混合現(xiàn)實(shí)電磁術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用

趙振宇,陳凌,劉嘉霖,孫國(guó)臣,魯通,王健,沈少平,張治中,李云利,李鑫,白玉名,潘吉鑫,熊遠(yuǎn)毅,沙洪飛，余新光

現(xiàn)代神經(jīng)外科手術(shù)理念是精準(zhǔn)切除病變且最大程度保護(hù)神經(jīng)功能, 因此導(dǎo)航在神經(jīng)外科術(shù)中應(yīng)用不可或缺?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)(mixed reality，MR) 是應(yīng)用計(jì)算機(jī)將影像學(xué)資料生成虛擬圖像并與現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景疊加，實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)。本研究通過(guò)應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)多模態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)對(duì)2018年5月—2018年6月解放軍總醫(yī)院神經(jīng)外科收治的4例病例制定手術(shù)方案并實(shí)施術(shù)中導(dǎo)航，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 共納入4例患者，其中男2例，女2例，診斷分別為腦膜瘤、膠質(zhì)瘤、顱內(nèi)淋巴瘤、腦膿腫(表1)。治療方案申請(qǐng)并獲得解放軍總醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，4例患者均被告知并簽署參與研究的知情同意書(shū)。

表1 患者臨床資料和病理結(jié)果

1.2 影像學(xué)數(shù)據(jù)獲取 頭顱影像原始數(shù)據(jù)(西門(mén)子GE 64排螺旋CT，西門(mén)子1.5 T術(shù)中MRI) 通過(guò)院內(nèi)網(wǎng)PACS軟件系統(tǒng)獲取。CT普通平掃層厚5 mm，CTA數(shù)據(jù)層厚0.5 mm，顱骨數(shù)據(jù)層厚2 mm，MRI數(shù)據(jù)層厚1 mm。數(shù)據(jù)格式為 Dicom。

1.3 混合現(xiàn)實(shí)圖像重建和導(dǎo)航 患者頭部帶4-6枚脂溶性標(biāo)記物，術(shù)前行顱腦MRI掃描，混合現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)前使用自研工作站軟件(StarSource V1.0 Beta)，通過(guò)患者的Dicom數(shù)據(jù)重建出病灶部位的多模態(tài)三維解剖模型，含有皮膚、顱內(nèi)動(dòng)靜脈以及病變結(jié)構(gòu)，應(yīng)用彌散張量成像技術(shù)重建錐體束、視放射及弓形束等神經(jīng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)航計(jì)劃輸入導(dǎo)航系統(tǒng)(Medtronic StealthStation i7)，生成手術(shù)計(jì)劃文件(v3d)。手術(shù)前將手術(shù)計(jì)劃文件傳到自研手術(shù)室客戶(hù)端(StarNav V1.0 Beta)軟件中并運(yùn)行導(dǎo)航軟件。將磁導(dǎo)航設(shè)備的磁場(chǎng)發(fā)射器(加拿大NDI，Aurora)擺放到患者頭部邊緣，距離不超10 cm，在患者對(duì)側(cè)顳部粘附配套的六自由度追蹤部件(NDI,Part Number 610066)，使用六自由度探針工具(Part Number 610065)完成點(diǎn)注冊(cè)。術(shù)者佩戴Hololens眼鏡(Microsoft，美國(guó)微軟)將虛擬的全息圖像融合疊加于患者頭部，并將導(dǎo)航影像投射到手術(shù)顯微鏡(德國(guó)OPMI Pentero，Carl Zeiss) 用來(lái)輔助手術(shù)。術(shù)前術(shù)中導(dǎo)航定位均同時(shí)應(yīng)用德國(guó)博醫(yī)來(lái)(BrainLab)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行同步對(duì)照驗(yàn)證(圖1)。

A：混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)重建的虛擬3D病變； B：根據(jù)術(shù)者習(xí)慣可以移動(dòng)虛擬3D病變圖像； C：顯示兩種導(dǎo)航結(jié)果的一致性； D：混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航與BrainLab導(dǎo)航結(jié)果一致

1.4 手術(shù)方法 4例神經(jīng)外科患者術(shù)前均使用混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)重建病變，設(shè)計(jì)手術(shù)切口和選擇手術(shù)入路，并在全麻氣管插管下順利完成手術(shù)。

