■ 文 /章琛曦 宋志堅

章琛曦，復(fù)旦大學基礎(chǔ)醫(yī)學院數(shù)字醫(yī)學研究中心副教授。

宋志堅，復(fù)旦大學基礎(chǔ)醫(yī)學院數(shù)字醫(yī)學研究中心主任、教授、博士生導(dǎo)師，上海市醫(yī)學圖像處理與計算機輔助手術(shù)重點實驗室主任。

神經(jīng)外科導(dǎo)航技術(shù)改變了傳統(tǒng)的開顱手術(shù)模式，實現(xiàn)了腦內(nèi)病灶的準確定位，對提高腦腫瘤的切除率、降低手術(shù)并發(fā)癥與死亡率具有重要的臨床價值。

神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)（Neuronavigation），又稱圖像引導(dǎo)神經(jīng)外科(Image-guided neurosurgery，IGNS)，是基于CT、MRI等術(shù)前影像數(shù)據(jù)建立圖像引導(dǎo)空間，借助光學(或磁學)跟蹤儀實時跟蹤顯示手術(shù)器械相對于腦組織和病變部位的位置關(guān)系，從而達到指導(dǎo)醫(yī)生進行手術(shù)操作的目的。在這個系統(tǒng)中，術(shù)前影像就類似于GPS道路地圖，而光學（或磁學）跟蹤設(shè)備可以跟蹤手術(shù)器械，則類似于GPS定位信號。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的開顱手術(shù)模式，實現(xiàn)了腦內(nèi)，尤其是腦深部病灶的準確定位，對于提高腦腫瘤的切除率，降低手術(shù)并發(fā)癥與死亡率具有重要的臨床價值。

無框架立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)

神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，通常指無框架立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)（Frameless stereotactic navigation systems），是由有框架立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)（Frame-based stereotactic navigation system）演變發(fā)展而來的。有框架立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)將立體定位框架固定在患者頭部，進行CT或MRI掃描，借助固定在患者身上而且能在圖像上可視化的標記，建立患者空間和圖像空間之間的轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)影像進行定位。手術(shù)中依靠框架的引導(dǎo)，把手術(shù)器械準確地送達指定位置。

無框架立體定向?qū)Ш较到y(tǒng)，包括一個高性能計算機工作站、光學或者磁學跟蹤儀、參考架以及可以被光學或者磁學跟蹤設(shè)備識別的探針，其中計算機工作站用來完成圖像處理與可視化。無框立體定位導(dǎo)航的基本原理是：使用患者術(shù)前自身影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建圖像引導(dǎo)空間，借助解剖標記物或者能在圖像上清晰成像的人工標記物將患者空間配準到圖像空間，利用光學(或磁學)跟蹤儀實時跟蹤探針在患者空間中的位置，將其轉(zhuǎn)換到圖像空間并以虛擬探針的形式疊加在三維圖像空間中。醫(yī)生可通過高解像度的顯示屏從各個方位(矢狀位、冠狀位、橫斷位、三維立體模型等)觀察探針與病灶以及重要解剖結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，以便在手術(shù)時避開重要功能結(jié)構(gòu)，減少病患的手術(shù)創(chuàng)傷。

神經(jīng)導(dǎo)航的精度

神經(jīng)導(dǎo)航的精度是神經(jīng)導(dǎo)航手術(shù)中最核心的問題。神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差主要來源于兩個方面：一是圖像空間中的圖像與術(shù)中真實病患的解剖結(jié)構(gòu)存在差異；二是將探針的位置從患者空間變換到圖像空間的過程中產(chǎn)生誤差。其中，第一類誤差的主要來源包括術(shù)中腦組織移位或者變形，EPI（Echo-Planar Imaging）掃描時的圖像畸變，圖像中反映的腫瘤邊界不準確等。第二類誤差的主要來源包括空間定位儀的跟蹤誤差，患者空間到圖像空間的配準誤差等。

由腦移位或者腦變形引入的導(dǎo)航定位誤差目前尚未很好地解決。神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)所依據(jù)的圖像數(shù)據(jù)均為術(shù)前采集獲得，手術(shù)過程中，由于開顱后腦脊液的流出、顱內(nèi)壓的改變、重力以及術(shù)中牽開操作和腫瘤切除等因素的影響會導(dǎo)致腦組織移位或變形。此時，基于術(shù)前數(shù)據(jù)所建立的用于引導(dǎo)術(shù)中操作的圖像空間不能反映實時的解剖結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致術(shù)中神經(jīng)導(dǎo)航定位精度下降，影響術(shù)中導(dǎo)航的可靠性。

