李濱 董自平 劉秋成 閆麗紅 范振增 王潤輝 雷學(xué)

·綜述與講座·

一種利用matlab軟件定位基底節(jié)腦出血穿刺點(diǎn)的方法

李濱 董自平 劉秋成 閆麗紅 范振增 王潤輝 雷學(xué)

CT;MATLAB;腦出血；基底節(jié)區(qū)；定位；眶耳線；三維坐標(biāo)，手術(shù)，穿刺，鉆孔

基底節(jié)區(qū)腦出血目前是國內(nèi)神經(jīng)外科的常見病和多發(fā)病，占神經(jīng)外科手術(shù)的相當(dāng)大的比例，尤其是基層醫(yī)院[1]，而目前基底節(jié)區(qū)腦出血多數(shù)的手術(shù)方案為穿刺引流或穿刺抽吸術(shù)。該類手術(shù)的術(shù)前穿刺定位是手術(shù)成功的關(guān)鍵。如何精確的定位穿刺點(diǎn)，是大多數(shù)神經(jīng)外科醫(yī)生術(shù)前最為關(guān)心的一步[2]。目前精確定位的立體定向和三維立體定向均因各種因素，未能在此類手術(shù)得以推廣，而目前的粗略估算方法容易產(chǎn)生較大誤差，所以臨床經(jīng)?？梢钥吹交坠?jié)區(qū)腦出血穿刺位置不理想的情況[3]。所以，神經(jīng)外科手術(shù)目前迫切需要一種簡單有效的腦出血穿刺定位方法。針對(duì)上述情況，本文利用CT工作站，獲取部分體表標(biāo)志和穿刺中心的三維坐標(biāo)值，因?yàn)樯鲜龈鼽c(diǎn)的實(shí)際三維空間關(guān)系固定，經(jīng)過MATLAB的數(shù)學(xué)運(yùn)算，得出以出血側(cè)外耳門為原點(diǎn)，眶耳線為X軸的擬手術(shù)坐標(biāo)系下的靶點(diǎn)新坐標(biāo)數(shù)據(jù)，給手術(shù)穿刺定位提供參考方案。

1 實(shí)現(xiàn)原理

在腦出血手術(shù)前，神經(jīng)外科醫(yī)師面對(duì)患者頭顱，其手術(shù)實(shí)際默認(rèn)的穿刺坐標(biāo)系如圖1所示：

以病灶側(cè)外耳孔為原點(diǎn)O，眶耳線為X軸，對(duì)側(cè)外耳孔和X軸組成XOY平面，Y軸為該平面垂直于X軸，經(jīng)過原點(diǎn)的垂線，Z軸為垂直于XOY平面且經(jīng)過原點(diǎn)的垂線所構(gòu)成的三維坐標(biāo)系。該擬合手術(shù)的三維坐標(biāo)系的缺點(diǎn)是眶耳線與X軸的關(guān)系，由于眶耳線是一條假想直線，向內(nèi)傾斜，與縱裂不平行，實(shí)際是穿行于“皮肉之間”的假想直線，手術(shù)前畫在患者皮膚上的眶耳線實(shí)際也是一條顴弓區(qū)近似直線，外眥區(qū)為弧形的曲線，經(jīng)過測算，顴弓區(qū)的近似直線部分與縱裂平面基本平行，誤差約為5%，所以我們需要對(duì)由外耳門和外眥點(diǎn)為X軸建立起的三維坐標(biāo)系稍作旋轉(zhuǎn)校正，使眶耳線平行于縱裂平面，這樣坐標(biāo)系才是符合臨床醫(yī)師思維和定位要求的坐標(biāo)系，易于立體的把握靶點(diǎn)的位置。

