运用Slicer 3D重建技术实现三叉神经痛神经血管关系术前可视化（译文）

张丹枫，陈吉钢，韩凯伟，侯立军

第二军医大学附属长征医院 神经外科，上海 200003

[摘 要]目的探讨Slicer软件和3D重建技术在术前明确三叉神经痛（TN）患者的神经血管关系（NVR）中是否比稳态捕获快速MRI成像（MRI FIESTA）具有更高的准确性。方法研究纳入40例行术前MRI FIESTA和显微血管减压术（MVD）患者。术前使用3D Slicer软件重建和MRI分别确定神经血管关系和责任血管，结果与术中发现进行比较。结果在明确NVR方面，MRI FIESTA与术中发现的一致性（kappa值k=0.232），而3D重建与术中发现一致性（k=0.633）。两种方法一致性无显著差别（χ2=8.09，P=0.088）。在明确责任血管方面，MRI FIESTA与术中发现的一致性（k=0.373），而3D重建与术中发现的一致性（k=0.922），两种方法一致性有显著差异（χ2=82.01，P=0.000）。在明确NVR方面，MRI FIESTA的敏感性与特异性分别为87.2%和100%；3D重建的敏感性与特异性均为100%。结论在术前明确NVR和责任血管中，3D重建技术比MRI FIESTA具有更高的准确性。3D重建技术与术中发现一致，对术前决策和制定手术计划更有帮助。

[关键词]三叉神经痛；三维重建；稳态捕获快速MRI成像；3D Slicer；神经血管关系；责任血管

引言

三叉神经痛（Trigeminal Neuralgia，TN）的特点是面部难以忍受的阵发性电击样疼痛，疼痛常常发生于单侧，三叉神经的一个或者多个分支中。三叉神经入髓区的神经血管压迫被普遍认为是特发性TN的主要原因[1]，因而，显微血管减压术（Microsurgical Vascular Decompression，MVD）成为其首选手术方式[2]。TN手术预后与神经血管压迫程度密切相关[3]。因此，术前明确神经血管关系（Neurovascular Relationship，NVR）及其特征非常重要，不仅有助于MVD手术设计，而且能预测预后，从而帮助病人确定个体化最佳治疗方法。

稳态采集快速成像（Fast Imaging Employing Steady-State Acquisition，FIESTA） MRI序列可以清晰地显示脑脊液、神经血管结构，广泛应用于包括三叉神经痛在内的后颅窝解剖结构的可视化。然而，仅靠FIESTA MRI序列不足以准确地判断NVC，而且难以区分动脉和静脉，因此需要另外一种MRI序列[4]。例如，FIESTA MRI与MRA结合可以很好的明确术前NVR[5]。然而，MRI相对昂贵且耗时较长，如果再加上一个扫描序列，就会给病人带来更大的经济压力和心理负担。因此，我们旨在利用3D Slicer软件，仅通过FEISTA序列实现NVR术前可视化。

3D重建广泛应用于解剖结构的交互演示，灵活性大，可以改变角度，让人们更清楚地观察到解剖细节。3D Slicer是一个开源软件平台，可用于3D重建。该软件功能多样，支持自动分割和重建，可以从任何角度观察解剖结构[6]。

在本文中，我们比较了Slicer 3D重建与MRI FIESTA在三叉神经痛NVR术前可视化方面的准确度。

1 方法与材料

1.1 受试者

筛选我科于2013年1月～2015年4月间收治的104名TN患者，排除不符合纳入标准的患者，共纳入40位接受MVD治疗的患者（表1）。所有患者均接受术前MRI FIESTA检查和MVD。

表1 患者的MRI FIESTA 3D重建和术中发现比较

注：NVR：神经血管关系；SCA：小脑上动脉；AICA：小脑前下动脉；SPV：岩上静脉；VA：椎动脉；R：右侧；L：左侧；Com：压迫；Cont：接触；–：唔责任血管；V1：三叉神经眼支；V2：三叉神经上颌支；V3：下颌三叉下颌支。