2 結(jié) 果

4例患者均成功進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃并順利完成手術(shù)。同時(shí)應(yīng)用BrainLab導(dǎo)航病變的邊界，結(jié)果與MR導(dǎo)航結(jié)果完全吻合。應(yīng)用MR導(dǎo)航技術(shù)實(shí)施2例深部病變的手術(shù)導(dǎo)航，手術(shù)情況及術(shù)中術(shù)后復(fù)查現(xiàn)實(shí)MR導(dǎo)航位置準(zhǔn)確。患者術(shù)后未出現(xiàn)新發(fā)癥狀，無(wú)手術(shù)相關(guān)并發(fā)癥，均按時(shí)出院。

2.1 病例1 患者女，50歲，因頭痛1個(gè)月入院，神經(jīng)系統(tǒng)查體無(wú)陽(yáng)性體征。術(shù)前MRI檢查示右額部腫瘤，大小約2.4 cm×2.1 cm，與硬腦膜關(guān)系密切，局部可見(jiàn)“鼠尾征”。患者進(jìn)入手術(shù)室后在術(shù)中磁共振檢查室完善術(shù)前MRI檢查，患者進(jìn)行插管麻醉的同時(shí)，術(shù)者進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，配準(zhǔn)重建三維圖像并導(dǎo)入導(dǎo)航系統(tǒng)i7，術(shù)者佩戴Hololens眼鏡可見(jiàn)綠色腫瘤的三維虛擬圖像和紅色的腦靜脈系統(tǒng)圖像，顱骨及頭皮透明化。根據(jù)腫瘤在頭部的投影，采取右額部弧形切口(圖2)，同時(shí)BrainLab導(dǎo)航進(jìn)行定位表明兩種導(dǎo)航結(jié)果一致，進(jìn)行開(kāi)顱手術(shù)證實(shí)導(dǎo)航定位準(zhǔn)確，銑開(kāi)骨瓣見(jiàn)硬腦膜與骨瓣粘連緊密，切開(kāi)硬腦膜見(jiàn)腫瘤灰白、質(zhì)韌，顯微鏡下全切腫瘤及其基底硬腦膜，取骨膜修補(bǔ)硬腦膜，磨除增生及破壞的顱骨內(nèi)板，逐層關(guān)顱。術(shù)后患者無(wú)新發(fā)神經(jīng)功能癥狀。CT 提示術(shù)區(qū)無(wú)明顯出血，術(shù)后1周傷口拆線(xiàn)出院。病理報(bào)告為腦膜瘤，WHO Ⅰ 級(jí)。隨訪(fǎng)患者現(xiàn)無(wú)不適主訴及陽(yáng)性體征。

A：1.5 T T1增強(qiáng)MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：術(shù)者佩戴HoloLens 眼鏡可見(jiàn)3D圖像； E：根據(jù)混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)記的病變，設(shè)計(jì)腦膜瘤手術(shù)皮瓣，綠色代表腦膜瘤，用紅色標(biāo)記靜脈竇和動(dòng)脈

2.2 病例2 患者男，40歲，因頭痛半個(gè)月入院，神經(jīng)系統(tǒng)查體無(wú)陽(yáng)性體征。術(shù)前MRI檢查示右額葉占位性病變，大小約6.5 cm×5.4 cm，混雜T1，長(zhǎng)T2，增強(qiáng)見(jiàn)環(huán)形強(qiáng)化和囊變，累及胼胝體。術(shù)者重建MR圖像并導(dǎo)入導(dǎo)航系統(tǒng)i7，佩戴Hololens眼鏡可見(jiàn)綠色腫瘤的三維虛擬圖像，靜脈系統(tǒng)標(biāo)記為紫色，腦室系統(tǒng)標(biāo)記為淺藍(lán)色。BrainLab導(dǎo)航進(jìn)行定位表明兩種導(dǎo)航結(jié)果一致，術(shù)者應(yīng)用MR多模態(tài)導(dǎo)航標(biāo)記腫瘤體表投影，采取右額部弧形切口(圖3)，銑開(kāi)骨瓣后神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)定位中央溝等功能區(qū)，額中回造瘺分塊切除腫瘤，灰白、質(zhì)軟，顯微鏡下按計(jì)劃全切腫瘤。術(shù)后患者無(wú)新發(fā)神經(jīng)功能癥狀。復(fù)查顱腦CT未見(jiàn)出血，術(shù)后 1 周傷口拆線(xiàn)出院。術(shù)后報(bào)告為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，WHO Ⅳ級(jí)。患者因腫瘤復(fù)發(fā)于2021年1月死亡，生存時(shí)間32個(gè)月。

