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VR技术在前颅底脑膜瘤术前计划中的应用探讨
2015年12月28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 

    目的:探讨虚拟现实技术在前颅底脑膜瘤术前计划和手术中的应用价值。

    方法:利用新加坡VI公司Dextroscope系统对10 例前颅底脑膜瘤患者的头颅CT、MRI和MRA等影像学资料进行三维重建,获得肿瘤与颅底颅骨、脑组织、脑神经以及颅底动脉等解剖关系图像,并运用系统工具进行模拟手术。

    结果:10 例患者均成功制定了手术计划和模拟手术操作,可直观地显示脑膜瘤的位置、大小及其与颅底动脉的解剖关系。本组病例均按照术前模拟方案实施手术,术中情况与术前模拟基本一致。10 例患者均全切肿瘤,取得良好效果,术后无后遗症。结论:虚拟现实技术在前颅底脑膜瘤手术前应用,能在术前获得肿瘤和颅骨、血管的解剖信息;对选择合适的手术入路,减少对脑组织、血管和神经的损伤有益。

    前颅底脑膜瘤因解剖位置特殊,传统手术方式术后并发症较多,影响患者生活质量。随着神经影像学技术的不断进步和微创手术概念的引入,前颅底脑膜瘤的预后已有较大改善。虚拟现实(virtual reality, VR)手术计划系统是近年出现的一种先进的医学成像系统[1],它可以利用头颅 CT、MRI等数据模拟创造出一种具有立体效果的VR环境。医生可通过对虚拟医学图像进行模拟操作在术前制定手术计划。本研究利用新加坡VI(Volume Interactions)公司研发的Dextroscope VR 系统,在术前对10例前颅底脑膜瘤患者制定详细的手术计划,选择合适的手术入路,进行模拟手术过程;实时手术时结合神经导航系统取得了良好手术效果,本研究将该技术的操作和应用体会报道如下。

    材料与方法

    临床资料 2010 年 1~12 月在复旦大学附属华山医院(我院)神经外科接受手术治疗的前颅底脑膜瘤患者10 例,术后均经病理证实为脑膜瘤。其中男性 6 例,女性4例;年龄19~72岁,平均年龄49.9岁。所有患者在术前行头颅 CT,MRI 和 MRA(magnetic resonance angiography)等检查[2](图 1),影像学诊断为前颅底脑膜瘤。入组患者在术前均未作放疗等其他治疗。

    头颅 MRA 扫描 在术前,用德国西门子(Siemens)公司3T磁共振扫描仪对10例前颅底脑膜瘤患者进行头颅 MRA 检查。采用三维时间飞跃法序列(3D-TOFMRA)扫描,扫描参数为:FOV=200 mm,TR=21 ms,TE=3.6 ms,Averages=1,Slice thickness=0.9 mm。后期处理应用最大密度投影(MIP)技术进行图像叠加及剪影等处理,可观察到颅内动脉系统的分布及其受肿瘤影响的情况。

    VR 技术制定术前计划[ 3 ] 新加坡 VI 公司的Dextroscope硬件系统是目前采用较多的VR手术计划系统,该工作站还包括一个RadioDexter软件系统。我院神经外科于2006年引进,用于颅内肿瘤、脑血管等疾病的术前计划制定[3]。

    VR 技术制定术前计划的过程需经以下 3 个步骤(图1)。

    1.术前将10例患者的头颅CT、MRI和MRA等数据刻录成光盘,输入 Dextroscope 图像工作站,在系统控制平台对断层图像进行回顾、修剪等初步的数据准备。然后在VR环境下进行图像处理,操作者通过佩戴立体显示眼镜观察监视器反射镜内的三维虚拟图像,双手持传感器手柄及虚拟笔在VR空间对图像进行操作,重建出肿瘤与颅骨、脑组织、颅底动脉等关系的三维图像。


A ~C 为术前头颅 CT 和 MRI 示前颅底巨大脑膜瘤;
D为头颅 MR A显示双侧大脑前动脉被肿瘤推移;

