機(jī)械臂輔助顱內(nèi)病灶體表投影定位的臨床應(yīng)用

劉德峰，劉煥光，張華，胡文瀚，張凱，孟凡剛，楊岸超，張建國(guó)

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是目前醫(yī)學(xué)發(fā)展的指導(dǎo)理念，神經(jīng)外科手術(shù)之前，位于腦實(shí)質(zhì)的病變必須首先使用CT、MRI等影像技術(shù)進(jìn)行定位，并明確顱內(nèi)病灶的體表投影[1]。而對(duì)于神經(jīng)外科而言，精準(zhǔn)治療能夠最大程度地緩解患者的病情且兼顧手術(shù)療效[2]。顱內(nèi)病變的定位和體表投影有助于確定與病變位置相關(guān)的開(kāi)顱部位，以及確定切口部位[1,3-4]。更重要的是，皮膚切口和骨窗的寬度和長(zhǎng)度可以在開(kāi)始手術(shù)前在皮膚表面進(jìn)行調(diào)整和繪制[5]。而早在1986年，神經(jīng)導(dǎo)航的概念就已經(jīng)產(chǎn)生[6]。隨后神經(jīng)外科醫(yī)生逐漸開(kāi)始在開(kāi)顱手術(shù)中應(yīng)用各種醫(yī)療導(dǎo)向設(shè)備。在導(dǎo)航設(shè)備的幫助下，神經(jīng)外科醫(yī)生能夠在有限的術(shù)野下安全且準(zhǔn)確地到達(dá)顱內(nèi)病變的位置，這也表明了導(dǎo)航設(shè)備極大地提高了神經(jīng)外科手術(shù)的質(zhì)量和效率。隨后，各種各樣的導(dǎo)航系統(tǒng)問(wèn)世并商業(yè)化[7-8]，其原理是基于使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)導(dǎo)航來(lái)指示位置。

近些年隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，越來(lái)越多的導(dǎo)航輔助設(shè)備進(jìn)入臨床應(yīng)用，神經(jīng)外科機(jī)械臂就是其中一種重要的輔助技術(shù)[9]。在功能神經(jīng)外科中，機(jī)械臂輔助早已經(jīng)應(yīng)用于立體定向腦電圖技術(shù)(stereotactic electroencephalograph,SEEG)、腦深部電刺激(deep brian stimulation，DBS)、活檢等手術(shù)中[10]。與此同時(shí)，在臨床實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到根據(jù)影像以及體表解剖標(biāo)記設(shè)計(jì)的頭皮手術(shù)切口與術(shù)中顱內(nèi)病灶相偏離的現(xiàn)象。而神經(jīng)外科機(jī)械臂可以根據(jù)術(shù)前CT和MRI等影像資料，自動(dòng)計(jì)算病灶的三維形狀，并在患者顱骨體表形成醒目投影，幫助手術(shù)醫(yī)生定位并標(biāo)記切口。本研究對(duì)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科2018年8月—2020年8月收治的75例顱內(nèi)占位性病變患者的臨床資料進(jìn)行回顧分析；其中15例患者使用機(jī)械臂輔助術(shù)前定位，將顱內(nèi)病灶進(jìn)行體表投影定位，60例患者以常規(guī)方法術(shù)前定位?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究共納入75例患者，其中應(yīng)用機(jī)械臂輔助顱內(nèi)病灶體表投影定位進(jìn)行切除手術(shù)的患者(機(jī)械臂輔助組)15例，顱內(nèi)占位病變常規(guī)開(kāi)顱切除手術(shù)的患者(常規(guī)手術(shù)組)60例。(1)機(jī)械臂輔助組：男10例，女5例；年齡20～68歲，平均(44.2±17.1)歲；腫瘤均位于額、顳、頂部，病理類型為腦膜瘤者6例、膠質(zhì)瘤9例，直徑1.5～9.2 cm，平均5.5 cm。(2)常規(guī)手術(shù)組：男35例，女25例；年齡15～69歲，平均(42.3±19.1)歲；腫瘤均位于額、顳、頂部，病理類型為腦膜瘤者31例、膠質(zhì)瘤29例，直徑1.8～9.1 cm，平均5.7 cm。本研究患者均知情同意并簽署了手術(shù)知情同意書(shū)。

