多模態(tài)影像融合及神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)在小兒神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用

趙崇舜，王勇強，陳 民，王杭州

（蘇州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院 神經(jīng)外科，江蘇 蘇州 215006）

小兒神經(jīng)外科是一個具有較高難度的專業(yè)領(lǐng)域，與其他神經(jīng)外科亞專業(yè)類似，需要從業(yè)醫(yī)師具有扎實的醫(yī)學(xué)知識和嫻熟的專業(yè)技能，并具有良好的學(xué)習(xí)掌握能力。但不同于成人神經(jīng)外科，小兒神經(jīng)外科涉及嬰幼兒和兒童的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，由于小兒的生理特點，其神經(jīng)、血管等組織較成人更加纖細脆弱，手術(shù)操作空間也更為狹窄，因此需要醫(yī)師詳細了解并掌握嬰幼兒和兒童神經(jīng)系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)，以便準確定位和處理病變，避免產(chǎn)生醫(yī)源性創(chuàng)傷。同時，小兒的解剖結(jié)構(gòu)相對成人復(fù)雜且處于不斷生長變化中，許多體表標志或骨性標志不似成人般準確可靠，因此，訓(xùn)練并掌握全面的神經(jīng)系統(tǒng)解剖知識和優(yōu)秀的空間想象能力是小兒神經(jīng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)中極為重要的一環(huán)。近年來，隨著計算機及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，在全世界神經(jīng)外科領(lǐng)域，多模態(tài)影像融合與重建技術(shù)和神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)逐漸融入小兒神經(jīng)外科的臨床應(yīng)用［1］，其特有的優(yōu)勢在于可以讓醫(yī)師直觀地檢視每個病人的三維圖像，確認病灶位置與毗鄰結(jié)構(gòu)，并在無創(chuàng)前提下進行確認定位。這大大降低了神經(jīng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)難度，優(yōu)化了低年資醫(yī)師的成長曲線。近年來，蘇州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院神經(jīng)外科將多模態(tài)影像融合及神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于小兒神經(jīng)外科的教學(xué)工作中，本文試探討其應(yīng)用效果及前景。

一、多模態(tài)影像融合技術(shù)

多模態(tài)神經(jīng)影像融合技術(shù)是一種將不同類型的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)在計算機的輔助下進行整合和融合的技術(shù)方法，旨在提供更全面、準確和可靠的神經(jīng)信息。多模態(tài)神經(jīng)影像融合技術(shù)結(jié)合了不同的影像模態(tài)，如結(jié)構(gòu)像、功能像和代謝像等，以提供更詳細和全面的神經(jīng)系統(tǒng)信息。多模態(tài)神經(jīng)影像融合技術(shù)可以通過將不同的影像數(shù)據(jù)進行配準和對齊，然后將其進行疊加或疊加顯示，從而實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的融合。借此，醫(yī)師可以同時獲得不同影像模態(tài)的信息，從而更全面地了解病變的位置、形態(tài)、大小和功能等特征。同時，計算機可根據(jù)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)實時重建患者的三維圖像，并在此基礎(chǔ)上進行進一步的影像后處理，醫(yī)師可直觀檢視患者的病變區(qū)域與正常結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，有助于精確定位病灶并規(guī)劃手術(shù)。

二、神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)

神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)是一種利用影像學(xué)和計算機技術(shù)協(xié)助神經(jīng)外科手術(shù)的方法，通過實時的圖像引導(dǎo)和定位，可幫助神經(jīng)外科醫(yī)生在手術(shù)過程中準確地定位和導(dǎo)航到特定的神經(jīng)結(jié)構(gòu)或病變部位［2］。神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)將獲取的多模態(tài)影像數(shù)據(jù)進行處理和重建，生成更清晰和準確的影像，以提高影像質(zhì)量和可視化效果。而后通過將患者的實際解剖結(jié)構(gòu)與影像數(shù)據(jù)進行注冊和配準，建立起影像和患者之間的空間對應(yīng)關(guān)系。這樣，醫(yī)生可以通過實時的影像引導(dǎo)手術(shù)器械，在手術(shù)前及手術(shù)過程中，神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)可以實時顯示患者的解剖結(jié)構(gòu)和病變位置，并將手術(shù)器械的位置和方向與影像對應(yīng)，醫(yī)生可以根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信息準確地定位和導(dǎo)航到目標區(qū)域，避免誤傷正常結(jié)構(gòu)。此外，神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)可以將導(dǎo)航信息以可視化的方式呈現(xiàn)給醫(yī)生，如在手術(shù)顯微鏡或顯示器上顯示影像和導(dǎo)航路徑，一些高級技術(shù)還可將虛擬圖像疊加到實際視野中，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的效果，提供更直觀的導(dǎo)航指引。