神經(jīng)導(dǎo)航的配準方法

空間配準是神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)，它通過匹配圖像空間與患者空間之間的共同特征來計算兩個空間之間的變換關(guān)系。當前最常用的配準方法是點配準方法。在點配準方法中，手術(shù)前在病患頭部粘貼可在CT或者MRI圖像上清晰成像的人工標記物，并進行CT或者MRI掃描，建立圖像引導(dǎo)空間，分別在圖像空間和患者空間中獲取這些標記物的坐標，并通過對齊對應(yīng)標記物的坐標來計算兩個空間之間的坐標變換關(guān)系。

另一種空間配準的方法是面配準方法。使用激光掃描儀獲取病患空間中面部局部表面點云，然后與圖像空間中提取的面部表面點云進行匹配，計算兩個空間的坐標變換關(guān)系。面配準方法避免了點配準方法中人工標記物的移位或者脫落以及取點耗時較長的缺點。但是，由于掃描儀的掃描范圍有限，只有部分面部表面點云參與配準，導(dǎo)致腦后部配準精度不高。

使用高精度的手持式掃描設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對整個頭部的掃描，將獲取的患者整個頭部表面點云與圖像空間提取的頭部點云進行匹配，獲取兩個空間的坐標變換關(guān)系。這種方法提高了面匹配空間配準的精度和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)面匹配方法中腦后配準精度不高的問題。

為了減少腦移位或者腦變形引入的導(dǎo)航定位誤差，可借助術(shù)中成像數(shù)據(jù)，使用非剛性配準算法來匹配并融合術(shù)中圖像與術(shù)前圖像，更新基于術(shù)前圖像引導(dǎo)空間。術(shù)中磁共振成像(iMRI)不僅能夠在術(shù)中任意時刻為外科醫(yī)生提供準確的解剖結(jié)構(gòu)圖像，高場強的磁共振還能進行術(shù)中功能成像，能夠?qū)崿F(xiàn)術(shù)中有效的實時導(dǎo)航，減少腦組織變形的影響。但是，iMRI安裝和使用非常昂貴，操作也非常復(fù)雜，使用時將增加手術(shù)時間，影響手術(shù)工作流程。

超聲成像價格低廉、實時性好，對手術(shù)流程影響小。借助術(shù)中超聲成像(iUS)，利用可變形配準方法將術(shù)前MRI影像配準并融合到術(shù)中超聲影像中，亦可實現(xiàn)術(shù)中導(dǎo)航影像的更新，補償腦移位或者腦變形引入的導(dǎo)航定位誤差。由于超聲影像與術(shù)前MRI影像在圖像特征以及維度上存在較大差異，使用傳統(tǒng)的互信息方法來實現(xiàn)術(shù)中超聲圖像與術(shù)前MRI圖像非剛性配準，效果欠佳?；谔崛√卣髅枋鲎拥呐錅史椒ㄊ菍煞N不同模態(tài)的圖像由各自圖像空間映射到同一特征空間，再在同一空間內(nèi)使用單模態(tài)配準方法完成配準?；谧韵嗨圃淼哪B(tài)無關(guān)特征描述子配準方法，例如miLBP（Modality Independent Local Binary Pattern）特征描述子、dLDP（Discriminative Local Derivative Pattern）特征描述子、BGA（Binary Gradient Angle Descriptor）特征描述子等，能夠在不同模態(tài)的三維圖像中穩(wěn)定地提取圖像特征且相似度計算時間短，在術(shù)中超聲圖像與術(shù)前MRI圖像非剛性配準的效率和精度方面都具有明顯的優(yōu)勢和潛力。

