Dexotroscope手术计划系统在颅脑手术中的应用及评估

【摘要】目的：使用Dexotroscope手术计划系统，了解其性能及其对临床制定手术计划以及实施手术的帮助。方法：临床病人30例，将其术前CT、MRI扫描的原始资料直接输入Dexotroscope计划系统的工作站，进行相应的处理，包括重建、融合、分割等，模拟手术全过程。结果：手术中所见病变与周边神经、血管、颅骨的关系与手术前模拟完全符合。动脉瘤夹闭时间和齿状突磨除时间明显缩短，并发症减少，且术后Karnofsky评分改善。结论：Dexotroscope手术计划系统能使术者对病人影像资料从三维、动态化的角度有更深入的理解。应用该系统可在术前制定精确而详细的手术计划，并可模拟手术经过，提前了解手术的难易程度，同时它也是极其理想的临床培训和教学工具。

【关键词】手术计划；虚拟现实；颅内病变；神经外科

       随着CT、MRI、DSA以及术中导航等高科技设神经外科的广泛应用。虚拟现实技术也逐渐从实验室走向实际应用。作者从2004年8月至05年9月，总结分析了Dexotroscope手术计划系统在临床30例患者的初步应用，体会如下。

资料与方法

1．Dexotroscope系统(DexotroscopeMK～10，软件本：Radiodexter：1.0新加坡)：

       包括主机服务器，高晰高分辨显示器、专用发射镜面、操作平台等。

       (1)术前资料的收集与数据输入：术前一天进行超的CT和(或)MRI扫描，同时进行CTA和(或)MR A检查，将记录该病例的数据刻录在光盘上，输入Dexotroscope系统。

       (2)加载到虚拟(Virtual Reality，VR)环境中：将数据进行相应的转化，将准备好的数据加载到Dexotroscope的VR环境中。

       (3)组织结构的解剖、切除与处理：利用分割工具将不同组织从体积对象中分离出来，并进行手术切除等操作。

       (4)数据的输出：可对每个病例给出图片、视频资料、HTML文件的报告，在网络上共享与研究。

2．一般资料：

       本组共进行了30例术前手术模拟，男性17例，女性13例。其中基底动脉瘤2例(分叉部1例，基底动脉干1例)，大脑后动脉瘤1例(P 1段)，眼动脉瘤3例，大脑中动脉瘤2例，大脑前动脉瘤1例。寰枕畸形7例。脑膜瘤4例，其中前床突脑膜瘤1例，鞍结节脑膜瘤1例，岩斜脑膜瘤2例。神经鞘瘤5例，其中三叉神经鞘瘤3例，听神经瘤1例，颈静脉孑L区神经鞘瘤1例。深部胶质瘤

5例。

3．数据采集：

       每例患者手术前的详细临床资料、影像特点、计划手术入路、手术中实际情况与术前模拟状况符合度的比较。动脉瘤病人主要记录显露动脉瘤到手术完全夹闭的时间，术后恢复程度的评估。寰枕畸形病人记录齿状突的磨除时间(从开始磨除到齿状突全切)。术后随访4—6周。

