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虚拟现实技术在蝶骨嵴脑膜瘤术前计划中的应用
2015年11月27日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:汤海亮,宫晔,毛颖,吴劲松,张晓硌,谢清
        谢立乾,郑名哲,汪戴军,陈衔城
    单位:复旦大学附属华山医院神经外科

    [摘要] 

    目的 探讨磁共振血管成像、虚拟现实技术在蝶骨嵴脑膜瘤术前计划中的应用。 

    方法 10例蝶骨嵴脑膜瘤患者术前行头颅 CT、MRI和 MRA 等检查,然后将这些数据输 入新加坡 Volume Interactions公司研发的 Dextroscope术前计划系统,在虚拟现实环境中对肿瘤及其周围组织进行重建等处理,构建出立体的空间三维图像;再利用系统工具对肿瘤及其周围组织进行观察、手术模拟等操作,在术前充分获得肿瘤、颅底骨质及神经、血管等相互关系的信息,制定详细的手术计划,并与术中情况进行对照。

    结果 10例患者均成功实现了三维立体虚拟现实影像的重建,按照术前计划进行手术,术 中 情 况 与术前模拟基本一致,符合率达100%。10例肿瘤均全切,取得良好效果,术后患者无后遗症。 结论 头颅 MRA 结合 Dextro-scope术前计划系统反映肿瘤及其邻近组织的解剖结构信息,为术前制定手术方案提供帮助,有助于提高手术安全性与病灶切除率,改善患者预后。

    传统的头颅血管成像技术(magnetic resonance angiography,MRA)在蝶骨嵴脑膜瘤术前准备中非常重要,神经外科医生需要头颅 MRA 来观察和了解蝶骨嵴脑膜瘤与其周边的颈内动脉及其分支的关系。这对神经外科手术来说至关重要,在术前如能熟悉脑膜瘤和颅底血管的解剖关系将极大地提高手术安全性,减少手术并发症。

    但是,头颅 MRA 的缺点是无法立体显示肿瘤和血管的关系,其所提供的空间解剖信息往往有限。虚拟现实(virtual reality,VR)技术 是 近 几 年 来出现的一种先进的医学成像系统[1],它能创造出一种具有立体效果、逼真的虚 拟 现 实 环 境,医生在这种环境下可对虚拟的医学图像进行模拟操作,产 生“身临其境”的感觉,在术前对手术方案制定详细的计划,极大地提高了手术预后。

    我院神经外科从2006年开始将该技术引入神经外科术前计划的制定中,包括脑肿瘤、血管 病 等[2],取 得 初 步 成 效。我 们 曾 报道了 VR技术在运动功能区和前颅底脑膜瘤中的应用,取 得了良好效果[3]。现 将 VR 技术在蝶骨嵴脑膜瘤术前计划中的应用体会介绍如下。

    1 资料和方法

    1.1 一般资料 选择2010年1月至2010年12月在复旦大学附属华山医院神经外科手术的蝶骨嵴脑膜瘤患者 10例,肿瘤最大直径在3~5cm,内侧型和外侧型。其中男性4例,女性6例;年龄18~62岁,平均(35.5±5)岁。所有患者在术前均未作放疗等其他治疗。10 例患者在术前行头颅 CT、MRI和 MRA 等检查。

    1.2 头颅 MRA 利用德国西门子(Siemens)公司的临床3T磁共振机器在术前对 10 例蝶骨嵴脑膜瘤患者进行头颅MRA(magnetic resonance angiography)扫 描。扫 描 参 数 为:FOV=200mm,TR=21ms,TE=3.6ms,Averages=1,Slicethickness=0.9mm。后期处理应用最大密度投影(maximumintensityprojection,MIP)技术。任意旋转和观察血管影像,进行图像叠加 及 剪 影 等 处 理[4]。可观察到颅内动脉系统的分布及其受肿瘤影响的情况。

    1.3 虚拟现实技术 将 10 例 蝶 骨 嵴 脑 膜 瘤 患 者 的 头 颅CT、MRI和 MRA 等影像学数据刻录成光 盘,输 入 到 新 加 坡Volume Interactions公司的 Dextroscope图像工作站,在 Radio Dexter软件系统中进行图像处理[2],重建出脑膜瘤与颅底颅骨、脑组织、颅神经、颈内动脉等关系的三维图像。利 用 系统工具,从各个角度观察肿瘤的形态、大 小、与毗邻结构的关系,如颅底骨质破坏与否,特别是脑膜瘤与颈内动脉、大 脑 中动脉及其分支的关系等。根据实 际 手 术 需 要,选 定 不 同 的 手术入路,进行开颅、病 灶 切 除、血管处理等模拟操作,然 后 制定详细的手术方案,为真正手术服务并比较。

    2 结 果

    2.1 总体效果 

    10例蝶骨嵴脑膜瘤患者均成功实现了虚拟现实图像的构建,重建的图像清 晰 逼 真、空 间 效 果 好,并 进 行模拟手术,让医生有一种如临其境的感觉,如同真实手术一样。真正手术时按照术前计划进行,手术中肿瘤与大脑中动脉及其分支的位置关系与术前模拟计划基本一致,符 合 率 达100%。10例患者最终均实现肿瘤全切,大脑中动脉保护完好,取得 良 好 效 果;术 后 患 者 无 偏 瘫、视力下降等并发症。

    Dextroscope术前计划系统可以直观、全面地观察肿瘤形态结构及周围解剖结构特征。

    2.2 典型病例

    与 头 颅 MRA 相 比,Dextroscope系 统 在 显示肿瘤及其与周围血管等位置关系中的优势巨大,而 且,在Dextroscope系统中还可以模拟手术切除肿瘤等手术过程,甚至可以将肿瘤“切 除”一部分后再次观察肿瘤的空间位置以及血管穿透肿瘤内部的情况(图1)。手术医生在术前经过这样的操作将充分掌握肿瘤和血管的关系,为手术增加信心,提高了手术的安全性。




