楊吉鵬，李曉瞳，王同聚，李琛，李朝暉，胡紅超，孫曉楓

0 引言

聽神經(jīng)瘤是后顱窩最常見的良性腫瘤，約占顱內(nèi)腫瘤的6%～8%，約占橋小腦角區(qū)腫瘤的80%～90%。手術切除是聽神經(jīng)瘤最主要的治療手段。盡管國內(nèi)外各大外科中心報道的聽神經(jīng)瘤術后面神經(jīng)解剖保留率已達到90%以上，但面神經(jīng)功能保留率卻存在很大差異[1]。隨著聽神經(jīng)瘤“精準”手術治療概念的提出，利用影像學等各種手段輔助面神經(jīng)的解剖與功能保留是聽神經(jīng)瘤手術治療的發(fā)展趨勢?；旌犀F(xiàn)實（mixed reality,MR）技術是當今數(shù)字信息技術的最新產(chǎn)物，可將全息的三維影像直觀、立體地呈現(xiàn)在現(xiàn)實世界中，并通過人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)用戶與虛擬影像的互動及虛擬世界與現(xiàn)實世界的融合[2]。本課題組為探索混合現(xiàn)實技術在聽神經(jīng)手術治療中的應用價值，初步應用混合現(xiàn)實技術輔助13例聽神經(jīng)瘤患者進行術前手術方案的制定、醫(yī)患溝通與術中導航，并總結如下。

1 資料與方法

1.1 研究對象

收集2020年7月—2021年6月于河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院神經(jīng)外科收治并進行手術治療的13例聽神經(jīng)瘤患者資料，均為首次入我院治療，既往無手術史，女7例，男6例，年齡32～61歲，左側5例，右側8例，腫瘤最長徑1.6～4.7 cm，實質(zhì)型9例，少許囊變2例，明顯囊性變2例。臨床表現(xiàn)：13例均出現(xiàn)患側聽力下降，其中3例仍保有部分聽力，伴頭暈3例，無肢體無力與肢體麻木病例，既往高血壓病史1例。所有患者均自愿參與本項目研究，并已簽署知情同意書，本研究經(jīng)河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院科研倫理委員會審核批準（審查決議編號：2020-R116）。

1.2 影像學檢查

13例患者術前常規(guī)應用GE3.0T磁共振儀進行T1WI、T2WI、T1增強、循環(huán)相位穩(wěn)態(tài)采集快速成像（fast imaging employing steady state acquisition with cycled phases,FIESTA-C）及PHILIPS Achieva 3.0T掃描儀行DTI序列檢查。掃描參數(shù)如下：（1）FIESTA-C序列：軸位掃描，TR 4.7 ms，TE 2.2 ms，層厚0.8 mm，間距0，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，矩陣256×256；（2）DTI：軸位掃描，32個方向的彌散加權成像，TR 4000 ms，TE 82.2 ms，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，擴散加權系數(shù)b值為1000 mm2/s，矩陣128×128，層厚2 mm，層間距 0 mm，激發(fā)次數(shù)2次[3]。影像學數(shù)據(jù)均以DICOM格式收集。

1.3 3D模型的建立及MR技術的準備

將13例患者的影像數(shù)據(jù)經(jīng)Mango軟件進行格式轉換后，導入3DSlicer 4.11軟件建立3D模型。首先利用“General Registration（Elastix）與Landmark Registration”模塊將CT與MRI等數(shù)據(jù)配準。在Segment Editor模塊中分別建立血管、腫瘤、顱骨、靜脈、皮膚等3D模型。重建面神經(jīng)時，根據(jù)FIESTA-C圖像描繪患側內(nèi)聽道與面神經(jīng)根出腦干部兩個區(qū)域作為感興趣區(qū)（region of interest,ROI），利用Tractography seeding和Tractography Display模塊追蹤與修剪通過這兩個ROI區(qū)的神經(jīng)纖維束。纖維束追蹤時參數(shù)為：初始追蹤間距取0.2 mm，線性測量閾值取0.2，F(xiàn)A閾值取0.1，曲率閾值取0.8，纖維束最短長度為5 mm[3]。在初始示蹤纖維中去除明顯不是面神經(jīng)的纖維束，如通過感興趣區(qū)域中的上行或下行的纖維束、連接腦干與小腦的纖維束等。將上述模型以STL格式保存并導入“星圖”混合現(xiàn)實影像系統(tǒng)（河北卓影醫(yī)療科技有限責任公司），以V3D格式（混合現(xiàn)實系統(tǒng)內(nèi)部的一種數(shù)據(jù)傳輸格式）輸出，通過一種頭戴式全息顯示器-MR眼鏡（Hololens，美國Microsoft公司）觀看患者的全息3D模型影像。

