廖正儉， 陳忠儀， 劉宇清， 何炳蔚， 黃繩躍， 洪文瑤， 潘儒君

隨著顯微外科及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，臨床上如何做到準(zhǔn)確定位顱內(nèi)幕上病變，并進(jìn)行個(gè)性化手術(shù)切口設(shè)計(jì)，是手術(shù)醫(yī)生亟待解決的問(wèn)題。20世紀(jì)90年代，精準(zhǔn)神經(jīng)外科理念深入人心，神經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備在三甲醫(yī)院普及并逐漸推廣應(yīng)用。近年來(lái)，隨著基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其可將計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬模型與真實(shí)場(chǎng)景疊加，以增強(qiáng)使用者直接感觀的功能已得到初步應(yīng)用。本研究利用AR技術(shù)，將三維虛擬模型圖像通過(guò)移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī))透視疊加到患者體表及術(shù)野，為手術(shù)提供導(dǎo)航，輔助手術(shù)方案制定與實(shí)施，并自主研制出獨(dú)特的二維碼標(biāo)志物設(shè)置方法，報(bào)道如下。

1 臨床資料

1.1 對(duì)象 隨機(jī)選取筆者醫(yī)院神經(jīng)外科2018年9月—2020年12月收治的擬在神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)(image guided neurosurgery system, IGNS)引導(dǎo)下行幕上腫瘤手術(shù)的患者54例，其中男性32例，女性22例；年齡(48.52±9.98)歲(34～76歲)。術(shù)前影像診斷考慮：腦膜瘤27例，膠質(zhì)瘤20例，轉(zhuǎn)移瘤5例，淋巴瘤2例。

1.2 方法

1.2.1 分組 54例患者先后利用傳統(tǒng)定位方法(傳統(tǒng)組)、AR移動(dòng)手術(shù)定位軟件定位方法(研究組)和標(biāo)準(zhǔn)TGNS定位方法(對(duì)照組)進(jìn)行顱內(nèi)病變術(shù)前定位。

1.2.1.1 傳統(tǒng)組 根據(jù)MRI圖像上病變特征，通過(guò)傳統(tǒng)定位法配合卷尺測(cè)量，在患者頭顱進(jìn)行體表定位并做切口標(biāo)記。

1.2.1.2 研究組 利用Mimics工程軟件重建CT及MRI圖像，建立病變部位的三維虛擬模型；將模型導(dǎo)入仿真軟件Unity3d，設(shè)置為二維碼標(biāo)記的子對(duì)象，在Unity3d中調(diào)整病灶模型相對(duì)于二維碼標(biāo)記的位置關(guān)系；將設(shè)置好的Unity3d工程導(dǎo)出為安卓APP，安裝到帶有攝像頭的手機(jī)上；將打印出的二維碼標(biāo)記粘貼在術(shù)區(qū)附近體表，用手機(jī)攝像頭掃描二維碼標(biāo)記，即可將三維虛擬模型準(zhǔn)確透視疊加于患者體表及術(shù)野。

1.2.1.3 對(duì)照組 用IGNS定位病變標(biāo)記病變中心在頭皮的投影位置，在頭皮上標(biāo)記腫瘤輪廓。誤差分析：以IGNS定位為參照標(biāo)準(zhǔn)。由于腫瘤等病變區(qū)域形狀的不規(guī)則性，以中心點(diǎn)方法分析移動(dòng)AR手術(shù)定位系統(tǒng)與IGNS的定位結(jié)果誤差準(zhǔn)確性較差。為便于理解，將病變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為球形，其頭皮投影為圓形(以實(shí)線表示)。移動(dòng)AR定位系統(tǒng)定位后，以標(biāo)記筆標(biāo)記病變輪廓(以虛線表示)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)輪廓中心之間的差距，即為定位誤差值(圖1)。

實(shí)線籃色圓形為顱內(nèi)病變的頭皮投影，實(shí)心點(diǎn)O為中心點(diǎn)；虛線紅色圓形為移動(dòng)AR定位輪廓，虛線空心圓O’為其中心點(diǎn)；dOO’為兩中心點(diǎn)之間的距離。圖1 定位誤差分析Fig.1 Surgical incision design and treatment

