路的个体化设计。应用3Dslicer软件辅助手术治疗高血压脑出血可实现血肿的精准定位,降低颅脑损伤,提高血肿清除率。

  颅内动脉瘤破裂是自发性蛛网膜下腔出血最常见的病因,发病率和病死率很高。手术是治疗动脉瘤性蛛网膜下腔出血的关键。随着微创外科手术的发展,动脉瘤的治疗愈发成熟。开颅动脉瘤夹闭和血管内介入栓塞术是其两种主要的手术方式。3Dslicer软件可以辅助动脉瘤性蛛网膜下腔出血的诊断,明确颅内动脉瘤的大小、方位及与周围解剖结构的关系,并指导手术方案的选择。有学者利用3Dslicer软件实现了对颅内动脉瘤三维立体模型的重建,用于精准定位和手术入路的设计,为术者提供显著的可视化和便利性,降低手术风险,提高手术成功率。

  术前经3Dslicer软件处理后的多模态立体三维模型,可使术者有一个立体的三维感官,为术者提供更为充分可靠的信息,规避重要的功能区。YAO 等利用3Dslicer融合CT 和CTA(computed tomography angiography)影像既可以明确颅内多发动脉瘤之间的空间关系,又能够确定责任动脉瘤,明确出血类型,实现破裂动脉瘤的精准识别,为术者提供较为线Dslicer软件在辨别责任动脉瘤、建立三维模型、辅助手术治疗、实现术前模拟方面已经初步应用。

  颅内肿瘤是指源于不同脑细胞或其他系统转移而来的肿瘤,主要包括脑膜瘤、胶质瘤、垂体瘤、听神经瘤、生殖细胞瘤、脑转移瘤等。手术是目前治疗颅内肿瘤的主要方法,实现肿瘤的精准切除是每个神经外科医师的目标。3Dslicer软件辅助脑膜瘤和胶质瘤手术已得到初步而广泛的应用,并展现出十足的优势。

  脑膜瘤是颅内最常见的原发肿瘤,约占所有神经系统肿瘤的30%。手术切除是脑膜瘤治疗最直接、最有效的方法。其好发于鞍区,常侵蚀邻近血管神经且周围解剖结构复杂,手术切除难度较大。最大限度地扩大切除范围对于减少肿瘤复发及降低发病率和病死率有至关重要的作用。基于3Dslicer软件处理后的肿瘤模型,医师能够直观观察到肿瘤的大小和肿瘤与周围重要神经及血管解剖结构的毗邻关系,根据患者特点设计个性化手术入路,确保肿瘤的完全切除及对周围正常解剖结构的保护。

  MA等研究证实脑膜瘤影像经3Dslicer软件处理后可模拟出肿瘤的三维图像,可清晰勾画出颅脑白质纤维束、脑神经与脑膜瘤之间的位置关系,并与术中所见肿瘤位置相符合。术中对颅脑功能区的损伤降至最低,有效减少术后并发症,提高肿瘤全切率,改善患者的预后。一项纳入20例脑肿瘤手术患者的临床研究表明,利用3DSlicer软件辅助脑膜瘤切除能够提高脑膜瘤全切率,对于功能区脑膜瘤能够做到最大程度的保护,能够有效减少术后并发症且最大程度保留脑功能。

  研究报道利用3Dslicer软件处理后的多参数影像融合,可清楚勾画出脑膜瘤与毗邻血管的关系,同时指导三维金属钛网的合成,在辅助精准切除受侵蚀颅骨和脑膜瘤组织同时进行颅骨缺损修补手术。利用3Dslicer软件辅助个性化的手术入路,避免了经验指导手术治疗,在保证功能的同时精准切除肿瘤,减少功能区损伤。

  胶质瘤是神经系统常见的原发性肿瘤,因其易复发且病死率高,导致疗效较差。多形性胶质母细胞瘤几乎占神经胶质瘤的一半,发病率和病死率较高。手术切除胶质瘤仍是最有效的治疗方式。通过3Dslicer软件对肿瘤进行术前三维重建和手术模拟,可明确包括颅内肿瘤组织、颅骨、脑血管在内的解剖关系。胶质瘤手术中实现术前对颅内病变的精准定位,制定个体化手术方案至关重要。