1.4 術前手術方案的制定及醫(yī)患溝通

當醫(yī)生們同時佩戴MR眼鏡并利用配套的平板電腦操控或手勢識別的方式對3D模型影像進行放大、旋轉、淡化、標注等編輯，充分了解腫瘤、面神經(jīng)、血管等解剖結構的位置關系；并通過調(diào)節(jié)透明度、測量距離與角度等功能進行解剖分析從而制定個體化的手術方案。當患者或家屬佩戴MR眼鏡時，醫(yī)生可通過3D全息模型影像直觀、立體地向患者或家屬講解腫瘤的位置、相關結構的解剖關系、手術方案和手術風險。

1.5 醫(yī)患溝通調(diào)查問卷

13例聽神經(jīng)瘤患者與家屬在術前醫(yī)患談話后填寫醫(yī)患溝通調(diào)查問卷：（1）患者與家屬對病情、手術過程與風險等談話內(nèi)容的理解程度；（2）混合現(xiàn)實技術呈現(xiàn)的3D模型影像對了解手術過程及手術風險的有用程度；（3）混合現(xiàn)實技術在術前醫(yī)患談話中的重要程度；（4）對術前談話的整體滿意度。

1.6 手術方式與混合現(xiàn)實技術的術中應用

13例聽神經(jīng)瘤手術均采用乙狀竇后入路，術者通過MR眼鏡全息的觀察3D模型影像，并通過操控平板電腦將3D模型影像與患者頭部匹配融合，快速定位乳突體表投影及橫竇-乙狀竇移行處于顱骨表面的位置，幫助手術切口的設計與關鍵孔的定位。術中利用神經(jīng)電生理監(jiān)測電刺激器驗證面神經(jīng)與腫瘤的實際位置關系，見圖1，通過與術前3D模型影像所呈現(xiàn)的面神經(jīng)與腫瘤相對位置關系進行比較，驗證混合現(xiàn)實呈現(xiàn)面神經(jīng)走行的準確性與可靠性。同時輔助腫瘤的切除與面神經(jīng)的保護，術后1周檢查患者的面神經(jīng)功能，檢驗混合現(xiàn)實技術輔助保護面神經(jīng)的有效性與先進性。

圖1 面神經(jīng)與腫瘤位置關系Figure 1 Position relation between facial nerve and acoustic neuroma

2 結果

2.1 混合現(xiàn)實成功呈現(xiàn)三維模型影像

13例聽神經(jīng)瘤患者腫瘤、面神經(jīng)、靜脈竇、動脈、顱骨、頭面部皮膚的3D模型均成功建立，其三維全息影像經(jīng)混合現(xiàn)實技術于術前完美呈現(xiàn)。其中1例術前核磁與3D模型影像，見圖2。術前三維模型影像中發(fā)現(xiàn)面神經(jīng)腦池段主要位于腫瘤前上5例，前中3例，前下方4例，上方1例。通過改變顱骨的透明度可清晰顯示13例患者橫竇-乙狀竇移行處于顳骨表面的投影。經(jīng)術中電生理監(jiān)測探查證實，10例患者術前重建的面神經(jīng)位置和走行與術中實際位置相符（準確率84.6%），1例術前重建提示面神經(jīng)腦池段主要在腫瘤的前上并經(jīng)腫瘤腹側向后下，實際位置是面神經(jīng)從腫瘤前中、上方經(jīng)腹下側向后入腦干；1例術前重建提示面神經(jīng)腦池段主要在腫瘤的前下向后方走行，術中探查面神經(jīng)纖維經(jīng)腫瘤正腹側（前中）向下入腦干。1例囊性腫瘤術前面神經(jīng)重建不全，面神經(jīng)前半部分重建失敗，后半部分經(jīng)腫瘤腹下側入腦干，見表1。

圖2 1例聽神經(jīng)瘤術前核磁與3D模型影像Figure 2 Magnetic resonance imaging and three dimensional model image of one patient with vestibular schwannoma

表1 13例患者信息、面神經(jīng)重建符合情況、術前與術后面神經(jīng)功能Table 1 Relevant information,coincidence rate of reconstructed facial nerve,pre-and post-operative facial nerve function of 13 patients