MRI FIESTA 3D重建 术中发现责任血管 NVR 责任血管 NVR 责任血管 NVR 69/F LV1/2–AbsenceSCAComSCACom 38/F R V2 SPV Com SPV Com SPV Com 75/M L V2 SCA Com SCA Com SCA Com 64/F RV2–AbsenceSPVComSPVCom 59/F R V2 SPV Com SPV Cont SPV Com 76/M R V2 VA Com SCA Com SCA Com 77/M R V3 SCA Com AICA Cont AICA Com 56/F L V2 AICA Com SCA Com SCA Com 49/M L V2 SCA Com SCA Com SCA Com 77/F L V2 SCA Cont SCA Cont SCA Cont 48/F R V2 SCA Com SCA Com SCA Com 60/F R V2 SCA Com SCA Com SCA Com 77/F R V2/3 SCA Com SCA Com SCA Com 59/F L V2 SCA Com SPV Com SPV Com 64/M R V1 SCA Com SPV Com SPV Com 63/F R V2 SCA Com AICA Com SCA Com 69/M L V3 SCA Com SCA Com SCA Cont 60/M L V2 VA Com VA Com VA Com 30/M L V2 SCA Cont SCA Com SCA Com 55/F L V3 SCA Com SCA Cont SCA Cont 73/M R V2 SCA,VA Com SCA,VA Com SCA,VA Com 78/F LV2–AbsenceSCAComSCACom 59/F R V2 SCA Com SCA Com SCA Com 64/M L V2 AICA Com SCA Com SCA Com 52/F L V2 SCA Com SCA Com SCA Com 52/M RV2–Absence –Absence–Absence 68/M R V1/2 SCA Com AICA Com AICA Com 62/M L V2 AICA Com AICA Com AICA Com 60/F L V2/3 VA Com VA Com VA Com 56/F LV2–AbsenceSCAComSCACom 73/F R V2 SCA Com SCA Com SCA Com 66/F R V1/2 SCA Com AICA Com AICA Com 59/F L V2 SCA Com AICA Com SCA Com 61/F R V2 SCA,VA Com SCA,SPV Com SCA,SPV Com 45/F R V2/3 SCA Com SCA Com SCA Com 55/F L V1 SCA Cont SCA Com SCA Com 49/M R V1/2/3 SPV Com AICA Com AICA Com 53/M R V1/2/3 SCA Com AICA Com AICA Com 68/F R V2/3 SCA Com SCA Com SCA Com 63/F RV1–AbsenceAICAComAICACom年龄(岁)/性别 患侧 疼痛分布

1.2 MRI检查

MRI扫描均在1.5 T磁共振扫描仪（Signa Excite; GE Medical Systems, Milwaukee, WI, USA）上完成。对每位受试者进行MRI FIESTA序列扫描。根据前期文献，本研究定义了3种神经血管关系：无关、接触和压迫，压迫定义为神经成角或血管处发生位移[7-8]。

1.3 分割与三维重建

所有患者的医学数字成像和通信（DICOM）图像均导入到3D slicer软件（3D Slicer 4.0）；进行分割和3D重建（图1）。所有的MRI FIESTA序列和3D模型由两位资深神经放射学专家分别进行评价。

图1 通过FIESTA序列采集的三维轴位图像

注：a.采样病例来自于一位有右侧三叉神经痛的患者；b.对脑干和脑脊液池内容物进行了自动分割和人工分割；c腹侧视角：对于脑脊液池内容物和脑干进行三维重建，显示动脉环压迫了三叉神经感觉根；d.头侧视角：对于脑脊液池内容物和脑干进行三维重建，显示动脉环压迫了三叉神经感觉根；f.术中照片显示右侧小脑前下动脉压迫右侧三叉神经入口区域，这与三维重建的发现保持一致（e：外侧视角）。CN-V-s：三叉神经感觉根；CN-V-m：三叉神经运动根；off-a：责任血管；SCA：小脑上动脉；AICA：小脑前下动脉；BA：基底动脉。

1.4 手术治疗

所有采用MVD手术方式的患者均采用乙状窦后入路，随后行硬脑膜切开术和桥小脑角探查。打开蛛网膜，充分暴露三叉神经和周围结构。鉴定和分离责任血管，在血管和三叉神经之间填充聚四氟乙烯涂层棉。术中应用内镜多角度观察NVR。手术记录由术者记录。3位神经外科医生参与手术过程。术中发现是判断NVR的金标准。

1.5 统计学分析

术中发现、术前MRI FEISTA和三维重建的一致性通过Kappa（k）统计数据来表现，分为极好（≥0.75）、良好（0.60～0.74）、 一 般（0.40～0.59）、差（＜0.4）。在 分 析NVR时，通过敏感性和特异性来评估MRI FIESTA和3D重建的预测价值。通过卡方检验研究MRI FEISTA与三维重建之间的神经血管差异。使用SPSS软件包（SPSS，Chicago，IL，USA）进行了统计分析。P值显著性水平为0.05。

2 结果

2.1 患者基本资料

本组人群包括25名女性和15名男性，年龄从30岁到78岁不等（平均61岁）。22例（55%）患者右侧疼痛，18例（45%）患者左侧疼痛。疼痛单独累及三叉神经第一、第二、第三分支者数量分别为3（7.5%）、25（62.5%）和3（7.5%）。第一、二支合并疼痛者为3（7.5%），第二、三支合并疼痛者为4（10%），只有2例（5%）三叉神经痛患者累及到3个分支。