圖1 手術(shù)坐標(biāo)系

在已掃描的患者的CT數(shù)據(jù)中，患者的頭部影像數(shù)據(jù)可以看做是一個(gè)矩陣，每個(gè)點(diǎn)都有固定的三維坐標(biāo)值。這其中就包括我們手術(shù)所需的外耳門、外眥、血腫穿刺中心點(diǎn)、縱裂等各種數(shù)據(jù)。它們的具體的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系是固定的，只不過每個(gè)點(diǎn)的值無法直接為臨床手術(shù)定位服務(wù)。若把原CT掃描的坐標(biāo)系調(diào)整成為我們手術(shù)擬合的坐標(biāo)系下，那穿刺點(diǎn)的三維坐標(biāo)值會(huì)跟著變動(dòng)，其新三維坐標(biāo)值就是在手術(shù)坐標(biāo)系下各象限的具體位置，定位會(huì)十分容易和準(zhǔn)確[4]。

2 操作方法

2.1 各點(diǎn)的選擇 從CT工作站獲取出血側(cè)外耳門、出血側(cè)外眥、對(duì)側(cè)外耳門、血腫穿刺中心點(diǎn)、縱裂的額部和枕部各隨意兩點(diǎn)。我院的CT工作站為GE公司的64排CT以及AW4.2，CT掃描厚度為5 mm，在工作站進(jìn)行重建后，在立體位、水平位、矢狀位和冠狀位四種圖像上互相參考，在其中獲取出血側(cè)外耳門、出血側(cè)外眥、對(duì)側(cè)外耳門、血腫穿刺中心點(diǎn)、縱裂的額部和枕部各隨意兩點(diǎn)(矯正用)，每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)在四種圖像上可相互參考和印證。各靶點(diǎn)選擇時(shí)盡量在重建的冠狀位和矢狀位圖或立體圖像上選擇，數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確。圖像上的選擇過程如下圖2、3所示。

圖2 外耳門和外眥點(diǎn)的選擇

圖3 血腫穿刺中心及縱裂的額、枕部各隨意兩點(diǎn)的選擇示意圖

將上述六個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)記錄下來。其坐標(biāo)值為L(R),A(P),S(I),可以記錄為L、A、S為正值，R、P、I為負(fù)值，分別對(duì)應(yīng)記為X軸,Y軸,Z軸坐標(biāo)。

2.2 坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)化 將上述六點(diǎn)分別代入MATLAB的已編好的程序中，具體程序見下：

clear

format long

% 此處輸入需要作為原點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)(出血側(cè)外耳門)

x1=*;

y1=*;

z1=*;

% 此處輸入需要作為x軸上點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)(外眥點(diǎn))

x2=*;

y2=*;

z2=*;

% 此處輸入需要作為xOy平面上點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)(對(duì)側(cè)外耳門)

x3=*;

y3=*;

z3=*;

% 此處輸入需要作為任意點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo)(穿刺血腫中心點(diǎn))

x4=*;

y4=*;

z4=*;

% 下面輸入兩個(gè)校正用的點(diǎn)坐標(biāo)

% 注意第五個(gè)點(diǎn)和第六個(gè)點(diǎn)不要重合！

% 第五個(gè)點(diǎn)為點(diǎn)E(縱裂的額部點(diǎn))

x5=*;

y5=*;

z5=*;

% 第六個(gè)點(diǎn)為點(diǎn)F(縱裂的枕部點(diǎn))

x6=*;

y6=*;

z6=*;

% 待求點(diǎn)坐標(biāo)

x=;

y=;

z=;

% 下面首先第一次坐標(biāo)變換

A1=[x1,y1,z1];

B1=[x2,y2,z2];

C1=[x3,y3,z3];

D1=[x4,y4,z4];

AB2=(x2-x1)^2+(y2-y1)^2+(z2-z1)^2;

AC2=(x3-x1)^2+(y3-y1)^2+(z3-z1)^2;

BC2=(x2-x3)^2+(y2-y3)^2+(z2-z3)^2;

AD2=(x4-x1)^2+(y4-y1)^2+(z4-z1)^2;

BD2=(x4-x2)^2+(y4-y2)^2+(z4-z2)^2;

CD2=(x4-x3)^2+(y4-y3)^2+(z4-z3)^2;

x1p=0;

y1p=0;

z1p=0;

A2=[x1p,y1p,z1p];%第一個(gè)點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的三個(gè)坐標(biāo)

x2p=sqrt(AB2);

y2p=0;

z2p=0;