2.2 混合現(xiàn)實輔助術前手術方案的制定

通過混合現(xiàn)實全息的呈現(xiàn)3D影像，醫(yī)生可在術前對每例患者進行精準的解剖分析。經(jīng)過對腫瘤伸入內(nèi)聽道程度、內(nèi)聽道口擴張情況及顳CT結果等綜合分析，決定術中磨除部分內(nèi)聽道后壁11例，并初步測量了磨除的范圍與深度，術后無1例腦脊液漏。依據(jù)面神經(jīng)腦池段前半部分與腫瘤的位置關系，初步預測面神經(jīng)在腫瘤表面分布與走行的區(qū)域，確定術中利用電極刺激器重點探查且重點保護的腫瘤表面區(qū)域，見圖3A～B。

2.3 混合現(xiàn)實輔助醫(yī)患溝通

患者或家屬往往很難準確認識與理解醫(yī)生所講的病情、腫瘤位置、手術方式與風險，增加了潛在醫(yī)療糾紛的可能性，且占用醫(yī)生一定的工作時間與精力。本研究利用MR技術與13例聽神經(jīng)瘤家屬與患者進行術前談話，結果發(fā)現(xiàn)MR所呈現(xiàn)3D全息影像可使患者與家屬更直觀、更準確地理解患者病情、腫瘤位置及其與周圍結構的解剖關系、手術方法與風險，顯著減少了患者與家屬理解的困難度與術前談話的時間。調(diào)查問卷結果顯示：本組13例患者與家屬均對病情、手術方式與風險的講解表示充分、透徹地理解，均高度認可MR技術在幫助患者與家屬正確理解病情、手術方式與風險等談話內(nèi)容過程中的重要作用，均對術前醫(yī)患談話整體過程表示非常滿意。

2.4 術中混合現(xiàn)實的應用

術中將3D影像與患者頭顱融合，利用橫竇-乙狀竇、乳突、星點的體表投影協(xié)助設計手術切口，見圖3C，13例切口位置均十分滿意；當充分顯露顱骨時，通過橫竇-乙狀竇在顱骨表面的投影進一步確定關鍵孔的位置并指導銑刀移動的方向，有效地避免損傷靜脈竇，也節(jié)省了因關鍵孔位置不理想而需咬除和磨除過多顱骨所損耗的時間。本組13例術前3D影像顯示靜脈竇的位置與術中實際位置完全相符，術中關鍵孔定位均十分滿意，無1例損傷靜脈竇，骨瓣復位后顱骨缺損顯著減少。通過全息呈現(xiàn)面神經(jīng)與腫瘤的相對位置關系，聯(lián)合神經(jīng)電生理監(jiān)測指導術中對腫瘤表面重點區(qū)域進行面神經(jīng)的探查與保護，減少了對腫瘤表面反復牽拉與探查的時間。本組13例患者術后1周面神經(jīng)功能檢查結果顯示：3例面神經(jīng)功能Ⅰ級，6例面神經(jīng)功能Ⅱ級，3例面神經(jīng)功能Ⅲ級，1例面神經(jīng)功能Ⅳ級，患者術前重建的面神經(jīng)位置和走行與術中實際位置的準確率達84.6%，見圖4。

圖3 混合現(xiàn)實技術在聽神經(jīng)瘤術前醫(yī)患溝通與手術治療中的應用Feature 3 Application of mixed reality technology in preoperative doctor-patient communication and surgical treatment for vestibular schwannoma

圖4 術中面神經(jīng)保留情況與術后7天患者面神經(jīng)功能Figure 4 Anatomic preserving of facial nerve during surgery and function of facial nerve seven days after operation