2.2 术中发现

有3种NVR：压迫、接触和无关。本组病例中，3例接触，36例压缩，只有1例无关。

分析责任血管时，小脑上动脉（SCA）压迫23例；小脑前下动脉（AICA）压迫7例，小脑中下动脉（SPV）压迫5例，椎动脉压迫2例。2例患者存在多根血管压迫，其中一例是SCA与SPV合并压迫，另一例是SCA与VA合并压迫。

2.3 MRI FIESTA发现

探查患者责任血管，31例出现压迫，其次是无关（n=6），3例患者出现接触。MRI与术中发现之间Kappa值为0.232[95%置信区间（CI），-0.10～1.56]。在明确NVR时，MRI FEISTA的敏感性和特异性分别为87.2%和100%（表2）。所有患者的责任血管中，SCA占23例，AICA、VA和SPV分别占3例。2例患者中，SCA和VA均是三叉神经痛的责任血管。6例患者NVR为无关。在明确责任血管方面，MRI和术中发现的 Kappa 值是 0.373（95%CI，0.15～0.59）。

表2 术中发现和MRI FIESTA上神经血管关系比较（例）

注：+：压迫或接触；–：无关。敏感性=34/（34+5）=87.2%；特异性=1/（0+1）=100%。

MRI FIESTA 术中发现+–小计+34 0 34–5 1 6小计 39 1 40

2.4 三维重建发现

在分割和三维重建后，我们分别对不同的患者进行了责任血管和NVR的探查。35例患者出现压迫，4例患者为接触，1例患者为无关。三维重建和术中发现之间的Kappa值为0.633 [95%CI，0.25～1.0]。在明确NVR方面，三维重建的敏感性和特异性都是100%（表3）。在接触和压迫的病例中，SCA是主要的责任血管（n=21），其次是AICA（n=9），SPV（n=5）以及VA（n=2）。2例患者存在多血管压迫，这与术中发现一致（SCA与SPV均受压或SCA与VA均受压）。三维重建和术中发现在明确责任血管方面的Kappa值为 0.922（95%CI，0.82～1.0）。

表3 术中发现和3D重建上神经血管关系比较（例）

注：+：压迫或接触；–：无关。敏感性=39/（0+39）=100%；特异性=1/（0+1）=100%。

小计 39 1 40 3D重建 术中发现+小计+39 0 39–0 1 1–

2.5 MRI FIESTA序列与三维重建的比较

这两种检测方法在明确NVR方面的k值为0.195（95%CI，-0.13～0.52）。两种方法之间存在着显著差异（χ2=8.09，P=0.088）。

MRI FIESTA序列与三维重建在确定责任血管方面的Kappa值为0.321 （95%CI，0.10～0.54），两种方法无显著差异（χ2=82.01，P=0.000）。

3 讨论

如前所述，MVD是治疗TN的重要方法，因此术前判断NVR十分重要。最近的报道认为术前MRI与3D重建技术在判断NVR及责任血管方面十分有益[9-10]。

本研究中，40例患者进行了MRI FIESTA检查及3D重建。单纯利用MRI FIESTA判断的责任血管与术中金标准相比，符合程度较低（k=0.373）；利用3D重建技术判断的责任血管与术中金标准相比符合程度高（k=0.922）。MRI FIESTA与3D重建的结果之间有统计学差异（χ2=82.01，P=0.000），提示3D重建的结果与术中发现更加一致，比MRI FIESTA更能准确地判断责任血管。对于利用MRI FIESTA与3D重建判断血管神经关系，也可以得到与上面类似的结果。

利用3D重建技术判断NVR的敏感性与特异性都是100%，而利用MRI FIESTA的则是87.2%和100%。Leal等[9]报道的3D高分辨MRI的敏感性与特异性是96.7%与100%，Vergani等[10]报道则是96%与75%。这表明3D重建技术比MRI FIESTA和3D高分辨技术能更高地判断NVR。

MRI FIESTA序列能较好地识别被脑脊液包绕的结构，因而对于判定血管神经压迫有效[11]。然而单独的MRI FIESTA并不能区别动脉与静脉，同时对于判断责任血管效果较差[12]。在我们的研究中，MRI FIESTA判断责任血管的结果与术中发现相差较大。

3D slicer是一款开源图像处理软件[13]。在基于MRI FIESTA序列的分割与重建条件下比MRI FIESTA更好的准确性。另外，利用3D slicer分割与重建出来的图像比利用工作台重建的图像更加清晰，能更好分辨出桥小脑角结构。与前期研究不同的是，我们可以从任何角度观察NVR，从而有利于排除MRI FIESTA中假阳性结果[14-15]。

