混合現實電磁術中導航技術在神經外科手術中的應用

趙振宇,陳凌,劉嘉霖,孫國臣,魯通,王健,沈少平,張治中,李云利,李鑫,白玉名,潘吉鑫,熊遠毅,沙洪飛，余新光

現代神經外科手術理念是精準切除病變且最大程度保護神經功能, 因此導航在神經外科術中應用不可或缺。混合現實技術(mixed reality，MR) 是應用計算機將影像學資料生成虛擬圖像并與現場的真實場景疊加，實現虛擬與真實場景的互動。本研究通過應用混合現實多模態導航系統技術對2018年5月—2018年6月解放軍總醫院神經外科收治的4例病例制定手術方案并實施術中導航，現報告如下。

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、膠質瘤、顱內淋巴瘤、腦膿腫(表1)。治療方案申請并獲得解放軍總醫院倫理委員會批準，4例患者均被告知并簽署參與研究的知情同意書。

表1 患者臨床資料和病理結果

1.2 影像學數據獲取 頭顱影像原始數據(西門子GE 64排螺旋CT，西門子1.5 T術中MRI) 通過院內網PACS軟件系統獲取。CT普通平掃層厚5 mm，CTA數據層厚0.5 mm，顱骨數據層厚2 mm，MRI數據層厚1 mm。數據格式為 Dicom。

1.3 混合現實圖像重建和導航 患者頭部帶4-6枚脂溶性標記物，術前行顱腦MRI掃描，混合現實導航系統術前使用自研工作站軟件(StarSource V1.0 Beta)，通過患者的Dicom數據重建出病灶部位的多模態三維解剖模型，含有皮膚、顱內動靜脈以及病變結構，應用彌散張量成像技術重建錐體束、視放射及弓形束等神經結構，導航計劃輸入導航系統(Medtronic StealthStation i7)，生成手術計劃文件(v3d)。手術前將手術計劃文件傳到自研手術室客戶端(StarNav V1.0 Beta)軟件中并運行導航軟件。將磁導航設備的磁場發射器(加拿大NDI，Aurora)擺放到患者頭部邊緣，距離不超10 cm，在患者對側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)完成點注冊。術者佩戴Hololens眼鏡(Microsoft，美國微軟)將虛擬的全息圖像融合疊加于患者頭部，并將導航影像投射到手術顯微鏡(德國OPMI Pentero，Carl Zeiss) 用來輔助手術。術前術中導航定位均同時應用德國博醫來(BrainLab)導航系統進行同步對照驗證(圖1)。

A：混合現實神經外科術中導航系統重建的虛擬3D病變； B：根據術者習慣可以移動虛擬3D病變圖像； C：顯示兩種導航結果的一致性； D：混合現實神經外科術中導航與BrainLab導航結果一致

1.4 手術方法 4例神經外科患者術前均使用混合現實神經外科導航系統重建病變，設計手術切口和選擇手術入路，并在全麻氣管插管下順利完成手術。

2 結 果

4例患者均成功進行術前計劃并順利完成手術。同時應用BrainLab導航病變的邊界，結果與MR導航結果完全吻合。應用MR導航技術實施2例深部病變的手術導航，手術情況及術中術后復查現實MR導航位置準確。患者術后未出現新發癥狀，無手術相關并發癥，均按時出院。

2.1 病例1 患者女，50歲，因頭痛1個月入院，神經系統查體無陽性體征。術前MRI檢查示右額部腫瘤，大小約2.4 cm×2.1 cm，與硬腦膜關系密切，局部可見“鼠尾征”。患者進入手術室后在術中磁共振檢查室完善術前MRI檢查，患者進行插管麻醉的同時，術者進行數據處理，配準重建三維圖像并導入導航系統i7，術者佩戴Hololens眼鏡可見綠色腫瘤的三維虛擬圖像和紅色的腦靜脈系統圖像，顱骨及頭皮透明化。根據腫瘤在頭部的投影，采取右額部弧形切口(圖2)，同時BrainLab導航進行定位表明兩種導航結果一致，進行開顱手術證實導航定位準確，銑開骨瓣見硬腦膜與骨瓣粘連緊密，切開硬腦膜見腫瘤灰白、質韌，顯微鏡下全切腫瘤及其基底硬腦膜，取骨膜修補硬腦膜，磨除增生及破壞的顱骨內板，逐層關顱。術后患者無新發神經功能癥狀。CT 提示術區無明顯出血，術后1周傷口拆線出院。病理報告為腦膜瘤，WHO Ⅰ 級。隨訪患者現無不適主訴及陽性體征。