A：1.5 T T1增強(qiáng)MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：根據(jù)混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)記的病變，設(shè)計(jì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤手術(shù)皮瓣； E：重建3D混合現(xiàn)實(shí)圖像，綠色標(biāo)記病變，靜脈竇和動(dòng)脈用紫色標(biāo)記，淺藍(lán)色標(biāo)識(shí)腦室

2.3 病例3 患者男，58歲，因頭痛伴右側(cè)肢體肌力減弱1周入院，查體：顱神經(jīng)未見(jiàn)明顯異常，右側(cè)肢體肌力Ⅲ級(jí)，感覺(jué)無(wú)異常，余神經(jīng)系統(tǒng)查體無(wú)陽(yáng)性體征。術(shù)前MRI檢查示左側(cè)丘腦腫瘤，病變大小約4.1 cm×3.7 cm，等T1長(zhǎng)T2，增強(qiáng)見(jiàn)均勻強(qiáng)化，考慮顱內(nèi)淋巴瘤可能性大。術(shù)者重建MR圖像并導(dǎo)入導(dǎo)航系統(tǒng)i7，佩戴Hololens眼鏡可見(jiàn)綠色腫瘤的三維虛擬圖像，紅色動(dòng)脈系統(tǒng)，紫色靜脈竇和淺藍(lán)色腦室系統(tǒng)。BrainLab導(dǎo)航進(jìn)行定位表明兩種導(dǎo)航結(jié)果一致，按照MR導(dǎo)航系統(tǒng)選擇左顳部直切口，顱骨鉆孔后，術(shù)者在Hololens眼鏡中可直觀(guān)選擇避開(kāi)腦血管的最佳穿刺路徑，用Varioguide無(wú)框架立體定向系統(tǒng)取腫瘤組織活檢，穿刺針到達(dá)MR導(dǎo)航活檢位置后吸取8條病變組織，注入0.5 mL空氣后撤出穿刺針。術(shù)中MRI顯示穿刺活檢位置理想，無(wú)出血損傷(圖4)。術(shù)后患者右側(cè)肢體肌力Ⅳ級(jí)，術(shù)后1周傷口拆線(xiàn)。術(shù)后病理為彌漫大B淋巴細(xì)胞瘤，轉(zhuǎn)血液科行化療。隨訪(fǎng)患者現(xiàn)無(wú)不適主訴，四肢肌力感覺(jué)無(wú)明顯異常。

A：1.5 T T1增強(qiáng)MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：活檢后術(shù)中MRI 冠狀位； E：矢狀位； F：軸位； G：應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行淋巴瘤活檢； H：重建3D混合現(xiàn)實(shí)圖像，粉色標(biāo)識(shí)穿刺的方向和位置，綠色標(biāo)識(shí)病變，紅色標(biāo)識(shí)動(dòng)脈，紫色標(biāo)識(shí)靜脈竇，淺藍(lán)色標(biāo)識(shí)腦室系統(tǒng)