结果

       根据术前模拟的结果摆放病人的头位，包括后仰、前屈、旋转、侧屈、侧旋等的角度。参考术前模拟计划的结果开骨瓣、磨除蝶骨嵴、前床突、内听道后壁、岩尖等。手术中病变的显露十分理想，而且对病变与周围重要的颅神经、病变与颈内动脉、基底动脉及其重要分支的关系有充分的了解，减少了不慎损伤或夹闭的几率。术前模拟可了解动脉瘤与前后床突的关系，例如眼动脉与前床突的关系，基底动脉瘤与后床突的关系等，减少了术中显露的困难。术前模拟人路是实际手术入路的重要参考指标，而且手术实际所见的解剖关系与手术前模拟完全符合。使用该系统可以完全模拟开颅手术的过程。模拟翼点入路的钻孑L部位，包括关键孑L的位置。模拟翼点入路的骨瓣，可见蝶骨嵴及前床突已磨除，并可见眼动脉瘤。术前齿状突重建示齿状突的前缘与寰椎前弓距离为9.34 mm，且齿状突偏向左侧。模拟手术后可见c后上缘已经部分磨除，以免出现术后c椎体后上缘压迫延髓下段的情况。复习病例2004年1月至7月各类动脉瘤病人共26例，从手术显露动脉瘤体到手术完全夹闭的时间平均为(37.604-13.43)min，2004年8月使用模拟计划系统共进行了各部位的动脉瘤9例，手术时间明显缩短，平均为(23.514-7.62)min。2例基底动脉瘤病人早期意识状态差，术后1周逐渐清醒。2例基底动脉瘤和1例大脑后动脉瘤病人术后均出现了动眼神经瘫痪，其中1例基底动脉瘤病人术后出现轻偏瘫，手术对侧肌力Ⅳ级，无并发症，生存质量提高，术后3个月Karnofsky评分在88.7分，未模拟组为84.5分。寰枕畸形经齿状突磨除术共7例，经过模拟手术后，实际的磨除时间逐渐缩短，从开始的81min缩短至50min左右。

本组无死亡病例。

讨论

       手术模拟计划技术是虚拟现实技术在神经外科的具体应用。根据所需要的支持系统的不同配置，可以把虚拟现实技术分为三种：

       (1)简单型VR(simplified VR)：该系统仅仅包括人机互动，不需要使用真实世界的支持，不包括人工智能(artificial intelligence，AI)，无感觉系统的输入和输出。该系统通常仅用于有限的图像模仿，并且是二维的。

       (2)加强型虚拟现实(augmented VR)：该系统包括图1模拟翼点入路的钻孔部位图2模拟翼点入路的骨瓣图3术前齿状突重建乐齿状突的前缘与寰椎前弓距离为9.34mm，且齿状突偏向左侧图4模拟手术后可见c2后上缘已经部分磨除人机互动，并且包含有一定程度的主要感觉的输入和输出系统，这些感觉常常来源于对外部支撑物的使用。可有或无人工智能(AI)。

       (3)智能型虚拟现实(immersive VR)：该系统最大程度地提供了主要的感觉输入和输出系统，如触觉、动觉等，同时还包括认知互动，通过可接性人工智能进行评估，这些都有赖于支持系统的使用。

       本组所采用的Dexotroscope系统为第三种情况，它运用虚拟现实技术实现了手术入路的真实模拟。虚拟手术计划的技术实现主要分为以下三个部分：医学图像的三维重建；虚拟人体组织器官的物理建模；虚拟手术器械分割处理相应的虚拟人体解剖结构。其最主要的特点：

       (1)交互性：按操作者的意图去执行；即刻反馈，而且定位和反馈精确度高；尽量接近临床的手术过程。

       (2)虚拟性：可以虚拟复杂的场景：能根据需要产生多层次、多种形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织结构。通过计算机技术三维还原脑部解剖，可以在任意角度、任意平面进行观察，并将几种扫描技术进行整合：CT显示软组织、颅骨和部分大血管；MRI显示软组织和部分大血管，皮质骨显示不佳；CTA和MRA则可显示血管。

       (3)个体化：病理基础的改变，导致局部情况与解剖图谱及手术图谱并不一致，虚拟系统的关键在于能实现个体化，体现了病人的解剖差异。从临床应用方面讲，手术前进行手术计划及模拟手术过程，可以充分减少手术并发症的发生率。从教学方面来讲，大大的节约了专业医生的培训时间。