B2=[x2p,y2p,z2p]; %第二個(gè)點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的三個(gè)坐標(biāo)

x3p=(x2p^2-BC2+AC2)/2/x2p;

y3p=sqrt(BC2-(x3p-x2p)^2);

z3p=0;

C2=[x3p,y3p,z3p]; %第三個(gè)點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的三個(gè)坐標(biāo)

x4p=(x2p^2+AD2-BD2)/2/x2p;

y4p=(x3p^2+y3p^2-2*x3p*x4p+AD2-CD2)/2/y3p;

if ((y2-y1)*(z3-z1)-(y3-y1)*(z2-z1))*(x4-x1)+((x3-x1)*(z2-z1)-(x2-x1)*(z3-z1))*(y4-y1)+((x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1))*(z4-z1)>0

z4p=sqrt(AD2-x4p^2-y4p^2);

else

z4p=-sqrt(AD2-x4p^2-y4p^2);

end

D2=[x4p,y4p,z4p]; %第四個(gè)點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的三個(gè)坐標(biāo)

M(1:3,:)=[x1,y1,z1,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3) x1,y1,z1,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x1,y1,z1,0,0,1];

M(4:6,:)=[x2,y2,z2,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3),x2,y2,z2,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x2,y2,z2,0,0,1];

M(7:9,:)=[x3,y3,z3,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3),x3,y3,z3,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x3,y3,z3,0,0,1];

M(10:12,:)=[x4,y4,z4,zeros(1,6),1,0,0;zeros(1,3),x4,y4,z4,zeros(1,4),1,0;zeros(1,6),x4,y4,z4,0,0,1];

F=M^-1*[x1p;y1p;z1p;x2p;y2p;z2p;x3p;y3p;z3p;x4p;y4p;z4p];

%計(jì)算第五點(diǎn)在坐標(biāo)系2下的坐標(biāo)

x5p=[F(1) F(2) F(3)]*[x5;y5;z5]+F(10);

y5p=[F(4) F(5) F(6)]*[x5;y5;z5]+F(11);

z5p=[F(7) F(8) F(9)]*[x5;y5;z5]+F(12);

%計(jì)算第六點(diǎn)在坐標(biāo)系2下的坐標(biāo)

x6p=[F(1) F(2) F(3)]*[x6;y6;z6]+F(10);

y6p=[F(4) F(5) F(6)]*[x6;y6;z6]+F(11);

z6p=[F(7) F(8) F(9)]*[x6;y6;z6]+F(12);

% 下面第二次坐標(biāo)變換

if (y5p==y6p && x5p==x6p)

'E、F點(diǎn)在xOy平面上的投影重合！

else

if x5p==x6p

thetapp=pi/2;

else

thetapp=atan(abs(y5p-y6p)/abs(x5p-x6p));

end

xp=[F(1) F(2) F(3)]*[x;y;z]+F(10);

yp=[F(4) F(5) F(6)]*[x;y;z]+F(11);

zp=[F(7) F(8) F(9)]*[x;y;z]+F(12);

thetap=acos(xp/sqrt(xp^2+yp^2));

% 輸出x，y，z在第三個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

A1=[sqrt(xp^2+yp^2)*cos(thetap+thetapp) sqrt(xp^2+yp^2)*sin(thetap+thetapp) zp]

end[5-8]

2.3 運(yùn)算結(jié)果 運(yùn)算得出的穿刺中心的新坐標(biāo)值數(shù)據(jù)(x,y,z)代表著該模擬手術(shù)坐標(biāo)系下的穿刺點(diǎn)位于外耳門的前、上的位置，穿刺深度由于頭顱皮膚的弧形結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系的直線結(jié)構(gòu)的差別，誤差不大，且由于穿刺深度可以直接在CT片子上直接量取，對(duì)穿刺定位基本沒有影響。