1.2 方法

1.2.1 機(jī)械臂輔助顱內(nèi)病灶體表投影定位 所有患者術(shù)前均行MRI檢查(3.0 T西門子磁共振機(jī)，德國(guó))，掃描序列包括T1WI(層厚為1 mm)矢狀位和增強(qiáng)、T2WI(層厚為2 mm)軸位和冠狀位、T1-液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(FLAIR，層厚為1 mm)矢狀位和軸位。必要時(shí)加做PET-CT及血管成像檢查。手術(shù)當(dāng)天，注冊(cè)標(biāo)記點(diǎn)粘貼在患者頭部，然后行頭顱CT掃描(層厚為0.625 mm，層間距為0)，圖像數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)械臂工作站后進(jìn)行圖像融合，將病灶、皮層及血管等進(jìn)行三維重建，設(shè)計(jì)手術(shù)路徑。使用病灶投射功能將病灶的邊緣形狀投射至顱骨三維重建模型表面，可在軟件中設(shè)計(jì)骨窗大小，根據(jù)模擬去除骨瓣效果適當(dāng)調(diào)整(圖1)?；颊呷楹?，頭架固定頭部，完成機(jī)械臂注冊(cè)，機(jī)械臂末端連接激光導(dǎo)向裝置，自動(dòng)描畫(huà)規(guī)劃骨瓣范圍(圖2)；切開(kāi)頭皮后可再次行骨瓣描畫(huà)，力求精準(zhǔn)。術(shù)后復(fù)查頭顱CT(層厚為0.625 mm，層間距為0)。

圖1 機(jī)械臂輔助顱內(nèi)占位病變切除手術(shù)計(jì)劃 圖2 術(shù)中病灶投影并設(shè)計(jì)手術(shù)切口

1.2.2 常規(guī)顱內(nèi)病灶體表定位 術(shù)前由主刀醫(yī)生根據(jù)患者CT、MRI等影像資料，以及體表解剖標(biāo)記進(jìn)行頭皮手術(shù)切口設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原則包括切口包含占位，距離占位病變最近，盡可能利用自然解剖間隙，盡可能減少對(duì)神經(jīng)、血管和腦組織的損傷。

1.3 手術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo) 統(tǒng)計(jì)兩種術(shù)前占位體表定位方式的骨窗面積、手術(shù)耗時(shí)及占位病變手術(shù)全切率。骨窗面積計(jì)算方法：(1)骨窗最大直徑(d)，為CT平掃層面上所測(cè)量最大的骨窗直徑；(2)骨窗高度(h)，骨窗最大直徑同一CT層面上所測(cè)量頭皮至該直徑線的垂直距離；(3)骨窗面積(A)，計(jì)算公式為A=π×[(d/2)2+h2]。手術(shù)耗時(shí)定義：術(shù)中切開(kāi)頭皮至縫合頭皮的時(shí)間。占位病變?nèi)新剩菏中g(shù)切除程度由一位神經(jīng)影像學(xué)專家及一位神經(jīng)外科醫(yī)生根據(jù)手術(shù)前后MRI上異常信號(hào)范圍對(duì)比變化確定；達(dá)到影像學(xué)上病變?nèi)谐幕颊叨x為手術(shù)全切除。

2 結(jié) 果

機(jī)械臂輔助組患者的術(shù)中骨窗面積為(83.33±15.72)cm2，常規(guī)手術(shù)組患者的骨窗面積為(113.72±11.93)cm2；機(jī)械臂輔助組患者的骨窗面積明顯小于常規(guī)手術(shù)組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。兩組患者的手術(shù)耗時(shí)及腫瘤手術(shù)全切率間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)(表1)。