三、利用多模態(tài)影像融合技術(shù)及神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)在小兒神經(jīng)外科教學(xué)中的應(yīng)用實踐

（一）術(shù)前規(guī)劃與教學(xué)

以某男性患兒為例，術(shù)前影像學(xué)檢查提示松果體區(qū)占位，梗阻性腦積水，計劃行神經(jīng)內(nèi)鏡下第三腦室底造瘺及縱裂—胼胝體—脈絡(luò)膜裂入路腫瘤切除術(shù)。在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，帶教醫(yī)師通過單純二維影像對住院醫(yī)師進行術(shù)前影像學(xué)講解，由于年輕住院醫(yī)師缺乏手術(shù)經(jīng)驗或臨床解剖學(xué)知識基礎(chǔ)較淺，可能無法通過二維圖像正確定位病變并了解周圍組織的解剖學(xué)關(guān)系，導(dǎo)致教學(xué)效果欠佳。在應(yīng)用了全新技術(shù)后，術(shù)前利用多模態(tài)影像融合技術(shù)對患兒的計算機斷層掃描圖像（computerized tomography，CT）和磁共振圖像（magnetic resonance imaging，MRI）進行配準后融合并進行三維重建，利用計算機對腦室、腫瘤，以及周圍重要結(jié)構(gòu)進行重建并高亮顯示（如圖1）。由一名高年資帶教醫(yī)師結(jié)合三維圖像對住院醫(yī)師進行教學(xué)，講解該例患兒的腫瘤位置、解剖結(jié)構(gòu)、計劃的手術(shù)入路及術(shù)中需重點關(guān)注和保護的組織等。由于學(xué)員可直觀地從各個方向觀察目標結(jié)構(gòu)和區(qū)域，并自主調(diào)整視角和觀察目標，因此可以在腦海中快速構(gòu)建手術(shù)區(qū)域的解剖結(jié)構(gòu)，掌握相關(guān)知識，加深解剖學(xué)知識印象。此外，對于神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)，術(shù)前穿刺點的定位是手術(shù)順利進行的重要基礎(chǔ)，過去對此部分的教學(xué)僅限于帶教醫(yī)師的演示示范，低年資住院醫(yī)師常缺乏實際操作經(jīng)驗。例如，在患兒體表進行模擬定位需要患兒和家長的理解和配合，且難以重復(fù)和驗證，在應(yīng)用多模態(tài)影像融合技術(shù)重建后，利用重建顯示的頭皮及顱骨圖像，帶教醫(yī)師可結(jié)合三維圖像講解關(guān)鍵骨性標志物如冠狀縫、頂結(jié)節(jié)等的定位方法，并讓學(xué)員在計算機上模擬定位，而后進行驗證和考核（如圖2）。這大大提高了低年資住院醫(yī)師的學(xué)習(xí)效率，也有助于量化學(xué)習(xí)進度，考核學(xué)習(xí)效果，且有助于快速提高臨床操作能力。

圖1 腫瘤與腦室相對位置三維重建圖像

圖2 腫瘤定位及體表標志重建圖像

（二）術(shù)中定位與教學(xué)