在早期利用MRI判断血管神经压迫的研究中，Masur等[16]发现MRI中的三叉神经移位或者压迫与临床中三叉神经痛相关，而单纯的血管神经接触则并不会都引起三叉神经痛。实际上，许多三叉神经痛的患者并没有血管神经压迫，对于此类病人，MRI对于决定治疗策略并无明显作用。对于没有实际压迫的病人，尽管MVD对于MRI中假阴性的患者有效，但也是对患者的一种伤害[8]。本研究中，83.3%（5/6）在MRI FIESTA上面被认为无血管神经压迫的患者被3D重建证实为有压迫，这些血管压迫经术中确认表现为血管环。在MRI FIESTA看不到的角度上，这些弯曲的血管环压迫并牵拉着三叉神经。本研究有利于辨别此类患者。

对于责任血管，本研究与前期研究一致[15-17]。小脑上动脉是主要的责任血管，其它常见血管为小脑前下动脉、岩上静脉和椎动脉。2例患者为多根血管压迫，1例是小脑上动脉与岩上静脉，另1例为小脑上动脉与椎动脉。如前所述，MRI FIESTA最大的缺点在于难以判别动脉与静脉。本研究通过重建技术准确识别5例岩上静脉压迫的患者，而在这5例中，2例在MRI FIESTA上认为是动脉压迫。尽管术中发现为判断的金标准，然而由于手术术野的限制，术者有时很难准确地判定责任血管[14]。相反，对三叉神经及其周围的结构进行重建视野更加广阔，并且多角度地追踪责任血管的来源。

本研究不足如下：首先，入选患者的样本量偏少，可能导致偏倚；其次，利用3D slicer进行重建需要一定时间的学习，且该软件的界面并不友好；再者，尽管我们在辨认静脉作为责任血管上有了进步，但是距离克服一些真实场景下的缺点还有一段距离。因而需要一些大样本前瞻性研究来进一步确定3D重建的有效性。

4 结论

三叉神经痛是一种由于血管神经压迫所导致的临床症状，而MVD是一种广为接受的治疗方式。术前精确地判定NVR对于手术准确十分重要。术前根据MRI FIESTA进行3D重建的结果与术中发现高度一致，因而对于术前准备有益。然而还需要一些大样本前瞻性研究来进一步确定本研究结果。

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Presurgical Visualization of the Neurovascular Relationship in Trigeminal Neuralgia with 3D Modeling Using Free Slicer Software

ZHANG Danfeng, CHEN Jigang, HAN Kaiwei, HOU Lijun
Department of Neurosurgery, Changzheng Hospital, Second Military Medical University, Shanghai 200003, China

Abstract:ObjectiveTo explore whether segmentation and 3D modeling are more accurate in the preoperative detection of the neurovascular relationship (NVR) in patients with trigeminal neuralgia (TN) compared to MRI fast imaging employing steady-state acquisition (FIESTA).MethodsSegmentation and 3D modeling using 3D Slicer were conducted for 40 patients undergoing MRI FIESTA and microsurgical vascular decompression (MVD).ResultsThe NVR, as well as the offending vessel determined by MRI FIESTA and 3D Slicer, was reviewed and compared with intraoperative manifestations using SPSS. Thekagreement between the MRI FIESTA and operation in determining the NVR was 0.232 and that between the 3D modeling and operation was 0.6333. There was no significant difference between these two procedures (χ2= 8.09,P=0.088). Thekagreement between the MRI FIESTA and operation in determining the offending vessel was 0.373, and that between the 3D modeling and operation was 0.922. There were significant differences between two of them (χ2=82.01,P=0.000). The sensitivity and specificity for MRI FIESTA in determining the NVR were 87.2% and 100%, respectively, and for 3D modeling were both 100%.ConclusionThe segmentation and 3D modeling were more accurate than MRI FIESTA in preoperative verification of the NVR and offending vessel. This was in consistent with surgical manifestations and was more helpful for preoperative decision and surgical plan.

Key words:3D modeling; 3D slicer; MRI fast imaging employing steady-state acquisition; neurovascular relationship; offending vessel; trigeminal neuralgia

[中图分类号]R445.2

[文献标识码]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.005

[文章编号]1674-1633(2017)012-0020-05

收稿日期：2017-11-22

基金项目：国家自然科学基金（81371382）；国家自然科学基金（81671206）。

通讯作者：侯立军，教授，博士生导师，主要研究方向为颅脑创伤、颅脑肿瘤。

通讯作者邮箱：lijunhoucz@126.com

本文编辑 王静