表1 兩組患者的臨床資料及手術(shù)指標(biāo)比較

3 討 論

顱內(nèi)病灶的精準(zhǔn)定位是任何神經(jīng)外科手術(shù)的基本要求[11]，而術(shù)前在患者體表使用記號(hào)筆標(biāo)記手術(shù)切口更是每個(gè)外科醫(yī)生的必備技能。術(shù)前神經(jīng)外科醫(yī)生對(duì)病變的位置有一個(gè)大致印象并規(guī)劃暴露病變的路線。在缺乏神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的情況下，病灶與放射圖像上已知解剖結(jié)構(gòu)或標(biāo)志的距離可以測(cè)量并用于定位目標(biāo)。

既往這項(xiàng)工作基本是基于術(shù)前影像以及體表解剖標(biāo)記進(jìn)行頭皮手術(shù)切口設(shè)計(jì)，但往往會(huì)出現(xiàn)術(shù)前設(shè)計(jì)切口與術(shù)中實(shí)際病灶位置相偏離的現(xiàn)象。而如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，術(shù)中可能需要進(jìn)一步擴(kuò)大術(shù)窗，增加了正常腦組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)。較小或者位于深部腦組織的病變，對(duì)于術(shù)前入路準(zhǔn)確定位的要求則更高。

隨著頭皮切口和開(kāi)顱骨瓣尺寸最小化趨勢(shì)，對(duì)更準(zhǔn)確的定位的需求在神經(jīng)外科手術(shù)中不斷增加。國(guó)內(nèi)學(xué)者郭宇等[12]利用智能手機(jī)軟件，識(shí)別患者術(shù)前影像，鏡像翻轉(zhuǎn)后使圖像重疊至患者頭部從而定位病變位置。但是該軟件雖然使用較為方便，但是操作上存在一定難度，定位上需要拍攝患者正側(cè)位照片并與影像完全一致才能準(zhǔn)確定位，存在定位誤差、耗時(shí)較長(zhǎng)、手機(jī)無(wú)法兼容等問(wèn)題。神經(jīng)導(dǎo)航同樣是作為準(zhǔn)確定位顱內(nèi)占位的輔助設(shè)備。G?kyar等[13]應(yīng)用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)和MRI制作體表立體定位無(wú)框架病灶定位模型，其結(jié)果雖然具有可用性和可靠性，但更多地適用于淺表占位病變，對(duì)于腦深部占位病變的體表定位尚需進(jìn)一步研究。蘇國(guó)輝等[14]使用神經(jīng)導(dǎo)航輔助切除功能區(qū)膠質(zhì)瘤，結(jié)果顯示神經(jīng)導(dǎo)航具有定位準(zhǔn)確、可個(gè)體化選擇切口和手術(shù)入路、全切率高等優(yōu)點(diǎn)。但神經(jīng)導(dǎo)航定位耗時(shí)較長(zhǎng)，操作技術(shù)要求相對(duì)更高，且設(shè)備價(jià)格昂貴，尚不適合大規(guī)模推廣使用。Meola等[15]的一篇關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)的綜述指出，該技術(shù)的使用還需要進(jìn)行前瞻性研究，并且需要改進(jìn)設(shè)置使得其更具用戶兼容性；同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)模型也需要改進(jìn)以融合周圍環(huán)境。此外，近些年新興的技術(shù)之一三維增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)[16]也存在一些不足。其雖然旨在臨床干預(yù)過(guò)程中幫助醫(yī)生進(jìn)行空間推理，繼而實(shí)現(xiàn)在患者身上的手術(shù)計(jì)劃可視化；但由于會(huì)聚-調(diào)節(jié)沖突或其他硬件因素造成的三維虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備限制與傳統(tǒng)導(dǎo)航相比增加了約1.5 mm的誤差，這也限制了該設(shè)備在臨床環(huán)境中的使用。