3 討論

手術切除是聽神經(jīng)瘤最主要治療方式。目前，術中全切腫瘤同時解剖保留面神經(jīng)已不難實現(xiàn)，但如何提高面神經(jīng)的功能保留率仍是廣大神經(jīng)外科醫(yī)生探索的問題。實現(xiàn)面神經(jīng)功能保留的前提是明確面神經(jīng)與腫瘤的相對位置關系。由于目前還沒有能直接顯示聽神經(jīng)瘤患者面神經(jīng)具體走行情況的影像學檢查，神經(jīng)外科醫(yī)生起初主要靠經(jīng)驗性的預測面神經(jīng)與腫瘤的位置關系，這種預測帶有較強的主觀性。術中神經(jīng)電生理監(jiān)測可通過面肌自發(fā)與誘發(fā)的肌電圖提示術者面神經(jīng)的位置，很好地輔助術者保護面神經(jīng)[4-5]。但在術中探查面神經(jīng)走行與切除腫瘤時，反復牽拉腫瘤或器械直接觸碰難免會引起部分面神經(jīng)纖維不可逆的損傷；此外，神經(jīng)電生理監(jiān)測也被證實具有一定的滯后性，出現(xiàn)術中面神經(jīng)肌電反應與術后面神經(jīng)功能不符的情況[6]。如何能提前準確預知面神經(jīng)于腫瘤表面的走行，減少對腫瘤表面反復的牽拉與觸碰進而保護面神經(jīng)功能，是目前聽神經(jīng)瘤精準治療的熱點問題。

隨著醫(yī)學影像技術與數(shù)字電子信息技術的快速發(fā)展，基于3D技術的虛擬現(xiàn)實（virtual reality,VR）、增強現(xiàn)實（augmented reality,AR）與混合現(xiàn)實已應用于醫(yī)學領域多個專業(yè)，對外科手術的輔助作用已受到廣泛重視[3,7-9]。而MR是目前最先進、功能最強大的3D影像顯示系統(tǒng)。MR不僅克服了AR與VR的技術局限還結合了兩者的優(yōu)勢，使術者既可以看到真實的現(xiàn)實場景，還可以通過手勢識別或平板電腦與3D虛擬影像進行互動[2,10]。所以MR可應用的領域非常廣泛[11]。目前MR技術在醫(yī)學領域已被應用于骨科、胸外科、神經(jīng)外科等專業(yè)，在手術計劃制定、手術模擬、醫(yī)患溝通與年輕醫(yī)生培養(yǎng)方面發(fā)揮重要的作用[11-13]。在神經(jīng)外科領域，中國人民解放軍總醫(yī)院的陳曉雷教授在國內(nèi)最早利用MR輔助神經(jīng)外科手術，在應用MR輔助膠質(zhì)瘤、腦出血等治療方面擁有豐富的經(jīng)驗[6-7,14]。但至今尚無有關MR應用于聽神經(jīng)瘤手術的臨床研究。

聽神經(jīng)瘤與面神經(jīng)相對位置關系復雜多變，面聽神經(jīng)的保護是手術難點。過去術者通過MRI、CT等二維影像上對面神經(jīng)位置進行經(jīng)驗性的預測，對于術中可能存在的情況與風險也很難做出全面的評估和預判。MR技術可使術者在術前獲得全息的腫瘤及相關解剖結構的3D模型影像，從全方位、任意角度直接觀察腫瘤大小、面神經(jīng)位置、腦干、動脈、橫竇及橫竇-乙狀竇移行處位置等解剖信息，有利于制定個體化的手術方案[15]。此外，利用MR進行術前解剖分析可以幫助年輕醫(yī)生加深對復雜、抽象解剖結構的理解、提高對解剖理論與手術策略的學習效率[12,16]。

在術前醫(yī)患談話時，由于患者與家屬缺乏醫(yī)學、解剖等專業(yè)知識，對醫(yī)生所講的病情、手術方式、手術過程與風險等內(nèi)容不能準確、透徹的理解，可能導致術后實際情況與術前預期相差過大，進而引起醫(yī)療糾紛。本研究中術前醫(yī)患溝通時，患者或家屬僅需佩戴MR眼鏡即可清晰地看到腫瘤、面神經(jīng)、腦干等解剖結構的3D全息影像，有利于患者與家屬透徹、準確地理解自身病情、手術方式與風險等談話內(nèi)容，特別是術中面神經(jīng)功能相關的風險。該技術不僅提高醫(yī)患溝通效率，還能提高患者與家屬對醫(yī)生的診療服務與醫(yī)患交流的整體滿意度，有助于減少醫(yī)療糾紛[17-18]。