將上述運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)運(yùn)用于手術(shù)的基底節(jié)腦出血穿刺定位，均能準(zhǔn)確定位。我院自2010年至2014年共運(yùn)用此方法對(duì)基底節(jié)區(qū)腦出血穿刺引流的患者手術(shù)48例，所有患者體表定位后，手術(shù)均一次準(zhǔn)確穿刺成功。

3 討論

隨著中國人口逐步步入老齡化，高血壓腦出血的發(fā)患者數(shù)逐年增加[9]，而腦出血本身是一種高致死率和高致殘率的疾病,給國家、社會(huì)和家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)[10]。腦出血的出血部位很多，其中基底節(jié)區(qū)部位的腦出血是最為常見的出血部位，占高血壓腦出血的絕大部分，目前認(rèn)為該部位的出血與豆紋動(dòng)脈破裂出血相關(guān)[11]。腦出血后顱內(nèi)很快形成血腫，顱內(nèi)壓增高，腦水腫，并且血腫和血漿引起的降解代謝產(chǎn)物對(duì)腦組織的毒性作用等原因，導(dǎo)致周圍的腦組織發(fā)生壞死及海綿樣變性等病理改變，產(chǎn)生不可逆的神經(jīng)損害，并且隨著時(shí)間的延長，產(chǎn)生的損害越嚴(yán)重[12]。手術(shù)的目的是盡快的降低顱內(nèi)壓，將顱內(nèi)血腫清除出顱內(nèi)，減少腦出血后對(duì)神經(jīng)的損害，保留更多的神經(jīng)功能，降低患者的致死率和致殘率[13]。

目前對(duì)基底節(jié)區(qū)腦出血的治療方法有保守治療和手術(shù)治療，目前神經(jīng)外科認(rèn)識(shí)趨于一致，對(duì)于基底節(jié)區(qū)出血量大于30 ml的患者，若無明顯手術(shù)禁忌癥的情況下，手術(shù)治療的患者療效較保守治療的療效好[14]。手術(shù)方法有開顱血腫清除和相對(duì)微創(chuàng)的穿刺抽吸或鉆孔引流或鉆孔后內(nèi)鏡下清除血腫兩種方案，對(duì)于后者方案選擇準(zhǔn)確的穿刺或鉆孔部位，為手術(shù)成功的關(guān)鍵。目前對(duì)腦出血定位較為精準(zhǔn)的是立體定向手術(shù)和神經(jīng)導(dǎo)航手術(shù)，立體定向手術(shù)操作過程需要給患者安裝頭架后，再次給患者行頭CT掃描，選擇穿刺靶點(diǎn)及入路，手術(shù)時(shí)間較長，且頭架的安裝也影響了手術(shù)操作的靈活性[15]，而且目前國內(nèi)多數(shù)立體定向頭架與內(nèi)鏡系統(tǒng)兼容性差；神經(jīng)導(dǎo)航也需要安裝導(dǎo)航定位框，進(jìn)行導(dǎo)航注冊等，手術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間較長[16]，并且目前多數(shù)醫(yī)院，尤其是縣市級(jí)的醫(yī)院，由于這些設(shè)備價(jià)格昂貴，多數(shù)還不具備立體定向儀或神經(jīng)導(dǎo)航的設(shè)備，所以目前國內(nèi)多數(shù)的基底節(jié)區(qū)腦出血目前的主要微創(chuàng)手術(shù)方案仍是鉆孔引流或穿刺碎吸引流。由于出血量超過30 ml，穿刺目標(biāo)較大，目前手術(shù)定位多數(shù)醫(yī)生仍是根據(jù)CT片，根據(jù)OM線，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，粗略估計(jì)測量定位，由于患者的CT片頭部偏斜，掃描時(shí)OM基線不準(zhǔn)確，有時(shí)就會(huì)出現(xiàn)定位偏差的情況。為了相對(duì)準(zhǔn)確定位，部分神經(jīng)外科醫(yī)生采取“CT顱表定位貼”“折耳法”“顱表金屬標(biāo)記物”“CT激光標(biāo)記”或自制的體表定位標(biāo)記物進(jìn)行輔助定位[17]，都能明顯的提高定位的準(zhǔn)確性。但都需要再對(duì)腦出血的患者進(jìn)行一次顱腦CT掃描，既延長了搶救時(shí)間，增加了患者的途中風(fēng)險(xiǎn)，也增加了醫(yī)療費(fèi)用。目前也有一些利用CT工作站，運(yùn)用重建圖像、透視等方法給術(shù)者提供更加直觀的圖像[18，19]，但其實(shí)術(shù)者最主要需要的是穿刺部位的點(diǎn)在哪里。我們介紹的這種基于MATLAB軟件的定位方案，不需要對(duì)患者進(jìn)行額外的CT掃描，對(duì)CT掃描要求低，僅僅需要把患者第一次掃描的CT數(shù)據(jù)在工作站記錄，代入我們編好的MATLAB程序，就可以得出穿刺點(diǎn)的體表定位數(shù)據(jù)，實(shí)際操作過程僅需數(shù)分鐘就可以解決，非常適宜神經(jīng)外科推廣，尤其適用于廣大基層醫(yī)院使用。