在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，低年資住院醫(yī)師在手術(shù)過程中往往通過觀看手術(shù)視頻和上級帶教醫(yī)師指導(dǎo)和點評進行學(xué)習(xí)，一方面缺乏直觀體會，另一方面教學(xué)效果依賴于帶教醫(yī)師的教學(xué)水平和講解能力，難以規(guī)范化評價教學(xué)效果。引入術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)進行教學(xué)后，學(xué)員在手術(shù)中可通過計算機定位手術(shù)器械，并在顯示屏上直接觀察手術(shù)器械與目標病變、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系并實時矯正調(diào)整。在確認了術(shù)中的精確位置和毗鄰解剖學(xué)關(guān)系后，學(xué)員能夠更加簡單直接地將術(shù)前影像資料和術(shù)中所見結(jié)合聯(lián)系起來，并可借助計算機輔助反復(fù)重復(fù)相關(guān)步驟，直觀地掌握手術(shù)相關(guān)知識要點，在該例患兒的神經(jīng)內(nèi)鏡下第三腦室底造瘺手術(shù)中，準確恰當?shù)剡x取穿刺點是手術(shù)要點之一，也是既往教學(xué)的重點和難點。傳統(tǒng)教學(xué)方法中，學(xué)員通過觀察二維影像資料很難想象三維結(jié)構(gòu)中腦室在體表的投影位置。而上級帶教醫(yī)師示范后也難以給學(xué)員留下深刻印象。在借助術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)進行教學(xué)后，可在上級醫(yī)師指導(dǎo)下學(xué)員自行標記穿刺點位置，而后借助神經(jīng)導(dǎo)航進行驗證，觀察穿刺點選取是否合適及應(yīng)當如何進行調(diào)整，學(xué)員借助三維重建圖像，可以清晰地觀察到自己選取的標記點和腦室的相對位置關(guān)系，以及在調(diào)整后穿刺道的變化情況，這不但簡化了教學(xué)步驟，降低了教學(xué)難度，也顯著提升了教學(xué)效果。在該例患兒之后進行的經(jīng)縱裂—胼胝體—脈絡(luò)膜裂入路腫瘤切除術(shù)中，如何讓低年資住院醫(yī)師學(xué)習(xí)掌握縱裂—胼胝體—脈絡(luò)膜裂這一手術(shù)入路的解剖學(xué)位置和毗鄰神經(jīng)結(jié)構(gòu)一直是教學(xué)的難點。傳統(tǒng)教學(xué)方法依賴主刀帶教醫(yī)師在顯微鏡下暴露相關(guān)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，并逐一進行詳細講解，學(xué)員往往無法形成深刻認識，同時有可能延長手術(shù)時間，效率較低且無法重復(fù)；而引入術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)后，帶教醫(yī)師通過導(dǎo)航器械可以實時地指出當前操作區(qū)域的位置，并在未暴露的情況下對周圍毗鄰關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行指出和講解，學(xué)員可以在顯示屏上直觀地看到手術(shù)過程的推進及重要結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系并自行調(diào)整觀察角度，選擇顯示特定結(jié)構(gòu)，達到模擬手術(shù)的效果，且可借助計算機輔助不斷重復(fù)，加深印象，強化學(xué)習(xí)效果。

（三）術(shù)后回顧與教學(xué)

手術(shù)后回顧手術(shù)效果及將術(shù)后影像資料和術(shù)中所見進行比對也是手術(shù)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)中通常依靠術(shù)后二維CT或MR圖像，結(jié)合手術(shù)視頻錄像進行講解教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)點在于讓低年資住院醫(yī)師可以跟隨主刀帶教醫(yī)師的思路進行回顧學(xué)習(xí)，建立相關(guān)知識體系，通過當場提問的方式解答相關(guān)疑問；缺點在于傳統(tǒng)方式依賴帶教醫(yī)師的教學(xué)水平和教學(xué)時長，效率較低，難以調(diào)動學(xué)員的自主學(xué)習(xí)熱情并形成系統(tǒng)性的教學(xué)體系，且不具有可重復(fù)性。而在利用多模態(tài)影像融合技術(shù)及神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)輔助教學(xué)后，學(xué)員可以自主利用術(shù)后復(fù)查影像資料進行三維重建并多角度觀察，且學(xué)員基于術(shù)后影像重建的三維結(jié)構(gòu)得以直接觀察手術(shù)穿刺造瘺點與手術(shù)入路的空間位置和周圍結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，結(jié)合手術(shù)視頻錄像，對術(shù)中涉及的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和區(qū)域進行直觀系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，避免了因為缺乏相關(guān)手術(shù)經(jīng)驗和空間想象能力而造成的學(xué)習(xí)效果不佳。在遇到難點和疑問時，可利用計算機系統(tǒng)截圖或錄屏，帶教醫(yī)師進行重點答疑和講解，由此激發(fā)學(xué)員自主學(xué)習(xí)熱情，鍛煉其空間想象能力，鞏固解剖學(xué)和手術(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