  神经导航技术虽可以实现颅内病灶的精准切除,但随着胶质瘤的不断切除及脑脊液的释放会造成术中脑组织移位,从而导致再次定位不准确,且整个导航系统费用高昂且操作系统复杂,使得导航很难大范围的推广应用。CHEN等研究发现应用3Dslicer软件联合Sina手机软件的增强现实(augmented reality,AR)技术可实现胶质瘤低成本的术前精准定位和最大化切除。超声结合导航定位胶质瘤可以纠正术中脑移位,为手术方式的选择提供重要的依据。

  LIANG等研究发现利用3Dslicer联合术前MRI以及术中超声(ultrasound,US)实现的US-MRI多模态融合虚拟导航系统(US-MRI multimodal fusion virtual navigationsystem,UMNS)可以保护功能性白质纤维,获得最大的脑胶质瘤切除和功能保护。3Dslicer软件能够完成对脑胶质瘤低成本的精准定位,实现安全、有效、精准的病灶切除。

  三叉神经痛和面肌痉挛是临床上常见的两种神经功能性疾病,其发病机制主要在于脑神经出脑干区域受到血管的压迫,且造成神经的脱髓鞘病变。三叉神经痛的特征是触摸诱发的单侧短暂的突发性三叉神经痛。而面肌痉挛是由同侧面神经功能障碍引起的面部肌肉不自主的同步紧张性或阵挛性收缩。微血管减压术仍是治疗三叉神经痛和面肌痉挛的主要方法,但术中存在责任血管的判断失误或遗漏,使得手术后症状无法改善或疾病的复发。

  3Dslicer软件可辅助术者明确责任血管,其在微血管减压术中已经得到较为成熟的应用。HAN等研究发现应用3Dslicer软件对三叉神经以及病变血管进行分割和三维建模可在术前明确责任血管,可对术前决策和手术入路的制定提供帮助。YAO等研究发现应用3Dslicer多模态图像的虚拟现实技术可明确神经血管位置关系和神经根受压程度,术前为术者提供一个可视的三维立体模型,明确术中实际责任血管的位置关系,降低手术的难度。由于术区解剖关系复杂多变,手术风险较高,同时由于技术局限,无论CT扫描还是MRI序列,判断微小的责任血管具有一定难度。

  研究发现利用3Dslicer软件实现多模态影响融合对后颅窝神经血管进行三维重建及虚拟现实技术,可指导责任血管精准评估,为脑神经血管减压提高更加精准的证据。3Dslicer软件可辅助术者判断责任血管,明确术区解剖关系,提高手术成功率。

  3Dslier是一个免费开源的医学图像数据处理和三维可视化程序。经3Dslicer软件实的影像融合技术辅助心脏外科指导瓣膜置换手术、呼吸内科用于肺癌胸膜播散的预测、口腔科对于晚期唾液腺癌预后的预测以及泌尿外科引导前列腺癌的精准穿刺活检,其在多学科领域已取得较为深入而广泛的研究。

  3Dslicer在神经外科的应用仍处于发展阶段,虽然已取得一些可喜的进展和突破,但依然面临很多尚未解决的问题,如利用3Dslicer软件重建病灶三维模型需要包括CT 和MRI 的DICOM (digitalimaging and communications in medicine)影像,质量较差的二维影像直接导致模型重建的不理想,需重新进行颅脑CT与MRI的扫描,增加了患者的经济负担。3Dslicer软件在模拟增强现实技术的过程中无法做到三维模型与病变部位的自动匹配,仍需手动调整方向确保术前病灶的精准定位。3Dslicer软件难以实现类似于神经导航系统术中实时交互及错误纠正的功能。

  随着3Dslicer软件的普及,实现中文版本的3Dslicer软件迫在眉睫,优化软件、实现一键配准、减少操作步骤是亟待解决的问题。3Dslicer软件在神经外科疾病的术前诊断、病灶定位、手术规划以及临床教学中已展现出独特的优势。随着5G 时代的到来,相信在未来可以实现对DICOM 影像的数字化传输,缩短从获取二维影像到病灶三维重建的时间。3Dslicer在脑血管疾病、功能性疾病、脊柱脊髓疾病等神经外科领域中的研究仍相对不足,相信随着对3Dslicer软件的进一步开发,会在不久的将来为这些疾病的手术治疗提供指导。

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