2.4 病例4 患者女，44歲，因左側(cè)肢體無(wú)力1周入院，查體：左側(cè)肢體肌力0級(jí)，感覺(jué)無(wú)異常，左側(cè)病理征陽(yáng)性。術(shù)前MRI檢查示右額葉占位性病變，病變大小約5.2 cm×4.1 cm，環(huán)形強(qiáng)化，診斷為腦膿腫。術(shù)者進(jìn)行MR圖像重建并導(dǎo)入導(dǎo)航系統(tǒng)i7，佩戴Hololens眼鏡可見(jiàn)黃色腦膿腫的三維虛擬圖像，可見(jiàn)紅色動(dòng)脈系統(tǒng)，紫色靜脈竇和淺藍(lán)色腦室系統(tǒng)的三維虛擬圖像。BrainLab導(dǎo)航進(jìn)行定位表明兩種導(dǎo)航結(jié)果一致，選擇右額部冠狀縫直切口，應(yīng)用MR多模態(tài)導(dǎo)航引導(dǎo)下鉆骨孔，十字切開(kāi)硬腦膜，避開(kāi)藍(lán)色靜脈穿刺針沿導(dǎo)航方向進(jìn)針4 cm到達(dá)膿腔，可見(jiàn)引流管內(nèi)黃色濃稠液體流出，萬(wàn)古霉素鹽水反復(fù)沖洗引流，放置引流管后逐層縫合(圖5)。術(shù)后患者左側(cè)肢體肌力Ⅳ級(jí)，術(shù)后1周傷口拆線(xiàn)。膿液培養(yǎng)結(jié)果為肺炎克雷伯菌，術(shù)后給予美洛培南，利奈唑胺等藥物治療。隨訪(fǎng)患者現(xiàn)無(wú)不適主訴，四肢肌力感覺(jué)無(wú)明顯異常。

A：1.5 T T1增強(qiáng)MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)行腦膿腫引流術(shù)，黃色標(biāo)識(shí)腦膿腫，紅色標(biāo)識(shí)動(dòng)脈，藍(lán)色標(biāo)識(shí)靜脈竇，淺藍(lán)色標(biāo)識(shí)腦室系統(tǒng)

3 討 論

神經(jīng)系統(tǒng)解剖相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)在手術(shù)越來(lái)越重視保護(hù)神經(jīng)功能，減少術(shù)后并發(fā)癥[1]，因此精確導(dǎo)航在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。神經(jīng)導(dǎo)航可以融合MRI、MRA、MRV、DTI等多種影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速地圖像重建[2]。術(shù)者可以通過(guò)標(biāo)注病變、腦組織、血管、神經(jīng)傳導(dǎo)束等結(jié)構(gòu)的圖像，明確病變位置及與周?chē)Y(jié)構(gòu)的相互關(guān)系[3]，并可將手術(shù)計(jì)劃傳輸?shù)綄?dǎo)航工作站實(shí)現(xiàn)術(shù)中定位功能。

但現(xiàn)有光學(xué)神經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備價(jià)格昂貴且操作過(guò)程比較復(fù)雜，很多醫(yī)院未普及使用。現(xiàn)有光學(xué)導(dǎo)航結(jié)果在顯示器中通常是平面圖像，即使三維重建的圖像也是顯示為降維的二維圖像，術(shù)者需要在腦海中轉(zhuǎn)化為3D位置關(guān)系并與患者真實(shí)解剖體位相對(duì)應(yīng)，這依賴(lài)術(shù)者豐富的解剖知識(shí)及手術(shù)經(jīng)驗(yàn)。如果術(shù)中根據(jù)體位需要進(jìn)行手術(shù)床角度調(diào)整、調(diào)整手術(shù)入路角度，病變角度及位置發(fā)生相應(yīng)的改變時(shí)，需要術(shù)者重新在腦中構(gòu)建患者解剖相對(duì)位置。這需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)訓(xùn)練，而且可能存在不規(guī)范化、不標(biāo)準(zhǔn)化，不易學(xué)習(xí)掌握的缺點(diǎn)。常規(guī)導(dǎo)航需要術(shù)者將視線(xiàn)從術(shù)區(qū)轉(zhuǎn)移到監(jiān)視器，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程加長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間，來(lái)回轉(zhuǎn)移視線(xiàn)也增加手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。混合現(xiàn)實(shí)相對(duì)價(jià)格便宜易于操作，可成為沒(méi)有配備光學(xué)導(dǎo)航單位的備選技術(shù)。

MR技術(shù)通過(guò)生成虛擬圖像并投射到手術(shù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，可直觀(guān)地可視化顯示出患者的病變，因此已應(yīng)用于骨科、肝膽外科、泌尿外科等手術(shù)中[4-13]。神經(jīng)外科應(yīng)用MR技術(shù)可直接將病變、頭皮、顱骨、神經(jīng)纖維束、腦室、血管等結(jié)構(gòu)三維可視化，并可通過(guò)測(cè)量病變與解剖標(biāo)志物之間的距離進(jìn)行術(shù)中導(dǎo)航[12-13]。