    2.运用软件内的三维处理工具对图像任意位置进行立体切割,以观察肿瘤形态大小及其内部血管、脑神经走形和分布等特征,并进行空间测量。根据实时手术的需要进行手术入路选择、手术开颅、肿瘤切除等模拟手术操作过程。


E ~ F 为利用 V R 技术可三维显示肿瘤与其周围动脉的空间关系,
可从不同角度清晰观察到双侧大脑前动脉穿透、包绕肿瘤的情况;
G 为术后大脑前动脉保护完好( 箭头所示)

(患者男性,4 6 岁,主诉双眼视物模糊 8 个月余,视力下降 2 个月)

    3.根据观察测量与手术模拟的结果(术前计划),制定针对患者的详尽手术方案,包括手术入路的选择、骨质的磨除、肿瘤及其包绕血管(大脑前动脉及其分支)、神经的处理等,并与术中真实情况进行对照。

    手术方法 

    全麻下,依据术前模拟手术的最佳手术入路划定切口。一般取双额入路,暴露肿瘤后,先沿肿瘤周边仔细分离,参照术前计划中血管、神经等分布情况,分块切除肿瘤,直至肿瘤切除,大脑前动脉等血管保护完整,术中所见情况和术前计划基本一致。

    结果

    Dextroscope VR系统显示大脑前动脉受肿瘤影响情况 见表 1。在 Dextroscope VR 系统中可非常直观的显示脑膜瘤的大小、形态及其与颅底动脉、脑神经以及颅骨的解剖关系;同时在VR环境下对每一例患者依据肿瘤对解剖关系的影响设计了不同的最佳手术入路,并模拟手术操作。10例前颅底脑膜瘤患者均成功进行了术前计划和模拟手术操作。

表1   Dextroscope VR系统显示大脑前动脉受肿瘤影响情况


    手术方案实施情况 10例患者实时手术时,全部病例按最佳模拟手术方案进行,10例患者实际手术所见情况均与术前模拟一致。分离肿瘤时,受肿瘤影响的血管、神经显露清楚,术者分块切除肿瘤时可避免损伤部分穿入肿瘤的血管和神经,手术过程均顺利,肿瘤均全切,效果良好;术后无视力下降、偏瘫等并发症(表1)。图1为典型病例的术前计划和模拟手术操作的全过程影像资料与术中实时情况。

    讨论

    前颅底脑膜瘤是颅内常见肿瘤,占颅内脑膜瘤的8%~18%,主要起源于筛板外侧的眶顶部脑膜及脑膜间隙[4]。前颅底脑膜瘤的早期症状一般不明显,肿瘤体积较大,压迫周围组织时才引起临床症状,比如嗅觉和视力下降等。前颅底脑膜瘤因其解剖位置特殊,常侵犯嗅沟、鞍结节、大脑前动脉,部分破坏颅骨,有时手术全切难度大,术后并发症较多,影响患者生活质量[5]。

    随着神经影像技术的进步和微侵袭神经外科学的发展,前颅底脑膜瘤的手术效果得到改善。在术前借助于头颅 CT、MRI和 MRA等成像技术充分获得肿瘤的影像学信息,包括大小、位置和形态等可明确手术方案。

    术中尽量避免损伤肿瘤周围组织,注意保护脑神经和血管等,在保存功能的前提下最大限度切除肿瘤,患者预后较好。但是,传统神经影像技术发挥的作用毕竟有限,其最大缺点就是无法获得肿瘤的空间信息。尽管目前有强大的工作站软件可以完成三维图像,但处理的效果较差,很多图像信息失真[6]。VR技术的出现为影像学图像的三维处理带来革新,特别在微侵袭神经外科学中应用的优势比较明显,其逼真的三维处理和模拟环境为神经外科医生提供了极大的方便,术者利用这一系统可以在术前完成手术评估,为取得手术成功提供保障[7,8]。