       国内外已经有许多研究机构和商业公司在虚拟外科手术计划、模拟训练等方面进行了一定的研究实践，但是在与临床结合方面尚有欠缺。Acosta和Bhalerao等运用触觉感受器模拟手术动作，如模拟缝合。Bernardo等使用交互虚拟分离系统(interactive virtualdissection，IVD)在标本上模拟岩骨人路，在机器人控制下的立体镜采集资料输入工作站进行分析和模拟。Balogh等报道采用机器人显微镜和数码照相机分别采集左右眼成对的手术图像。由术者决定其感兴趣的视野，用正交格构体系促进显微镜下的图像采集，图像经过专用软件处理后，得到2一D图像或两眼交错的图像，重建后成为标准的或立体的QTVR格式图像，可以进行图像旋转等操作。Goh进行垂直头连双胎婴儿脑分离，使用该Radio Dexter手术模拟系统，在手术前制定手术计划，为脑分离手术的顺利完成发挥了重要作用。Mendez等报道了远距离监控仿真机器人完成开颅动作。国内也有相关的研究，如仿真手术刀的研究。使用模拟人进行手术入路的研究，也有利用CT或MRI扫描的原始资料进行重建分割等¨Hj，但都未进入产业化，停留于实验室阶段或仅仅限于个案应用。

       在本组30例患者中，作者认为Dexotroscope系统能充分发挥目前影像设备的潜力，为临床医生提供个体化的、真实的、三维的空间结构信息，在未进行手术之前制定手术计划，从几种可行的方案中选择最优化的方案，然后进行模拟手术，从摆体位开始，画切口线，去骨瓣，切除(分离)部分脑组织，一直到处理病变，而且在不理想的情况随时更改手术方案。在处理几例巨大动脉瘤的过程中，Dexotroscope模拟系统充分分析了与病变相关的周围神经血管及颅底骨质结构的关系，为保护神经血管、适当而又充分磨除骨质提出了切实的方案。通过术前的模拟，充分了解了动脉瘤的大小、瘤顶的指向、血栓的位置、瘤颈的宽窄、与载瘤动脉的关系、重要传统支的位置与走行方向以及与邻近神经、相关颅底骨结构的关系，在术前即可确定是否需要磨除前(后)床突及磨除的程度，使动脉瘤显露时问、夹闭时间充分缩短，而且对手术中动脉瘤与载瘤动脉、重要穿支动脉的关系有充分的了解，手术后的并发症也明显缩小，神经功能的评估显示效果良好。在经C l齿状突磨除中，通过Dexotroscope模拟系统可以充分了解齿状突的方向、与椎动脉的关系以及合并其他畸形的处理，可以模仿手术中的操作技巧：牵拉、切割、磨除等，使实际手术时操作更加稳妥且有目的性，磨除齿状突的手术时间明显缩短。在颅底肿瘤的模拟中，可以充分了解肿瘤与前床突、后床突、岩尖、颈内动脉、颈静脉球的关系，对实际的手术发挥了极大的指导作用。在深部胶质瘤的模拟中可以了解肿瘤与脑室、脑室脉络丛及其血管、锥体束的关系。作者体会到该系统与导航系统最大的区别在于可介入性、模拟手术工具的可操作性以及模拟条件下的可重复性，即可在术前反复进行演练。本组不足之处是临床病例数略少，需进一步增加病例进行更细致的研究。

       通过30例临床初步应用，作者认为Dexotroscope手术模拟计划系统能使术者对病人影像资料从三维动态化的角度有更深入的理解。该系统具有的多功能性与灵巧型，能模拟手术的真实过程。使术者能根据模拟的手术过程制定切实可行的手术计划，并可在术前评估手术风险和设法规避风险。同时也是极其理想的临床培训和教学工具。不足之处是模拟系统的手术工具稍显单一，希望能增加更多的手术工具，以丰富模拟的手术过程。

参考文献

[ 1 ] Spicer MA，Martin van Velsen，Caffrey JP，et a1．Virtual reality neurosurgery：a simulator blueprint．Neurosurgery，2004，54：783-798．  

[ 2 ] IJiu CY，Spicer M，Apuzzo ML．The genesis of neurosurgery and the evolution of the neurosurgical operative environment：part II—concep~for future development，2003