隨著醫(yī)療技術(shù)的持續(xù)發(fā)展進(jìn)步，神經(jīng)外科機(jī)械臂在立體定向領(lǐng)域得以廣泛使用[17-19]。機(jī)械臂工作平臺(tái)包括一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、一個(gè)六軸機(jī)械臂和一個(gè)攝像頭。外科醫(yī)生可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)觀察頭部的多模態(tài)影像，規(guī)劃最佳的手術(shù)路徑；機(jī)械臂可以幫助外科醫(yī)生準(zhǔn)確定位手術(shù)部位，同時(shí)充當(dāng)多功能手術(shù)操作平臺(tái)；攝像頭可以進(jìn)行空間映射、實(shí)時(shí)跟蹤，利用獨(dú)特的標(biāo)識(shí)物自動(dòng)捕獲機(jī)械和患者頭部的空間位置，操作簡(jiǎn)單、輕便安全、精準(zhǔn)高效，確保機(jī)械臂沿著規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)到術(shù)前規(guī)劃的位置。當(dāng)前國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械臂主要有法國(guó)的Neuromate、加拿大的Neuro Arm等[20-21]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用神經(jīng)外科機(jī)械臂的手術(shù)主要包括DBS電極植入、立體定向活檢、立體定向血腫清除、置管引流術(shù)及損毀手術(shù)等。DBS是改善帕金森病相關(guān)運(yùn)動(dòng)癥狀的有效外科治療方法，決定患者預(yù)后的關(guān)鍵因素之一就是手術(shù)中電極植入的準(zhǔn)確定位。Moran等[22]對(duì)152例患者進(jìn)行回顧性分析并探討機(jī)械臂輔助電極植入治療帕金森病的臨床效果，其術(shù)后1年的臨床隨訪顯示機(jī)械臂輔助電極植入的DBS治療帕金森病的療效與傳統(tǒng)治療方法相當(dāng)。這也從側(cè)面證實(shí)了機(jī)械臂輔助定位的精確性和穩(wěn)定性。Wang等[23]對(duì)17例高血壓性腦出血患者的臨床資料進(jìn)行回顧性分析以驗(yàn)證醫(yī)用神經(jīng)外科機(jī)械臂治療高血壓性腦出血的微創(chuàng)手術(shù)方法和療效，結(jié)果顯示機(jī)械臂輔助立體定向技術(shù)能根據(jù)血腫形狀進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，準(zhǔn)確引導(dǎo)血腫穿刺。本研究所使用的國(guó)產(chǎn)Remebot機(jī)械臂系統(tǒng)由一個(gè)可360°自由旋轉(zhuǎn)六軸機(jī)械臂、一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)攝像機(jī)組成，可將CT和MRI等影像資料自動(dòng)融合；然后根據(jù)術(shù)前CT和MRI等影像資料，通過(guò)圖像灰度等級(jí)區(qū)分，實(shí)現(xiàn)像素級(jí)別的劃分，可以將占位病變與腦組織分割出來(lái)；利用連通域面積、形狀等特征進(jìn)行區(qū)分，可以單獨(dú)顯示皮膚、骨骼、腦組織、血管等，即可以達(dá)到一個(gè)較高精度的顱內(nèi)占位分割結(jié)果；該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，效率高。隨后自動(dòng)計(jì)算三維病灶形狀，并在患者顱骨體表形成醒目投影，激光幫助手術(shù)醫(yī)生定位并標(biāo)記切口，指導(dǎo)手術(shù)入路，避免不必要的術(shù)中探查，減少對(duì)腦組織的損傷。

本研究對(duì)15例顱內(nèi)占位患者術(shù)前進(jìn)行機(jī)械臂輔助體表定位，術(shù)前影像學(xué)檢查顯示占位病變均位于額、顳、頂部，主要位于大腦凸面及皮層。機(jī)械臂輔助手術(shù)組與常規(guī)手術(shù)組患者的手術(shù)指標(biāo)分析顯示，機(jī)械臂輔助手術(shù)組患者的術(shù)中骨窗面積為(83.33±15.72)cm2，常規(guī)手術(shù)組患者的骨窗面積為(113.72±11.93)cm2，兩組患者骨窗面積的差異有統(tǒng)計(jì)性意義(P<0.01)；而兩組患者手術(shù)耗時(shí)及手術(shù)全切率間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。