另一種值得關(guān)注的方法是基于生物力學模型的非剛性配準方法。該方法在基于圖像學的配準方法的基礎(chǔ)上增加考慮了解剖結(jié)構(gòu)的力學屬性，利用腦組織的生物力學屬性約束腦組織的運動特征，利用術(shù)中局部信息驅(qū)動生物力學模型，借助有限元方法計算腦組織變形場，從而實現(xiàn)對腦變形引起的導(dǎo)航定位誤差的補償。與iMRI相比，該方法僅需借助術(shù)中超聲、雙目照相機或者三維光學掃描儀等設(shè)備獲取術(shù)中局部信息，操作方便、價格低廉。與單純的基于圖像學配準方法相比，該方法增加考慮了解剖結(jié)構(gòu)的力學屬性，更符合客觀世界的變形規(guī)律，而且僅需采集局部信息來驅(qū)動模型，大大降低了術(shù)中圖像采集的復(fù)雜度。

增強現(xiàn)實神經(jīng)導(dǎo)航

現(xiàn)有神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航模式是虛實分離的導(dǎo)航模式，即定位和引導(dǎo)信息顯示在系統(tǒng)屏幕上，醫(yī)生通過觀察屏幕上的圖像來進行手術(shù)操作。在這種導(dǎo)航模式下，手術(shù)過程中使用的位置信息顯示在手術(shù)視野之外，醫(yī)生為了觀察手術(shù)器械相對于患者解剖結(jié)構(gòu)的位置，需要在患者手術(shù)部位和屏幕之間來回切換視野，這不利于醫(yī)生將注意力集中于患者頭部進行手術(shù)，會干擾手術(shù)進程并加大導(dǎo)航定位誤差。

為了解決這一問題，需要把導(dǎo)航引導(dǎo)空間同真實手術(shù)場景融合起來。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)，簡稱AR-IGNS，可以將病灶、重要解剖結(jié)構(gòu)等虛擬信息同真實的手術(shù)場景相結(jié)合，并將導(dǎo)航信息顯示在諸如頭盔顯示器（Head-Mounted Display, HMD）、增強鏡片、AR窗口（AR Windows）、增強內(nèi)窺鏡、增強顯微鏡等顯示設(shè)備上，以便醫(yī)生視野不離開手術(shù)場景就可以獲得直觀準確的導(dǎo)航信息。

近年來，隨著移動智能終端設(shè)備的迅速發(fā)展，借助平板電腦、智能手機等移動智能終端顯示虛實結(jié)合的導(dǎo)航信息，引導(dǎo)醫(yī)生手術(shù)，成為AR-IGNS的研究熱點。這類新的導(dǎo)航模式可以使醫(yī)生避免術(shù)中視野切換，并使導(dǎo)航信息更加容易理解，從而提高導(dǎo)航的精度和方便性。

結(jié)語

神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于功能神經(jīng)外科和顱內(nèi)腫瘤等外科手術(shù)中，已經(jīng)成為微創(chuàng)神經(jīng)外科中不可或缺的重要工具。但是，導(dǎo)航定位誤差，特別是由于術(shù)中腦移位或腦變形引起的導(dǎo)航定位誤差，影響了術(shù)中導(dǎo)航的可靠性。在未來的導(dǎo)航系統(tǒng)中，通過整合術(shù)中影像數(shù)據(jù)，特別是術(shù)中超聲數(shù)據(jù)，借助術(shù)中影像與術(shù)前影像的非剛性配準補償腦變形引起的導(dǎo)航定位誤差，能有效提高術(shù)中導(dǎo)航精度。增強現(xiàn)實神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)引入了全新的導(dǎo)航模式，避免術(shù)中醫(yī)生視野切換，使導(dǎo)航信息更加容易理解，手術(shù)工作流程更加順暢。

除了傳統(tǒng)的醫(yī)學影像，術(shù)中成像新技術(shù)，例如拉曼光譜（Raman spectroscopy）、熒光（Fluorescence）和質(zhì)譜（Mass spectrometry）等，能夠在組織學或者更低層級上區(qū)分正常組織與腫瘤組織，為術(shù)中腫瘤切除提供更為精細的引導(dǎo)。此外，為了能在實時圖像中進行手術(shù)，避免術(shù)中成像對手術(shù)進程的影響，神經(jīng)外科手術(shù)機器人，例如MRI兼容的NeuroArm系統(tǒng)，正逐步開發(fā)出來。這類機器人能夠集成術(shù)前、術(shù)中成像數(shù)據(jù)得到更精確的導(dǎo)航信息，并能為醫(yī)生提供視覺、聽覺、觸覺反饋，指導(dǎo)醫(yī)生操作。未來，需要更進一步的臨床研究來確定機器人技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)中應(yīng)用的可行性。