    VR 技术提供了人与计算机互动的可视化和立体操作环境[9]。神经外科是较早引入该项技术的医学学科。

    Dextroscope VR术前计划系统已在我院开展包括颅底肿瘤在内的多种疾病的术前应用[1,3]。本研究中,术前对前颅底脑膜瘤患者进行头颅CT、MRI和MRA等检查,将这些数据导入Dextroscope VR系统中,并加载到VR环境中进行图像处理,重建肿瘤与颅骨、脑神经和血管等相互关系的三维图像。然后利用系统提供的特殊工具在虚拟环境下对肿瘤及其周围结构进行观察、测量等,并根据需要进行开颅、肿瘤切除和神经、血管保护等模拟手术操作,有利于术者制定详细的手术计划,为手术作准备(图 1)。前颅底脑膜瘤能在 Dextroscope VR系统中形象、逼真的勾画出其和颅底动脉,主要是大脑前动脉及其分支的关系(表1)。为神经外科医生提供手术时最关心的信息。本组病例肿瘤均全切,术后无并发症出现,改善了患者的预后。

    VR 系统术前计划的另一个优势是可以提供每例患者详细的解剖变异情况,使外科医生可根据不同患者的情况选择和制定个体化手术方案[10]。手术计划是成功完成微侵袭神经外科手术的重要保障。对于术中情况而言,三维虚拟图像易于记忆,即便是经验丰富的神经外科医生亦可根据术前计划结合手术时具体情况而改变手术策略,以获得最好的手术效果。

    总而言之,在前颅底脑膜瘤术前行VR手术计划可直观显示肿瘤与周围解剖结构的位置关系,并可模拟手术全过程,为术前获得详细、充分的肿瘤信息以及术中保护重要解剖结构提供帮助,改善患者的预后。但是Dextroscope VR 系统还不能完全代表真实的术中情况,其重建图像是在原始图像的基础上完成的,质量受原始图像的影响,只有在原有图像上显示出来的组织结构才能在三维环境中重建和显示。另外,若想显示出微小的解剖结构,比如脑神经和微血管,就需要更加精确的重建计划。而手术中软组织的移位、顺应性的改变等情况,也对 VR技术提出更大的挑战[11]。

    参考文献

    张晓硌, 周良辅, 毛颖, 等. 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,20 08 ,3 4:13 5-13 8

    汤海亮, 宫晔, 毛颖, 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

    张晓硌, 吴劲松, 毛颖, 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,20 06 ,2 9:4 15 -4 18,插 1周良辅.现代神经外科学[M].上海:复旦大学出版社,2 0 0 1 :4 3 8

    Joung H. Lee. Meningiomas (Diagnosis, Treatment, and Outcome)[M]. London:Springer-Verlag London Limited,2008:327 Kockro RA, Serra L, Tseng-Tsai Y, et al. Planning and simulation of neurosurgery in a virtual reality environment[J]. Neurosurgery,2000,46:118-135

    Khu KJ, Nq I, Ng WH. The relationship between parasagittal and falcine meningiomas and the superficial cortical veins: a virtual reality study[J]. Acta Neurochir (Wien),2009,151:1459-1464

    Rosahl SK, Gharabaghi A, Hubbe U, et al. Virtual reality augmentation in skull base surgery[J]. Skull Base,2006,16:59-66 Spicer MA, van Velsen M, Caffrey JP, et al. Virtual reality neurosurgery:a simulator blueprint[J]. Neurosurgery, 2004,54:783-797

    Stadie AT, Kockro RA, Reisch R, et al. Virtual reality system for planning minimally invasive neurosurgery. Technical note[J]. JNeurosurg,2008,108:382-394 

    Torkington J, Smith SG, Rees BI, et al. Skill transfer from virtual reality to a real laparoscopic task[J]. Surg Endosc,2001,Oct;15:1076-1079

标签:手术医疗前颅底脑膜瘤
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