四、討論

神經(jīng)外科被譽為外科學(xué)中的王冠，而小兒神經(jīng)外科更被比作王冠上的明珠，小兒神經(jīng)外科專科醫(yī)師的教學(xué)培養(yǎng)是全國各個神經(jīng)外科醫(yī)師培訓(xùn)基地中的重點任務(wù)［3］。由于小兒處于不斷發(fā)育中，神經(jīng)系統(tǒng)具有極其復(fù)雜又脆弱的特點，對于從業(yè)醫(yī)師的專業(yè)素養(yǎng)和臨床經(jīng)驗都有極高的要求，使得小兒神經(jīng)外科醫(yī)師的教學(xué)工作一直是神經(jīng)外科教學(xué)任務(wù)中的難點。如何在保證醫(yī)療安全的前提下，規(guī)范、高效、準確地教授小兒神經(jīng)外科醫(yī)師專業(yè)知識，培養(yǎng)其臨床能力是相關(guān)教學(xué)研究的永恒主題。

不同于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，外科學(xué)的教育模式更注重于手術(shù)方式的講解及手術(shù)經(jīng)驗的傳授，尤其是神經(jīng)外科領(lǐng)域，大量的手術(shù)操作皆在顯微鏡下由主刀醫(yī)師和一名助手完成，低年資醫(yī)師常無法獲得直觀的手術(shù)經(jīng)驗，因此成長曲線相對較長。傳統(tǒng)的小兒神經(jīng)外科教育模式中，常依賴于學(xué)員自主閱讀影像資料、上級帶教醫(yī)師講解、觀看手術(shù)錄像并自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識的模式。其優(yōu)勢在于對設(shè)備水平要求較低，便于在各地醫(yī)院及醫(yī)學(xué)院校開展，但缺點是高度依賴于學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力和帶教教師的教學(xué)水平及教學(xué)醫(yī)院的手術(shù)開展數(shù)量，難以達到教學(xué)流程的標準化和教學(xué)成果的均質(zhì)化。

近年來，隨著計算機圖像處理能力的不斷進步，多模態(tài)影像融合技術(shù)和神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)逐步融入神經(jīng)外科的臨床工作并發(fā)揮著越來越大的作用［4］。新技術(shù)的優(yōu)勢在于幫助缺乏手術(shù)經(jīng)驗的神經(jīng)外科醫(yī)師快速掌握相關(guān)知識并提高手術(shù)能力與技巧，這與神經(jīng)外科醫(yī)師培訓(xùn)教學(xué)的目的是一致的。在小兒神經(jīng)外科領(lǐng)域，由于小兒神經(jīng)系統(tǒng)疾病的特殊性和復(fù)雜性，教學(xué)難度相較其他神經(jīng)外科領(lǐng)域更高，多模態(tài)影像融合技術(shù)和神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)很好地彌補了現(xiàn)有小兒神經(jīng)外科教學(xué)工具的不足。通過計算機輔助直觀地觀察病灶及周圍的解剖結(jié)構(gòu)，使得低年資的小兒神經(jīng)外科醫(yī)師可以快速地掌握相關(guān)知識；而在神經(jīng)導(dǎo)航的輔助下，低年資醫(yī)師可以獨立完成病灶部位、手術(shù)區(qū)域的定位并加以驗證，形成良好的學(xué)習(xí)反饋閉環(huán)。在我們的教學(xué)經(jīng)驗中，合理地運用這些技術(shù)可以大幅度地提高相關(guān)教學(xué)工作的效率。

然而，也必須認識到，神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)和多模態(tài)影像融合技術(shù)也并非萬能，依然存在技術(shù)上的缺陷和不足，在深部和涉及腦室和腦池的操作中，有發(fā)生偏移導(dǎo)致定位準確度下降的問題［5］。其次，在教學(xué)工作中，這些新技術(shù)暫時只能起到輔助教學(xué)的作用，仍然需要上級帶教醫(yī)師進行耐心細致的指導(dǎo)方能有良好的教學(xué)效果。總體來說，神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)和多模態(tài)影像融合技術(shù)為小兒神經(jīng)外科醫(yī)師的教學(xué)工作引入了新思路，在良好的使用模式和一定的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，可以發(fā)揮事半功倍的作用，為培養(yǎng)合格的小兒神經(jīng)外科醫(yī)師提供強有力的幫助。