在術中開顱時，利用MR技術幫助術者進行顳骨乳突、橫竇、橫竇-乙狀竇交界處等關鍵結構的精準定位。通過直接將患者的3D影像疊加于患者頭顱或真實術野，可以清晰、準確地了解橫竇-乙狀竇在頭皮與顱骨表面的投影，有效幫助橫竇-乙狀竇移行處關鍵孔的精準定位，同時指導銑刀移動的軌跡，既可避免損傷靜脈竇又可減少顱骨磨除所致的骨質(zhì)缺損，顯著縮短開顱時間。依據(jù)3D影像中面神經(jīng)在腫瘤表面的走行位置，指導術者利用電刺激器直接探查重點的區(qū)域，以明確面神經(jīng)的實際走行情況，減少了對腫瘤表面無意義的牽拉與觸碰，可顯著減少面神經(jīng)等重要結構的副損傷[19]。本研究13例患者術后1周面神經(jīng)Ⅲ級以上12例（92.3%）。隨機收集2020年6月以前本課題組僅利用神經(jīng)電生理監(jiān)測輔助聽神經(jīng)瘤手術19例患者資料，術后1周面神經(jīng)功能Ⅲ級以上13例（68.4%）。結果顯示利用混合現(xiàn)實技術輔助后面神經(jīng)功能保留率較前有所提高，但病例數(shù)量有限，今后仍需積累病例進一步研究與探索。

本課題組關于MR技術輔助聽神經(jīng)瘤手術有以下體會：（1）MR技術呈現(xiàn)的模型影像依賴于MRI、CT檢查的原始數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)等因素均可影響重建3D模型的分辨率與精確性，故在影像學檢查時應嚴格設置參數(shù)以保證影像數(shù)據(jù)的高質(zhì)量；（2）將重建模型精準疊加于真實術野中可能會增加額外的操作與調(diào)整時間，3D影像也可能影響術者對實際術野的觀察，需臨床醫(yī)生不斷的練習與適應；（3）聽神經(jīng)瘤多起源于前庭神經(jīng)，面神經(jīng)多被擠到腫瘤一側且位于腫瘤表面，故通過本研究所描述方法重建腫瘤表面的神經(jīng)纖維是面神經(jīng)，前庭神經(jīng)和蝸神經(jīng)多早已萎縮，一般很難重建，僅小聽神經(jīng)瘤可能于腫瘤內(nèi)部重建出前庭、蝸神經(jīng)纖維，但目前仍無法準確分辨二者；（4）主張MR技術與神經(jīng)電生理監(jiān)測聯(lián)合輔助聽神經(jīng)瘤手術，當術前重建的面神經(jīng)走行與術中電刺激器探查的實際走行不一致時，建議以實際探查結果為主，同時也要注意對術前重建的面神經(jīng)走行區(qū)域進行保護。本組13例患者中2例術前面神經(jīng)重建位置與術中實際位置不一致，其中1例聽神經(jīng)瘤患者術前重建面神經(jīng)主要位于腫瘤前上方，但術中腫瘤腹側（前中）也明顯探查到面神經(jīng)纖維的存在，術中重點保護前中、上方的腫瘤包膜，患者術后1周面神經(jīng)功能Ⅱ級。另1例患者術前重建面神經(jīng)主要位于腫瘤前下方，術中探查面神經(jīng)實際經(jīng)腫瘤正腹側（前中）向下入腦干，雖然術中對腫瘤前中、下方表面包膜重點保護，但術后面神經(jīng)功能為Ⅳ級，可能于術中反復探查時，多次觸碰及牽拉面神經(jīng)導致神經(jīng)損傷，也不除外其他不明原因；（5）MR呈現(xiàn)的3D模型影像是依據(jù)術前MRI與CT原始數(shù)據(jù)建立的，不能跟隨手術進程而發(fā)生相應的改變，此外，任何引起顱內(nèi)情況改變的事件均可影響3D模型影像與實際術野融合的精準性，故MR只能作為術者參考的輔助手段；（6）本研究是利用3DSlicer軟件建立3D醫(yī)學模型，該軟件開源且功能強大，深受廣大醫(yī)生推崇，但仍有一定的局限性，今后還需進一步探索與學習其他3D建模軟件如Matlab等，發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢來建立更高質(zhì)量的醫(yī)學模型來輔助臨床工作。

綜上所述，MR技術可以呈現(xiàn)腫瘤的三維模型影像，全息展現(xiàn)腫瘤及相關重要解剖結構，術前輔助制定手術方案，協(xié)助醫(yī)患溝通，術中輔助并指導手術，在聽神經(jīng)瘤診療過程中具有一定的優(yōu)勢。雖然MR技術順應當今數(shù)字化、精準化手術的發(fā)展潮流，但仍存在一定的不足，還需相關技術的發(fā)展與完善。