A：1.5 T T1增強MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：術者佩戴HoloLens 眼鏡可見3D圖像； E：根據混合現實神經外科術中導航系統標記的病變，設計腦膜瘤手術皮瓣，綠色代表腦膜瘤，用紅色標記靜脈竇和動脈

2.2 病例2 患者男，40歲，因頭痛半個月入院，神經系統查體無陽性體征。術前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T2，增強見環形強化和囊變，累及胼胝體。術者重建MR圖像并導入導航系統i7，佩戴Hololens眼鏡可見綠色腫瘤的三維虛擬圖像，靜脈系統標記為紫色，腦室系統標記為淺藍色。BrainLab導航進行定位表明兩種導航結果一致，術者應用MR多模態導航標記腫瘤體表投影，采取右額部弧形切口(圖3)，銑開骨瓣后神經電生理監測定位中央溝等功能區，額中回造瘺分塊切除腫瘤，灰白、質軟，顯微鏡下按計劃全切腫瘤。術后患者無新發神經功能癥狀。復查顱腦CT未見出血，術后 1 周傷口拆線出院。術后報告為膠質母細胞瘤，WHO Ⅳ級。患者因腫瘤復發于2021年1月死亡，生存時間32個月。

A：1.5 T T1增強MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：根據混合現實神經外科術中導航系統標記的病變，設計膠質母細胞瘤手術皮瓣； E：重建3D混合現實圖像，綠色標記病變，靜脈竇和動脈用紫色標記，淺藍色標識腦室

2.3 病例3 患者男，58歲，因頭痛伴右側肢體肌力減弱1周入院，查體：顱神經未見明顯異常，右側肢體肌力Ⅲ級，感覺無異常，余神經系統查體無陽性體征。術前MRI檢查示左側丘腦腫瘤，病變大小約4.1 cm×3.7 cm，等T1長T2，增強見均勻強化，考慮顱內淋巴瘤可能性大。術者重建MR圖像并導入導航系統i7，佩戴Hololens眼鏡可見綠色腫瘤的三維虛擬圖像，紅色動脈系統，紫色靜脈竇和淺藍色腦室系統。BrainLab導航進行定位表明兩種導航結果一致，按照MR導航系統選擇左顳部直切口，顱骨鉆孔后，術者在Hololens眼鏡中可直觀選擇避開腦血管的最佳穿刺路徑，用Varioguide無框架立體定向系統取腫瘤組織活檢，穿刺針到達MR導航活檢位置后吸取8條病變組織，注入0.5 mL空氣后撤出穿刺針。術中MRI顯示穿刺活檢位置理想，無出血損傷(圖4)。術后患者右側肢體肌力Ⅳ級，術后1周傷口拆線。術后病理為彌漫大B淋巴細胞瘤，轉血液科行化療。隨訪患者現無不適主訴，四肢肌力感覺無明顯異常。

A：1.5 T T1增強MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：活檢后術中MRI 冠狀位； E：矢狀位； F：軸位； G：應用混合現實神經外科術中導航系統進行淋巴瘤活檢； H：重建3D混合現實圖像，粉色標識穿刺的方向和位置，綠色標識病變，紅色標識動脈，紫色標識靜脈竇，淺藍色標識腦室系統

2.4 病例4 患者女，44歲，因左側肢體無力1周入院，查體：左側肢體肌力0級，感覺無異常，左側病理征陽性。術前MRI檢查示右額葉占位性病變，病變大小約5.2 cm×4.1 cm，環形強化，診斷為腦膿腫。術者進行MR圖像重建并導入導航系統i7，佩戴Hololens眼鏡可見黃色腦膿腫的三維虛擬圖像，可見紅色動脈系統，紫色靜脈竇和淺藍色腦室系統的三維虛擬圖像。BrainLab導航進行定位表明兩種導航結果一致，選擇右額部冠狀縫直切口，應用MR多模態導航引導下鉆骨孔，十字切開硬腦膜，避開藍色靜脈穿刺針沿導航方向進針4 cm到達膿腔，可見引流管內黃色濃稠液體流出，萬古霉素鹽水反復沖洗引流，放置引流管后逐層縫合(圖5)。術后患者左側肢體肌力Ⅳ級，術后1周傷口拆線。膿液培養結果為肺炎克雷伯菌，術后給予美洛培南，利奈唑胺等藥物治療。隨訪患者現無不適主訴，四肢肌力感覺無明顯異常。

