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關于Dextroscope虛擬現實手術規劃系統在神經外科的應用
【論文關鍵詞】 顱底外科 虛擬現實 神經外科 手術計劃
【論文摘要】 目的 應用手術規劃系統，探索虛擬現實技術在神經外科的應用價值和方法。方法 術前采集10例顱內深部病變患者的CT、MRI、CTA、MRA、DSA影像資料輸入Dextroscope工作站進行圖像融合處理和三維重建，在虛擬影像上觀察病變與周圍組織的空間關系，設計手術入路、模擬手術過程進行骨窗開顱、顱骨磨除及腫瘤切除，并與實際術中所見進行比較。結果 術中所見病變與周邊重要神經血管結構的空間關系和病變解剖細節與術前模擬完全吻合，減少了手術時間。通過手術模擬，術者得以提前預演手術經過，為優化治療方案創造了條件。結論 虛擬現實手術規劃系統有助于術前診斷、制定詳細的手術計劃、預先評價手術難度，提高手術安全性。是醫療教學和訓練的得力工具。
圖像處理技術的飛越，提供了日益清晰細致的影像，但不同成像技術在成像能力上對不同組織各具優勢。虛擬現實（virtual reality, VR）的出現，為不同模式的影像資料融合成同一圖像提供了平臺，使各種成像技術取長補短，并通過后處理，在虛擬三維空間上呈現給人們一個可以交互互動的全息立體仿真。我科自2006年10月至12月間，運用Dextroscope 手術規劃系統，對10例神經外科手術病例進行術前手術規劃和模擬操作，體會如下。
1 資料與方法
1.1 資料 本組共進行了10例術前手術規劃和模擬，其中蝶骨嵴內側型腦膜瘤、聽神經瘤各2例，巨大嗅溝腦膜瘤、垂體瘤、眼動脈瘤、前動脈瘤、巖斜腦膜瘤、松果體區腫瘤各1例。
1.2 Dextroscope工作站(Dextroscope MK 10，新加坡Volume Interactions公司)，包括主服務器和虛擬操作平臺，軟件版本RadioDexter 1.0。(1)術前完成患者各類影像資料的采集，可用DICOM3、TIFF和SGI Classic、Raw volume chunk或slices、Analyze AVW Volume或7.5 Image等多種格式的CT、MRI、MRA、CTA、DSA資料，數據都將會被轉換為RadioDexter原始格式(mk)。掃描要求為無間隔、薄層、無重疊、不間斷連續掃描。(2)加載數據到Radiodexter，通過預處理排除圖像干擾，將各類圖像的優勢細節調試出來，導入Dextroscope VR環境，通過圖像配準和融合，獲得一個細節豐富、易于區分的三維立體圖形。通過分割工具，可以將不同結構單獨挑選出來全方位仔細觀察，還可以調整透明度和分別著色后重新放回原位，使不同結構的分界更加直觀。(3)通過佩戴立體眼鏡和將雙手伸入反射鏡面背后操縱電磁示蹤設備，術者有機會體驗顯微鏡下真實操作環境，模擬手術入路和操作，直接切除病變并空間測量。所有操作動作均可被記錄和反復回放，進行事后評估和演示教學。
1.3 實施手術 依據手術模擬確定的體表標志開顱，對照比較術前虛擬環境與真實手術入路中所見解剖標志和空間關系。
2 結 果
虛擬顯示大腦皮層血管和引流靜脈與術中所見完全吻合。虛擬眼動脈段動脈瘤朝向及瘤頸與前床突及視神經關系與實際相同，簡化了術中周邊探查步驟，從而順利實施前床突磨除和動脈瘤夾閉(圖1)。通過手術模擬，事先獲知蝶骨嵴內側型腦膜瘤對同側頸內動脈和大腦中動脈的包裹情況，手術開始早期腫瘤得以迅速內減壓縮小體積，然后動脈主干得以安全游離，腫瘤全切(圖2)。其他病例術前手術模擬也為手術骨窗調整和病變周邊細節解析提供了常規影像無法獲得的信息，手術時間大為縮短。
虛擬現實技術已經面世多年，但由于早年硬件龐大昂貴，最初僅應用于軍事及航天飛行訓練領域。該技術使代價高昂的操作得以低的無限重復，特別為初級醫務人員無法觸及的領域提供了實踐機會。醫用Dextroscope系統運用VR技術實現了手術操作的真實模擬。最主要的特點是：(1)交互性：按操作者意圖去執行并即刻反饋，盡量接近的真實過程。(2)虛擬性：通過技術將不同影像技術進行整合，在一個數字模型中同時展示各自的優勢，并根據需要在任意角度和平面分別或綜合提供全息化的解剖信息。(3)可復性：由于不接觸病人，虛擬手術操作可多次重復、修改和擴展［1～3］。
3 討 論
本組病例的實際應用顯示，VR系統構建的相關結構三維可視化模型，使操作者可以透過立體眼鏡觀察到三維立體圖像，并且在近似日常操作的眼前30～40 cm處觀察和直接操作3D虛擬對象，不僅真實模擬手眼協調操作，而且同步體驗操作空間的透視縱深感。通過模擬，術者可以更為有效地利用各類影像信息，加深影像理解，更為直觀地了解解剖關系，在手術進行前制定最優的手術計劃，充分估計手術難點、制定對策并反復推演［4］。
我們同時也發現：首先圖像導入后的處理過程需要熟悉，特別是三維數字模型中各個結構的分割處理，調試不當可能損失許多解剖細節。其次，影像解讀仍然需要基于良好的生理和病理解剖知識的判斷，比如嗅溝腦膜瘤病例，模擬顯示腫瘤表面豐富的血管網，卻無法區分實際伴行其間的大腦前動脈主干，需要臨床醫生根據解剖常識去判斷。另外，軟件對高亮信號結構的數據提取良好，對低暗信號病變，比如囊性變部分，圖像分割時很難建立滿意的三維模型。因此，融合較多不同成像方式影像建立的三維模型在結構區分上會更加清晰。
我們認為，Dextroscope VR系統的模擬影像與真實情況吻合度高，充分顯示解剖細節和變異，操作界面友好。對于初學者，有助于無創診斷、模擬外科操作、教學和訓練。對于有經驗的臨床醫生，可以更好解讀患者的解剖信息，預知解剖變異，使手術目標更加清晰，手術操作更加安全。
【參考文獻】
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［4］孫兵,楊德林,顧士欣，等.三維仿真技術虛擬Labbé靜脈解剖在神經外科手術中的應用［J］.臨床神經外科雜志,2008,5:61.
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