MATLAB(矩陣實(shí)驗(yàn)室)是MATrix LABoratory的縮寫，是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言(包括C，C++和FORTRAN)編寫的程序。用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，我們使用的CT影像可以認(rèn)為是一個(gè)CT值的矩陣，其中每個(gè)值代表一個(gè)像素[20]。隨著CT技術(shù)的發(fā)展和診斷要求的升級(jí)，影像質(zhì)量越來越高，體素越來越小，一般的為0.001 mm3。運(yùn)用MATLAB軟件，模擬以O(shè)M線為基礎(chǔ)的基底節(jié)腦出血的手術(shù)坐標(biāo)系，獲得穿刺的血腫部位的坐標(biāo)值，可以直接得出模擬手術(shù)坐標(biāo)系下的靶點(diǎn)數(shù)據(jù)。使用該方法需要注意以下問題：(1)除了定位血腫穿刺中心之外，也可以擴(kuò)展到顱內(nèi)病灶的上下前后各邊緣，定位病灶的邊界，在體表勾畫出血腫范圍，進(jìn)行穿刺手術(shù)，可以比較靈活的選擇穿刺點(diǎn)，避免穿刺點(diǎn)和顱內(nèi)重要結(jié)構(gòu)重疊，也可以開顱手術(shù)估計(jì)切開范圍；(2)穿刺血腫的中心定位點(diǎn)確定后，穿刺的方向需按照手術(shù)坐標(biāo)系的方向穿刺定位才準(zhǔn)確，即垂直于矢狀面進(jìn)行穿刺，否則仍有穿刺偏斜的可能；為了避免手術(shù)時(shí)鋪上無菌單后，對(duì)穿刺方向的把握，我們常增大顱腦體表的暴露范圍，用透明無菌貼膜覆蓋，增加穿刺方向感保證穿刺方向。(3)基底節(jié)腦出血多數(shù)的穿刺部位目前仍是經(jīng)顳側(cè)入路，該方案也是從顳側(cè)入路，以O(shè)M線為基礎(chǔ)考慮的，若為經(jīng)額葉入路，需要重新選擇不同的體表標(biāo)志物，必要時(shí)需要在體表應(yīng)用MARK進(jìn)行輔助定位。(4)由于計(jì)算出的三維數(shù)值是根據(jù)手術(shù)需要構(gòu)建的垂直三維坐標(biāo)，在顱腦的頂部靶點(diǎn)體表投影測量上，需要注意頭顱曲度變化帶來的誤差問題，對(duì)于多數(shù)腦出血的穿刺手術(shù)而言可以忽略不計(jì)，若需要提高精度，可使用一些簡單的三維直角尺輔助。

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062552 河北省任丘市，華北油田公司總醫(yī)院神經(jīng)外科(李濱、董自平、劉秋成、閆麗紅、王潤輝、雷學(xué))；河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院神經(jīng)外科(范振增)

雷學(xué)，062552 華北油田公司總醫(yī)院神經(jīng)外科；

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A

1002-7386(2014)13-2036-05

2014-01-10)