A：1.5 T T1增強MRI圖像冠狀位； B：矢狀位； C：軸位； D：應用混合現實神經外科術中導航系統行腦膿腫引流術，黃色標識腦膿腫，紅色標識動脈，藍色標識靜脈竇，淺藍色標識腦室系統

3 討 論

神經系統解剖相對復雜，現在手術越來越重視保護神經功能，減少術后并發癥[1]，因此精確導航在神經外科手術中的應用越來越廣泛。神經導航可以融合MRI、MRA、MRV、DTI等多種影像數據，實現快速地圖像重建[2]。術者可以通過標注病變、腦組織、血管、神經傳導束等結構的圖像，明確病變位置及與周圍結構的相互關系[3]，并可將手術計劃傳輸到導航工作站實現術中定位功能。

但現有光學神經導航設備價格昂貴且操作過程比較復雜，很多醫院未普及使用。現有光學導航結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，術者需要在腦海中轉化為3D位置關系并與患者真實解剖體位相對應，這依賴術者豐富的解剖知識及手術經驗。如果術中根據體位需要進行手術床角度調整、調整手術入路角度，病變角度及位置發生相應的改變時，需要術者重新在腦中構建患者解剖相對位置。這需要通過長時間反復訓練，而且可能存在不規范化、不標準化，不易學習掌握的缺點。常規導航需要術者將視線從術區轉移到監視器，這種轉換過程加長了手術時間，來回轉移視線也增加手術風險。混合現實相對價格便宜易于操作，可成為沒有配備光學導航單位的備選技術。

MR技術通過生成虛擬圖像并投射到手術現實環境中，可直觀地可視化顯示出患者的病變，因此已應用于骨科、肝膽外科、泌尿外科等手術中[4-13]。神經外科應用MR技術可直接將病變、頭皮、顱骨、神經纖維束、腦室、血管等結構三維可視化，并可通過測量病變與解剖標志物之間的距離進行術中導航[12-13]。

在本研究中，應用MR多模態導航系統為4例患者設計手術入路并實施術中導航，獲得較理想的效果，總結體會：(1)MR重建的虛擬圖像直觀可視化在手術環境中可與患者完全重合，較現有的光學導航無需術者根據導航圖像在腦中重建三維圖像，也無需術者反復抬頭看導航顯示器，減少視線和注意力在術區和導航監視器間轉換；(2)設計手術入路時，可在手術環境中將重建的圖像與患者頭部疊加，達到混合現實的效果。術中可直接看見病變在患者頭部的投影，患者病變、皮瓣、骨瓣可視化直觀清晰，根據病變可快速勾畫出其邊界(圖2D)。手術切口較常規導航簡單易行，較傳統光學導航勾畫病變時反復確認病變邊界的時間少；(3)對于深部或功能區的病變，MR導航可讓術者直觀客觀地看清楚術區的解剖關系，便于術前制定手術方案，如磨除顱骨的范圍，切除腫瘤時皮層造瘺的位置。術中根據腫瘤與錐體束、重要血管、腦室等的關系指導手術，圖像直觀可視化避免主觀判斷的誤差，盡可能最大程度切除病變且減少神經功能損傷[11]；(4)對于深部穿刺活檢的患者，MR導航可直觀全息地呈現出病變及臨近周圍的解剖結構，為術者提供了科學安全的穿刺路徑[14]。如病例3淋巴瘤穿刺活檢，通過MR導航可直視淋巴瘤周圍的血管，避開血管設計穿刺路徑(圖4H)。病例4通過MR術中導航技術可顯示出腦膿腫壁后方的一條血管(圖5D)，如果沒有MR導航技術提供虛擬圖像和導航，僅用傳統光學導航時，術者很難發現深部病變的血管位置，也不容易選擇最佳穿刺角度避開血管，極可能產生術后血腫等手術并發癥。

此外MR導航技術具有直視全息的優勢，可用于術前談話，以更好地讓患者及家屬理解病情和手術風險。同時也可改變傳統的外科醫師培訓學習模式，提高醫師成長速度[15-16]。但是該技術也具有神經導航系統的缺陷，在手術過程中會出現“腦漂移”問題。此時術者可輔以術中MRI，術中超聲等實時成像在某種程度上進行糾正偏差[17-19]。由于本研究例數較少，暫時不能得出影響療效的結論，但是隨著病例積累和技術升級，今后MR導航可實現光、電磁混合導航技術并與手術機器人相結合，在神經外科手術中有更廣闊深遠的應用價值。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。