標準立體空間坐標系膜迷路模型的建立

吳曙智 李熹 鄭炎焱 陳曉素 林萍 楊曉國 楊曉凱

內耳位于顳骨巖部，因其結構精細而復雜又被稱為迷路，由骨迷路和膜迷路構成，解剖顯示困難。臨床影像學檢查可以獲取骨迷路清晰影像，但不能或僅能部分顯示膜迷路結構[1]。尸體顳骨切片和MR顯微成像、顯微CT可以顯示切面膜半規管結構，但通常不具備空間方位信息，無法進行測量[2]。因此，良性陣發性位置性眩暈（BPPV）的復位治療雖然主要同膜半規管空間方向有關，但通常用骨半規管代替來進行演示和判斷[3]。目前研究半規管空間方向的文獻不多，關于壺腹嵴空間方向的研究則更少[4]。Baloh等[5]報道向地眼震水平半規管BPPV，其圖示膜水平半規管描繪自胎兒顳骨切片圖像，其橢圓囊和壺腹部和頭部的關系根據經過水平半規管層面顳骨CT檢查圖像進行校準；但左右水平半規管并不在同一個平面上，其校準后對空間方向的判斷可能會有偏差。目前，Baloh對水平半規管空間方向的描繪被廣為引用。Epley等[6]使用繪圖描繪了后半規管壺腹嵴空間方向，并提出了半Dix-hallpike試驗用于診斷后半規管嵴石癥，認為直立位后半規管壺腹嵴和水平面夾角為60°。Teixido等[7]根據新生兒顳骨切片圖像分割獲取一側膜半規管模型，根據解剖學知識和正常頭顱進行校準，沒有對壺腹嵴空間方向進行具體描述。David等[8]使用尸體顳骨染色顯微CT檢查數據分割獲取膜迷路結構，與組織切片比較，膜迷路扭曲變形的可能性減少；進一步將顯微CT檢查數據分割獲取的骨迷路和1位正常人頭顱CT檢查分割獲取的骨迷路進行校準的方法來確立膜迷路空間方向，并提供了完整的壺腹帽模型（不包括壺腹帽下間隙和壺腹嵴）。由于半規管空間方向存在個體差異，David等建立的膜迷路空間方向是否具備代表性還需進一步確認。本研究擬通過建立標準立體空間坐標系膜迷路模型，并對壺腹嵴空間方向進行測量。

1 資料和方法

1.1 影像資料 選擇在本院行內耳檢查顯示清晰且無偽影的33例正常者的影像資料，其中男9例，女24例；年齡7～66（43±13.4）歲。排除存在局部病變可能影響半規管解剖結構、頭顱結構異常者。采用SIEMENS公司1.5T超導型MR系統，標準頭線圈，應用三維穩態構成干預序列（3D-CISS）進行內耳檢查，掃描參數：TR 6.0ms，TE 2.7ms，FOV 135×180，矩陣 256×192，層厚0.7mm。1例尸體顳骨染色顯微CT檢查數據分割獲取左側膜迷路模型、骨迷路模型，包括壺腹帽模型[8]。

1.2 建立內耳眼球統計形狀模型 使用3D Slicer（4.7版）軟件分割雙側內耳和眼球模型[9]。首先選擇1個內耳模型作為參考模型，再將其他模型和參考模型進行配準，根據參考模型建立高斯過程模型，將配準后的其他模型與之進行進一步點對點的配準，最終可以根據配準的模型來建立統計形狀模型。為消除初始選擇參考模型所產生的選擇偏移，根據統計形狀模型導出平均模型作為參考模型，重復以上過程直至最后生成的平均模型穩定無明顯變化，作為標準模型。

1.3 建立標準立體空間坐標系 3D Slicer Transform模塊進行坐標平移和旋轉，使得水平面經過標準模型雙側半規管總腳分叉點和眼球下緣（半規管眼底平面），雙側半規管關于矢狀面對稱[10]。

