混合现实导航技术将成为神经外科手术导航的新方向

作者:慧查重系统     发表时间:2022-06-02 02:36:37   浏览次数:47



摘    要:神经外科手术对导航定位要求较高,目前传统导航是降维显示,使得术者定位时需要丰富的经验及重建三维解剖结构的能力。近年增强现实、混合现实等技术发展迅速,可视化导航已逐渐显现出直观准确的优势,随着其深入应用有望推动神经导航进入一个新的阶段。


关键词:神经外科;神经导航;混合现实;


A promotional application of neuronavigation: mixed reality neuronavigation

CHEN Ling ZHAO Zhen-yu

Department of Neurosurgery,Chinese PL A General Hospital



Abstract:

Neurosurgery has strong requirements for navigation and positioning. At present,traditional navigation gives a dimensionality reduction display,which requires surgeons to have rich experience and the ability to reconstruct anatomical structures. In recent years,with the rapid development of augmented reality and mixed reality technology,visual navigation has gradually shown the advantages of intuitiveness and accuracy. With its in-depth application,it is expected to promote neural navigation to a new stage.


Keyword:

neurosurgery; neuronavigation; mixed reality;


现代神经外科手术理念对精确定位的要求越来越高,医师需要最大程度地切除病变且保护神经功能。而现阶段大多数医院应用的神经导航系统的主要缺陷是导航结果需降维显示在二维胶片或显示器上,因此术者需要将影像学数据与患者的解剖结构联系起来,在脑中重建三维结构。而且手术过程中术者视线需从术区反复转移到导航显示器,这将导致手术时间增长,并且增大错误发生的几率[1]。随着可视化技术的快速发展,混合现实已越来越广泛地应用于神经外科,其为术者呈现立体可视的病变结构及清晰的毗邻重要组织结构,从而降低术后并发症的发生,也便于为患者制定更加精准个体化,安全高效的手术方案。此外,立体影像可让患者更加容易理解病情和手术过程,提高医患之间的沟通效率与信任。混合现实技术应用于远程医疗时,可以提高救治效率,同时可减少医务人员在新型冠状病毒流行期间的职业暴露[2]。混合现实技术应用于教学中可缩短年轻医生掌握操作技术的时间。本文阐述了虚拟技术的分类和发展,可视化混合现实导航技术在神经外科手术中的应用及前景,以期推动可视化混合现实导航并联合5G等技术在外科手术中的应用创新。


1 虚拟现实技术的分类与发展

20世纪80年代初,美国的Joaron Lanier首次提出“Virtual Reality”一词,虚拟现实是利用电脑构造与真实世界相似的数字化虚拟环境,通过输出设备为用户提供身临其境的感受。虚拟现实的基本特征是沉浸性、交互性和构想性;随后发展的增强现实技术是在虚拟现实基础上叠加了真实场景。虚拟现实提供的沉浸感完全是由计算机创建的虚拟环境,而增强现实则是将计算机生成的虚拟物体、场景叠加到真实场景中,以实现虚拟与现实的交互作用,具有虚实结合、实时交互的特点。现在出现的混合现实技术是增强现实技术的延伸,应用可穿戴式眼镜,感知外界物理环境并将计算机构建的模型叠加于现实环境当中,从而实现脱离屏幕状态下的虚拟世界与真实世界的融合,构建了虚拟世界、现实世界和用户之间一个交互反馈的信息回路,实现虚拟与现实的深度交互与共享。


2 可视化导航技术在神经外科手术中的应用

增强现实、混合现实等技术已广泛应用于骨科、泌尿外科等临床诊疗中,增强现实或混合现实可把CT或MRI重建的虚拟图像投射在手术室环境中,叠加于患者的头部,用可视化的融合图像为神经外科手术定位导航[3,4]。在神经肿瘤、神经血管病、脊柱脊髓疾病及其他神经外科疾病的手术治疗过程中,可视化导航技术均体现出了其独特优势。


2.1 中枢神经系统肿瘤手术

尽可能完整地切除肿瘤并最大程度保护神经功能,是神经外科医师追求的目标。而如何在手术当中精准定位,并分辨肿瘤与周围组织结构的解剖关系,是神经外科医生面临的问题。可视化技术用于开颅皮瓣设计时,可以减少皮肤切口长度[5,6]。切除脑膜瘤时,可以清楚地显示肿瘤与静脉窦的关系,达到完全切除肿瘤并最大程度保护静脉窦[6,7],提高脑膜瘤的切除程度。当切除深部的胶质瘤时,可视化技术可以帮助术者选择最佳的手术入路。当术者需要行皮层造瘘切除肿瘤时,也可以看清造瘘皮质结构及肿瘤周围血管和神经组织[8]。在颅底手术中,可视化技术可显示骨结构与病变、颅神经和周围血管的位置关系,以便设计入路,明确磨除骨质的范围,这一优势在神经内镜颅底手术中同样至关重要[5]。随着技术的发展,应用视频投影仪[9]、智能手机或平板电脑辅助[10]进行可视化手术导航与真实结构位置间的误差也越来越小。HoloLens眼镜等可穿戴设备与标准神经导航相比,中位误差为0.4 cm[11]。而使用基于摄像头的运动捕捉系统后,即使导航成像的可视化设备在空间中运动,投影的位置与真实位置的误差也控制在1 mm以内[12]。