1.2.2 手術(shù)方法 以導(dǎo)航定位中心點(diǎn)設(shè)計(jì)切口，根據(jù)不同病變的最大徑需要，向外擴(kuò)展1～2 cm，個(gè)性化設(shè)計(jì)手術(shù)切口進(jìn)行常規(guī)開(kāi)顱(圖2)。比較術(shù)前定位與術(shù)中所見(jiàn)病變的真實(shí)位置，將各種定位方法準(zhǔn)確度分為優(yōu)良、合格、不合格3個(gè)等級(jí)。誤差值等級(jí)設(shè)定：優(yōu)良為不超過(guò)神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的最大誤差值，即≤4 mm；合格為4 mm<誤差值<10 mm；不合格為誤差值≥10 mm。

A：將病灶與周圍血管三維虛擬模型化，并設(shè)置為二維碼標(biāo)記的對(duì)象；B：將三維虛擬模型投射于患者體表；C：通過(guò)三維虛擬模型與術(shù)野匹配，快速尋找病變并辨別毗鄰重要組織結(jié)構(gòu)；D：術(shù)前CTV掃描圖像；E：MRI掃描圖像(術(shù)前及術(shù)后)；F：術(shù)中所見(jiàn)腫瘤及腫瘤全切。圖2 手術(shù)切口設(shè)計(jì)及治療Fig.2 Surgical incision design and treatment

1.3 結(jié)果 本組所有病例的病變位置均在術(shù)前定位所設(shè)計(jì)的個(gè)性化手術(shù)切口及顱骨骨窗范圍內(nèi)。手機(jī)AR定位誤差為(4±3)mm，與標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航定位比較，差別無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，可以認(rèn)為效果相當(dāng)。應(yīng)用手機(jī)AR及IGNS技術(shù)定位的精確性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)定位方法，手術(shù)效果滿意，隨訪患者術(shù)后言語(yǔ)、體動(dòng)、認(rèn)知等情況恢復(fù)良好。術(shù)前通過(guò)手機(jī)AR技術(shù)進(jìn)行顱內(nèi)幕上病變進(jìn)行定位，并合理設(shè)計(jì)個(gè)性化手術(shù)切口，能夠較準(zhǔn)確勾畫(huà)出病變的體表投影，術(shù)中進(jìn)一步證實(shí)其可靠性。

2 討 論

神經(jīng)外科是以手術(shù)為主的一門(mén)高精尖學(xué)科。傳統(tǒng)上通過(guò)分析術(shù)前CT/MRI影像資料結(jié)合術(shù)者經(jīng)驗(yàn)與解剖學(xué)特征計(jì)算病灶的大致位置，確定手術(shù)切口大小和骨窗位置，其誤差比較大，尤其對(duì)于腦深部腫瘤，往往無(wú)法準(zhǔn)確定位病變的體表位置，易導(dǎo)致周圍正常的重要腦組織損傷、出血等嚴(yán)重并發(fā)癥。因此，如何實(shí)現(xiàn)顱腦病變結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確定位，一直是神經(jīng)外科醫(yī)生不斷努力研究的重點(diǎn)。

1947年，隨著框架立體定向設(shè)備的問(wèn)世并應(yīng)用于臨床，實(shí)現(xiàn)腦深部腫瘤的較準(zhǔn)確體表定位，但該技術(shù)存在較大不足[1-2]。在術(shù)前影像掃描時(shí)，需要提前固定立體定位框架。早期框架比較笨重，還需釘子固定，不僅檢查不方便，且對(duì)患者頭部會(huì)造成一定程度的創(chuàng)傷，尤其不適用于兒童及顱骨較薄者；術(shù)中定位盡管完全按照術(shù)前手術(shù)計(jì)劃，但因術(shù)中釋放腦脊液存在腦組織漂移等情況，術(shù)前計(jì)劃的虛擬位置與手術(shù)時(shí)顱腦真實(shí)病變位置會(huì)產(chǎn)生較大差別，無(wú)法實(shí)時(shí)反映手術(shù)當(dāng)時(shí)病變相對(duì)位置；設(shè)備體積大，影響術(shù)中操作等。基于框架立體定向設(shè)備存在的不足，上個(gè)世紀(jì)末，結(jié)合術(shù)前CT圖像、顱腦特殊體表標(biāo)志及手術(shù)顯微鏡，Yasuda等[3]和Eftekhar[4]建立了無(wú)框架立體定向系統(tǒng)。該系統(tǒng)稱為圖像引導(dǎo)神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的問(wèn)世，克服了有框架立體定向技術(shù)的多種缺陷，明顯提高了術(shù)前病變定位準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步減小手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時(shí)間并提高手術(shù)質(zhì)量，是微創(chuàng)神經(jīng)外科手術(shù)過(guò)程不可或缺的手術(shù)設(shè)備。但由于神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格昂貴、設(shè)備體積大、操作流程復(fù)雜、使用成本較高，因此難以廣泛應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)非功能區(qū)顱內(nèi)占位來(lái)說(shuō)，神經(jīng)導(dǎo)航的使用僅是用于確定病灶位置，輔助手術(shù)切口設(shè)計(jì)，使用成本較高，因此，有必要開(kāi)發(fā)一種操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用且可廣泛推廣的定位系統(tǒng)。