1.4 膜迷路校準 將顯微CT檢查數據分割獲取的左側骨迷路模型與標準模型進行校準，膜迷路模型隨之進行三維空間變換。

1.5 參考模型比較 將David等使用的骨迷路參考模型和標準模型進行校準并觀察分析，判斷其是否具備代表性。

1.6 壺腹嵴空間方向測量 調整平面使其和壺腹帽模型完全重合，使用Angle Planes模塊測算壺腹帽平面和水平面或者矢狀面夾角，計算結果包括俯仰角、偏航角和翻滾角，以翻滾角作為夾角計算根據。

2 結果

使用3D Slicer軟件Otsu模塊可以快速分割獲取高質量的半規管眼球結構，用于生成內耳眼球統計形狀模型。使用Statismo軟件，將模型與平均模型進行點對點的配準來建立統計形狀模型的過程耗時，反復建模4～5次后結果穩定，統計形狀模型所導出的標準模型結構完整[11]，見圖1a-b（插頁）。David等使用的骨迷路參考模型與標準模型配準后，匹配較好，具備代表性，見圖1b（插頁）。校準后的膜迷路有利于觀察壺腹帽空間方向，見圖1c（插頁）。通過Transform模塊可以使得水平面經過標準模型半規管眼底平面且雙側半規管關于矢狀面對稱，從而建立參照標準立體空間坐標系[10]，見圖2a（插頁）；內耳模型與標準模型校準后加三棱柱作為空間標識，見圖2b（插頁）。平臥位左側后半規管壺腹嵴和矢狀面的夾角偏航角為8.8°，翻滾角為42.8°，見圖2c（插頁）；平臥位外半規管壺腹嵴和矢狀面的夾角偏航角為 9.6°，翻滾角為 3.8°，見圖 2d-e（插頁）。

3 討論

對于膜迷路的結構和功能的研究已取得一定進展。膜迷路包括橢圓囊和球囊、膜半規管和蝸管，在橢圓囊和球囊內囊斑，能感受直線加速或減速運動。膜半規管一端膨大為膜壺腹，壁上有隆起的壺腹嵴，壺腹帽是覆蓋在壺腹嵴上的膠質狀物質，其基底與壺腹嵴上皮之間有一微細的腔隙，稱為壺腹帽下間隙，寬2～10μm，感覺細胞的毛穿過其間[12]。壺腹嵴能感受頭部旋轉運動，當內淋巴沿管流動時，可沖動壺腹帽使之向一側擺動，同時毛細胞的纖毛向一側傾倒。外半規管內淋巴液向壺腹運動產生興奮沖動，上、后兩半規管內淋巴液離壺腹運動產生興奮沖動。病理狀態下，當脫落的耳石進入膜半規管內或黏附于壺腹帽上，會導致BPPV。當頭位改變如低頭、仰頭、躺下、坐起、翻身時，會產生異常的興奮沖動，表現突發頭暈、視物旋轉，片刻緩解，嚴重時伴惡心、嘔吐。通過頭位改變，根據眩暈誘發情況和眼震觀察可以判斷耳石位置，還可以使脫落的耳石回到橢圓囊內，從而消除癥狀。