2.2 血管病手术

神经外科血管疾病无论动脉瘤还是动静脉畸形(arteriovenous malformation,AVM),在夹闭动脉瘤颈或切除血管畸形时,显露病变血管并保护正常血管都是手术能否成功的关键。可视化导航技术应用于动脉瘤、AVM手术中,同样可以减小切口[13,14,15],同时通过优化头部位置,从而最大程度地减少剥离蛛网膜,并通过3D全方位观察动脉瘤附近的血管解剖来选择最佳的夹闭角度及位置[5,16]。而在颅内多发动脉瘤行搭桥手术时,可视化导航系统可以显示供体血管和受体血管最合适的桥接位置。现在还有研究结合增强现实来评估血液动力学,实现MRI数据的4D显示[17]。可视化技术被应用于AVM手术当中,术者根据重建的图像制定手术方案,避免术中对重要血管的损伤,提高了手术效率且减少术后梗阻等并发症[13]。


2.3 颅脑创伤及穿刺手术

应用增强现实技术,术者可以将患者的血肿及周围重要的神经血管重建于眼前,从而选择最佳的手术入路并实现最大程度地清除血肿。相对比传统的手术方式,增强现实技术的应用最大程度地减少了由于术者经验所导致的主观误差。应用可视化技术辅助脑内血肿穿刺引流术,清除血肿体积可达到97%,并且患者均未出现术后出血的并发症[18],较大程度提高了手术的安全性。因为个体差异,每个人脑室的位置、体积等存在一定差异,从而难以保证一次穿刺便能成功并使引流位置合适[19];而多次穿刺导致脑室周围组织以及血管的损伤几率增加,增加发生术后并发症的几率。有研究者总结使用HoloLens眼镜导航行脑室穿刺术,成功置管需要的平均穿刺次数明显低于徒手组穿刺次数,可视化导航组穿刺偏差也小于徒手穿刺组的偏差[20]。同样对于脑室腹腔分流术及其他功能手术穿刺放置电极,可视化导航也比传统导航具备准确率高、误差小的优势。


2.4 脊柱脊髓手术

脊柱脊髓手术中,对病变的准确定位及进行脊柱功能重建是手术的难点。可视化技术的应用,一方面可进行直观精准地病变定位,还可以帮助术者选择脊柱重建的方案。增强现实在脊柱脊髓手术中,可用于设计椎弓根螺钉置钉时的角度和位置。研究表明增强现实技术与徒手置钉技术相比,提高了椎弓根螺钉置钉位置的准确性,同时减少了反复使用C臂X线透视的次数,降低了对患者和术者的辐射损伤[21];增强现实技术在椎弓根置钉位置的精度约为2.2 mm[22]。Elmi-Terander等[23]行腰骶椎和胸椎椎弓根手术时发现,与传统导航相比,可视化导航总体准确性为94.1%。


3 展望

混合现实导航在神经外科手术中的应用具有很大潜力和广阔前景,可将重建的虚拟图像重叠在实际的手术场景中,从而帮助术者准确定位并快速制定手术计划,减少主观错误的发生。混合现实导航通常仅需十几分钟的处理即可生成数据,能够满足手术及临床的应用需求。但与所有形式的导航一样,可视化导航技术也会遇到术中“脑移位”的问题。目前临床往往通过其他术中监测方法,如MRI、超声、电生理,提高定位精确度[24]。现阶段混合现实导航仅有视觉上的输入,缺乏其他感官的反馈进行辅助。随着技术的升级,可视化导航可能提供视听触等多种模式的反馈,从而进一步减少导航偏差。


现阶段,随着中国5G通信技术的高速发展,可视化导航与5G通信技术结合,也将为医学发展地域不均衡的问题提供解决方法。尤其对于基层医院的神经外科急诊手术,有经验的神经外科医师无法及时赶到现场时,可通过穿戴设备及可视化导航,远程指导抢救,甚至参与手术,从而实现真正意义上的远程医疗。疫情防控期间外科医师也可以通过虚拟现实技术为隔离病区的医师提供及时的技术支持,提高隔离区非专科医师学习掌握新技术的效率,节省会诊、穿脱隔离服等过程的时间,同时最大程度地降低了职业暴露的风险。


随着科学技术的发展,可穿戴设备的体积也将越来越小,混合现实导航对术者的操作将更加便捷并且不会遮挡手术视野。随着可视化导航与手术机器人、腔镜等技术的结合,还可以实现多种器械同时操作、多人协同手术、远程操作等神经外科手术模式。可视化混合现实导航技术的研发与应用,有望将神经外科手术导航引入一个全新的发展阶段。


利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。


参考文献


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