AR也稱為混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可將三維虛擬模型疊加到真實(shí)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的立體視覺(jué)效果。隨著移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)、平板電腦等)的普及以及高端智能化，AR技術(shù)與移動(dòng)設(shè)備的結(jié)合，即移動(dòng)AR技術(shù)，是今后計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于游戲、軍事、房地產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域，并取得良好的應(yīng)用成果及社會(huì)評(píng)價(jià)[5-8]。近年來(lái)，關(guān)于AR技術(shù)在“醫(yī)-教-研”應(yīng)用方面也逐漸成為熱門(mén)研究方向[9-11]，但少有報(bào)道應(yīng)用在神經(jīng)外科手術(shù)中[12]。利用AR技術(shù)將醫(yī)學(xué)圖像虛擬三維重建、配準(zhǔn)并疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，可以更加直觀觀察顱內(nèi)病灶形態(tài)、大小、空間位置及其與周圍正常神經(jīng)血管的解剖關(guān)系，從而合理設(shè)計(jì)個(gè)性化手術(shù)切口，定位精準(zhǔn)，減少并發(fā)癥。

本研究是基于移動(dòng)AR技術(shù)的神經(jīng)外科手術(shù)定位系統(tǒng)，進(jìn)行顱腦幕上病變的準(zhǔn)確定位。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)AR技術(shù)的精確性與神經(jīng)導(dǎo)航定位相當(dāng)，并為個(gè)性化設(shè)計(jì)手術(shù)切口、骨窗及入路提供視覺(jué)依據(jù)，為微創(chuàng)手術(shù)的開(kāi)展提供技術(shù)支持與手術(shù)方案指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、微創(chuàng)化和精準(zhǔn)化的手術(shù)治療，并自主研制出獨(dú)特的二維碼標(biāo)志物設(shè)置方法，獲得國(guó)家發(fā)明專利。本研究應(yīng)用的手術(shù)定位系統(tǒng)無(wú)需依托IGNS設(shè)備，將術(shù)前重建的虛擬模型導(dǎo)入定位系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的三維立體定位，操作簡(jiǎn)便且安全可靠，能夠使術(shù)者更直觀地理解顱腦病變與周圍正常解剖的空間位置關(guān)系，提高定位準(zhǔn)確度，輔助尚缺乏神經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備地區(qū)的臨床醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前頭顱體表定位，指導(dǎo)微創(chuàng)顱腦手術(shù)的開(kāi)展。該系統(tǒng)不僅定位效果理想，而且使用成本低，值得普遍推廣。

本研究通過(guò)手機(jī)移動(dòng)AR技術(shù)的應(yīng)用，具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)輔助手術(shù)方案制定。將三維虛擬模型準(zhǔn)確透視疊加到患者體表，使病變及毗鄰重要結(jié)構(gòu)關(guān)系清晰顯示，一目了然，可直接指導(dǎo)手術(shù)方案制定。(2)輔助術(shù)中導(dǎo)航。通過(guò)三維虛擬模型與術(shù)野的準(zhǔn)確匹配，術(shù)中可快速尋找病變、預(yù)見(jiàn)性保護(hù)重要結(jié)構(gòu)、即時(shí)了解病變切除情況。(3)醫(yī)患溝通。利用疊加效果，病患可清晰了解病情和手術(shù)方案，醫(yī)患溝通過(guò)程簡(jiǎn)單、高效。目前尚未開(kāi)發(fā)出完整的應(yīng)用軟件系統(tǒng)；且病例數(shù)較少，定位準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步測(cè)試、完善以及臨床驗(yàn)證。