在本研究中，應(yīng)用MR多模態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)為4例患者設(shè)計(jì)手術(shù)入路并實(shí)施術(shù)中導(dǎo)航，獲得較理想的效果，總結(jié)體會(huì)：(1)MR重建的虛擬圖像直觀(guān)可視化在手術(shù)環(huán)境中可與患者完全重合，較現(xiàn)有的光學(xué)導(dǎo)航無(wú)需術(shù)者根據(jù)導(dǎo)航圖像在腦中重建三維圖像，也無(wú)需術(shù)者反復(fù)抬頭看導(dǎo)航顯示器，減少視線(xiàn)和注意力在術(shù)區(qū)和導(dǎo)航監(jiān)視器間轉(zhuǎn)換；(2)設(shè)計(jì)手術(shù)入路時(shí)，可在手術(shù)環(huán)境中將重建的圖像與患者頭部疊加，達(dá)到混合現(xiàn)實(shí)的效果。術(shù)中可直接看見(jiàn)病變?cè)诨颊哳^部的投影，患者病變、皮瓣、骨瓣可視化直觀(guān)清晰，根據(jù)病變可快速勾畫(huà)出其邊界(圖2D)。手術(shù)切口較常規(guī)導(dǎo)航簡(jiǎn)單易行，較傳統(tǒng)光學(xué)導(dǎo)航勾畫(huà)病變時(shí)反復(fù)確認(rèn)病變邊界的時(shí)間少；(3)對(duì)于深部或功能區(qū)的病變，MR導(dǎo)航可讓術(shù)者直觀(guān)客觀(guān)地看清楚術(shù)區(qū)的解剖關(guān)系，便于術(shù)前制定手術(shù)方案，如磨除顱骨的范圍，切除腫瘤時(shí)皮層造瘺的位置。術(shù)中根據(jù)腫瘤與錐體束、重要血管、腦室等的關(guān)系指導(dǎo)手術(shù)，圖像直觀(guān)可視化避免主觀(guān)判斷的誤差，盡可能最大程度切除病變且減少神經(jīng)功能損傷[11]；(4)對(duì)于深部穿刺活檢的患者，MR導(dǎo)航可直觀(guān)全息地呈現(xiàn)出病變及臨近周?chē)慕馄式Y(jié)構(gòu)，為術(shù)者提供了科學(xué)安全的穿刺路徑[14]。如病例3淋巴瘤穿刺活檢，通過(guò)MR導(dǎo)航可直視淋巴瘤周?chē)难?，避開(kāi)血管設(shè)計(jì)穿刺路徑(圖4H)。病例4通過(guò)MR術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)可顯示出腦膿腫壁后方的一條血管(圖5D)，如果沒(méi)有MR導(dǎo)航技術(shù)提供虛擬圖像和導(dǎo)航，僅用傳統(tǒng)光學(xué)導(dǎo)航時(shí)，術(shù)者很難發(fā)現(xiàn)深部病變的血管位置，也不容易選擇最佳穿刺角度避開(kāi)血管，極可能產(chǎn)生術(shù)后血腫等手術(shù)并發(fā)癥。

此外MR導(dǎo)航技術(shù)具有直視全息的優(yōu)勢(shì)，可用于術(shù)前談話(huà)，以更好地讓患者及家屬理解病情和手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)也可改變傳統(tǒng)的外科醫(yī)師培訓(xùn)學(xué)習(xí)模式，提高醫(yī)師成長(zhǎng)速度[15-16]。但是該技術(shù)也具有神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的缺陷，在手術(shù)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“腦漂移”問(wèn)題。此時(shí)術(shù)者可輔以術(shù)中MRI，術(shù)中超聲等實(shí)時(shí)成像在某種程度上進(jìn)行糾正偏差[17-19]。由于本研究例數(shù)較少，暫時(shí)不能得出影響療效的結(jié)論，但是隨著病例積累和技術(shù)升級(jí)，今后MR導(dǎo)航可實(shí)現(xiàn)光、電磁混合導(dǎo)航技術(shù)并與手術(shù)機(jī)器人相結(jié)合，在神經(jīng)外科手術(shù)中有更廣闊深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。