图 1 典型病例患者右侧蝶骨嵴脑膜瘤术前计划制定

    3 讨 论

    蝶骨嵴脑膜瘤约占颅内脑膜瘤的12%,分 为 床 突 型、小翼型和大翼型3种[4]。蝶骨嵴脑膜瘤因其位置深在,解 剖 结构复杂,毗邻颅神 经、颈 内 动 脉 分 支,因此手术难度较大,术后并发症较多。目前术前对蝶骨嵴脑膜瘤及其周围解剖信息的评估主要依赖于传统的神经影像学方法[5],如 头 颅 CT显示颅底骨质、头颅 MRI(平 扫+增 强)显示肿瘤及其血供;

    头颅 MRA 可显示肿瘤对颈内动脉及其分支的压迫等。但上述这些影像学技术只能提供肿瘤及其周围结构的部分信息,尽管头颅 MRA 扫描很重 要,需要它来显示蝶骨嵴脑膜瘤和颈内动脉及其分支的位置关系,但这些技术无法在空间层面立体显示这些 图 像。虽然目前在医学影像工作站可以三维重建图 像,但重建效果较差,有 时 图 像 会 “失 真”,产 生 误差[6]。

    虚拟现实技术的出现解决了这一问题,它能创建一个虚拟现实环境,医生在这种环境下通过特殊工具可对医学对象进行模拟操作[7]。VR 技术实现了人与计算机之间的互动,以及对数据的可视化操作,被广泛用于医学领域[8]。由 新 加坡 Volume Interactions公司研发的 Dextroscope术前计划系统目前已在我科开展颅内肿瘤、脑血管病等手术的术前计划应用,取得一定的临床效果[2]。

    神经外科的手术具有一定的挑战性。手 术 视 野 小,手 术对象解剖复杂,手术难度大。如何在术前充分获得肿瘤及其与周围结 构 的 解 剖 信 息,评 估 手 术 方 案,是 手 术 成 功 的 保障[9]。本研究中,我们 利 用 Dextroscope术前计划系统对10例蝶骨嵴脑膜瘤患者制定详细的术前计划,将每个脑膜瘤患者的影像学资料输入系统中,然后重建出三维图像,观 察 肿瘤及其与邻近颅骨、血管、颅神经 的 特 征,并利用系统工具进行模拟开颅、切除肿瘤等操作,手术时按照术前计划进行,肿瘤全切,颈内 动 脉、大脑中动脉等均保护完好,取 得 良 好 效果。

    这一术前计划有助于分析手术中可能出现的问题及解决方案,根据每个患者的特点制定特殊的手术入路,提 高 了手术的安全性和肿瘤切除率。

    然而,Dextroscope系统仍存在一些局限性[10]。虚 拟 现实是将多种图像进行融合、重 建,因此三维图像质量受原始图像的影响,单一影像的信噪比下降会影响图像的分辨率。

    因此,我们在获取头颅 CT、MRI、MRA 时多采取导 航 序 列 描,以尽量采集充分的影像学信息。毋 庸 置 疑,虚 拟 现 实 系统重建的图像与术中真实解剖情况有一定差异,特 别 是 组 织移位、血流变化等情况,因此,Dextroscope系统仍需进一步完善。另外,尽管 Dextroscope系统是非常先进的医学影像学系统,如何在今后与实时导航结合服务术中情况还需神经外科医生继续提高。

    [参考文献]

    [1] 张晓硌,周良辅,毛 颖,吴 劲 松.虚拟现实环境下颅底肿瘤术前计 划 的 制 定 [J].中国神经精神疾病杂志,2008,34:135-138.    

    [2] 张晓硌,吴劲松,毛 颖,周良辅,李士其,王镛斐,等.虚拟现实技术在神经外 科 术 前 计 划 中 的 应 用 [J].中华显微外科杂志,2006,29:415-418.

    [3] 汤海亮,宫 晔,毛 颖,张晓硌,吴劲松,谢立乾,等.磁共振血管成像和功能性磁共振成像与虚拟现实技术进行运动区脑膜瘤显微手术[J].中国临床神经科学,2011,19:121-124.

    [4] 郑 晔,李德刚,杨 蔚,陈 兵,王 晓 东,金 国 宏.应 用 磁 共 振3D-TOF MRA 成像观察脑膜瘤供血特征[J].宁夏医学杂志,2010,32:414-415.

    [5] 周良辅.现代神经外科学[M].上 海:复旦大学出版社,2001:438.

    [6] Kockro R A,SerraL,Tseng-TsaiY,ChanC,Yih-YianS,Gim-GuanC,etal.Planning and simulation of neurosur geryin a virtual reality environment[J].Neurosurgery,2000,46:118-135.

    [7] Rosahl SK,Gharabaghi A,Hubbe U,Shahidi R,Samii M.Virtual reality augment ationin skull basesurgery[J].Skull Base,2006,16:59-66.

    [8] YiZQ,LiL,MoDP,Zhang J Y,Zhang Y,BaoS D.Preope rative surgical planning and simulation of complexcranial base tumorin virtual reality[J].ChinMedJ(Engl),2008,121:1134-1136.

    [9] StadieA T,KockroR A,ReischR,TropineA,BoorS,Stoeter P,etal.Virtual reality system fo rplanning minimall yinvasive neurosurgery.Technicalnote[J].JNeurosurg,2008,108:382-394.

    [10]GildenbergPL,LabuzJ.Use of avolumet rictarget for imageg uidedsurgery[J].Neurosurgery,2006,59:651-659

标签:蝶骨嵴脑膜手术磁共振血管
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