膜半規管和壺腹嵴的空間位置，對于BPPV的發病機制的研究、耳石復位治療都至關重要。相關文獻使用了各種方法進行BPPV的模擬演示，包括構造模型、組織切片圖像、動物膜半規管、繪畫插圖、人骨半規管模型、人膜半規管模型等[7,13-17]，它們最大的缺點是空間方向欠規范且常常不一致。目前關于壺腹嵴空間方向的研究數據很少，其最大的原因是組織切片圖像通常缺乏空間信息。近年來影像檢查技術不斷發展，但臨床MRI檢查無法顯示壺腹嵴結構；而尸體的壺腹帽會皺縮變形，且MR顯微技術和顯微CT也只檢查一側顳骨，同樣存在缺乏空間信息的問題，因此缺少活體壺腹嵴數據[2,8,18]。David等使用顳骨染色后進行顯微CT檢查的方法分割獲取膜迷路結構，對壺腹嵴的顯示較好，且能顯示壺腹帽下間隙，雖然壺腹帽也有皺縮，但有些壺腹帽顯示完整。顳骨釓鹽浸泡后MR顯微成像可以顯示膜迷路，對于前半規管、外半規管壺腹嵴的輪廓顯示較好，但不能顯示壺腹帽下間隙，特別是后半規管壺腹嵴顯示不清，后半規管短臂界限模糊[2，19-20]。David等研究首次提供了獲取的包括壺腹帽結構的膜迷路模型，具有重要的參考意義。David等通過將顯微CT檢查數據分割獲取的骨迷路和1例作為參照頭顱的骨迷路進行校準，然后同步三維空間變換膜迷路來確立膜迷路空間方向。但由于半規管空間方向存在個體差異，其參照模型的的代表性需要進行確認，應使用標準模型作為參照模型。

標準膜迷路模型可以通過建立統計形狀模型基于主成分分析導出平均模型作為標準模型，但是缺乏空間坐標信息[11]。常見的立體空間參考平面系統包括法蘭克福立體坐標系統和瑞德立體坐標系，需要根據骨性標志點來確立[21]。筆者前期研究發現雙側眼球最下緣和雙側半規管總管的頂端組成的平面即半規管眼底平面和法蘭克福平面平行，為水平面，也就是半規管眼球統計形狀模型根據半規管和眼球自身就可以構造標準的立體空間參考平面系統[10]。David等使用的參照骨迷路模型和標準內耳眼球模型匹配良好，具有一定的代表性。

Hall等[13]認為直立位時后半規管壺腹嵴接近垂直，Dix-Hallpike誘發試驗時接近水平。但Epley等[6]認為直立位后半規管壺腹嵴和水平面夾角為60°；本研究測量結果直立位后半規管壺腹嵴和矢狀面的夾角翻滾角為42.8°，相應與水平面的夾角為余角即47.2°，兩者結果相近。Dix-hallpike試驗頭部后仰30°后半規管壺腹嵴與地面接近垂直，后半規管嵴頂結石癥不易誘發陽性檢查結果。筆者對Dix-hallpike試驗進行了改良，平臥后頭部不后仰，臨床應用同樣有效，且因為上半規管BPPV檢查陰性，使得判斷更加簡便，見圖3[22]。Baloh等[5]報道向地眼震水平半規管BPPV，其圖示平臥位膜外半規管壺腹嵴向內側傾斜約為45°。也有其他研究報道平臥位外半規管壺腹嵴向外側傾斜[23-24]，可見結果不一。根據前庭生理知識，外半規管嵴帽結石癥，平臥位出現水平眼震，根據眼震方向來判斷患側，壺腹嵴向橢圓囊側還是半規管側傾斜定位完全相反。本研究測量結果顯示平臥位外半規管壺腹嵴偏航角為9.6°，翻滾角為3.8°?？梢娡獍胍幑軌馗贯掌骄瓭L角較小，由于半規管空間方向存在個體差異，后半規管夾角較小時水平半規管壺腹嵴隨之從向內傾斜轉為向外側傾斜也即翻滾角方向會發生改變。由于平臥位外半規管壺腹嵴既可能向橢圓囊側偏斜，也可能向半規管側傾斜，外半規管嵴帽結石癥平臥位出現水平眼震，無法根據眼震方向判斷患側，也無法通過頭部向一側轉動使得半規管壺腹嵴和地面垂直從而眼震消失來判斷患側。

圖3 平臥Dix-Hallpike試驗（右側后半規管）[a：患者垂直坐位；b：頭向右側轉45°；c：患者從坐位快速躺下平臥；d：c的側面觀；箭頭所示為右側后半規管]

本研究成功建立了標準立體空間坐標系膜迷路模型，并測量了壺腹嵴空間方向，可用于BPPV的研究[25-26]。下一步將基于此模型建立擬真BPPV模型。

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