本研究機(jī)械臂輔助手術(shù)組患者術(shù)中在滿足術(shù)野要求的情況下，未出現(xiàn)因定位偏差而繼續(xù)擴(kuò)大骨窗、術(shù)中大出血、顱內(nèi)壓升高、急性非術(shù)區(qū)硬腦膜外血腫等并發(fā)癥。術(shù)后病理檢查顯示腫瘤病理性質(zhì)均為WHO Ⅰ-Ⅱ級(jí)的腦膜瘤及膠質(zhì)瘤。術(shù)后復(fù)查MRI顯示占位病變均完全切除，手術(shù)全切率100%；未出現(xiàn)顱內(nèi)出血、感染、癲癇發(fā)作等術(shù)后并發(fā)癥。術(shù)后半年及1年隨訪，15例患者均無(wú)神經(jīng)功能障礙，復(fù)查MRI均未見(jiàn)腫瘤復(fù)發(fā)。

機(jī)械臂的使用，其主要的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單易用，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)果可靠可用。機(jī)械臂的使用并未增加手術(shù)耗時(shí)，無(wú)需增加特殊裝備滿足定位需要；并且在不影響手術(shù)視野的情況下有效地減小了手術(shù)骨窗面積，降低了非術(shù)區(qū)腦組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)。本研究使用機(jī)械臂輔助顱內(nèi)占位病變體表定位，在術(shù)中未使用器械擴(kuò)大骨窗的情況下，手術(shù)全切率與常規(guī)手術(shù)無(wú)顯著差異；表明機(jī)械臂的輔助介入在提高顱內(nèi)占位體表定位精度的同時(shí)不會(huì)影響實(shí)際手術(shù)療效。21世紀(jì)以來(lái)，微創(chuàng)神經(jīng)外科學(xué)理念逐漸深入神經(jīng)外科的各個(gè)方面，其中很重要的一部分內(nèi)容便是微骨窗入路，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息學(xué)等多學(xué)科的合作。神經(jīng)外科機(jī)械臂的應(yīng)用完全符合微創(chuàng)神經(jīng)外科學(xué)理念，達(dá)到了腦腫瘤切除以最小創(chuàng)傷同時(shí)最大切除的目的[2,11]。Remebot神經(jīng)外科機(jī)械臂定位系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)正式獲批準(zhǔn)的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)械臂，當(dāng)前的應(yīng)用主要在于功能神經(jīng)外科中需要高精度保證的術(shù)式，而將該定位系統(tǒng)應(yīng)用于輔助顱內(nèi)病變體表投影定位，有助于擴(kuò)大該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步發(fā)揮其定位準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，采用機(jī)械臂輔助顱內(nèi)病灶體表投影定位選擇最佳切口入路，取得令人滿意的臨床效果。本研究的局限性是樣本量較小，后期將進(jìn)一步增加樣本量以評(píng)價(jià)其安全性和穩(wěn)定性。并且后續(xù)可進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，如更深層次或者顱底、后顱窩等復(fù)雜區(qū)域的占位病變的體表定位。該技術(shù)對(duì)神經(jīng)外科腫瘤切除手術(shù)的深遠(yuǎn)影響還有待更長(zhǎng)時(shí)間的隨訪觀察。機(jī)械臂輔助病灶體表定位操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，能夠準(zhǔn)確地定位顱內(nèi)病灶在頭部體表的投影，幫助術(shù)者設(shè)計(jì)最佳手術(shù)入路，在最短路徑到達(dá)病灶的同時(shí)盡可能地降低腦組織的損傷，提高患者手術(shù)耐受性，達(dá)到了準(zhǔn)確、微創(chuàng)、快捷的目的。該技術(shù)還具有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用于其他術(shù)式的潛力。