姚書(shū)敬，李昉曄，趙藝寧，張家墅，李翀，張治中，張軍，陳曉雷

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100853

基于多模態(tài)神經(jīng)影像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣患者血管神經(jīng)壓迫的診斷價(jià)值

姚書(shū)敬，李昉曄，趙藝寧，張家墅，李翀，張治中，張軍，陳曉雷

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100853

目的探討基于多模態(tài)神經(jīng)影像的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)對(duì)三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣患者血管神經(jīng)壓迫進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的技術(shù)可行性及準(zhǔn)確性。方法收集接受微血管減壓手術(shù)治療的三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣患者共40例，術(shù)前均行1.5 T的MRI掃描，掃描序列包括：平掃和增強(qiáng)的T1加權(quán)三維磁化強(qiáng)度預(yù)備梯度回波序列（T1WI 3D MPRAGE），三維可變翻轉(zhuǎn)角質(zhì)子加權(quán)快速自旋回波序列（3D-SPACE），三維時(shí)間飛躍法磁共振血管成像（3D-TOF-MRA）。利用3D-Slicer軟件將多模態(tài)MRI影像配準(zhǔn)融合并重建出三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型，然后根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)有無(wú)血管神經(jīng)壓迫及壓迫責(zé)任血管來(lái)源進(jìn)行術(shù)前評(píng)估，最后和微血管減壓手術(shù)中所見(jiàn)到的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果在40例患者中，術(shù)前MRI掃描和虛擬現(xiàn)實(shí)模型重建全部順利完成。利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)是否存在血管神經(jīng)壓迫進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的靈敏度為97.4%（38/39），特異度為100%（1/1）；對(duì)責(zé)任血管來(lái)源的判斷與術(shù)中診斷進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，Kappa值為0.921（95%的可信區(qū)間為0.817～1.02），P=0.000＜0.001。結(jié)論利用VR技術(shù)有助于術(shù)前對(duì)三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣患者有無(wú)血管神經(jīng)壓迫和責(zé)任血管作出準(zhǔn)確的評(píng)估，有助于指導(dǎo)微血管減壓手術(shù)。

三叉神經(jīng)痛；面肌痙攣；血管神經(jīng)壓迫；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；微血管減壓術(shù)

引言

三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣是臨床上常見(jiàn)的兩種顱腦神經(jīng)疾病，罹患此類疾病的患者常因疼痛難忍、心理障礙等而寢食難安、坐臥不寧，嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量和身心健康。目前認(rèn)為，腦血管對(duì)顱神經(jīng)根的壓迫是原發(fā)性三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣的主要致病原因[1-2]。微血管減壓術(shù)是目前手術(shù)治療三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣的首選方法[3-5]，也是目前唯一能夠根治這類疾病同時(shí)又保留神經(jīng)功能的非毀損性手術(shù)，但是手術(shù)仍具有一定的失敗率、并發(fā)癥發(fā)生率和復(fù)發(fā)率。據(jù)報(bào)道，選擇影像學(xué)上明確存在血管神經(jīng)壓迫的病例手術(shù)療效明顯優(yōu)于影像學(xué)陰性的病例[6]；術(shù)后復(fù)發(fā)的病例再次手術(shù)探查，發(fā)現(xiàn)有一半以上存在遺漏的責(zé)任血管[7]。因此，術(shù)前對(duì)血管神經(jīng)壓迫準(zhǔn)確的評(píng)估，對(duì)于合適病例的選擇、手術(shù)計(jì)劃的制定、提高手術(shù)治愈率、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)有很大幫助。本研究基于患者的術(shù)前多模態(tài)神經(jīng)影像，利用3D-Slicer免費(fèi)醫(yī)學(xué)影像處理軟件對(duì)后顱窩血管神經(jīng)關(guān)系進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)模擬及評(píng)估，然后與術(shù)中真實(shí)情況進(jìn)行對(duì)比，從而探討基于多模態(tài)神經(jīng)影像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣的診斷價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

收集解放軍總醫(yī)院神經(jīng)外科2011年2月～2017年10月收治的三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣患者40例，其中男性17例，女性23例，年齡22～76歲，具體基本情況，見(jiàn)表1。病例納入標(biāo)準(zhǔn)：① 經(jīng)藥物治療失敗或復(fù)發(fā)，或不能耐受藥物不良反應(yīng)者；② 其他外科治療無(wú)效或復(fù)發(fā)者；③ 能夠配合在本單位完成術(shù)前MRI檢查者并接受微血管減壓手術(shù)治療者。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 由腫瘤壓迫、動(dòng)脈瘤壓迫、骨質(zhì)增生等繼發(fā)性因素引起者；② 身體一般情況差，不能耐受手術(shù)者。MRI檢查及微血管減壓手術(shù)治療均征得患者及其家屬同意并簽署知情同意書(shū)。

表1 患者的基本情況

1.2 術(shù)前MRI數(shù)據(jù)的采集

所有患者均于術(shù)前1～2 d采用1.5 T高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)磁體（Espree，西門子）進(jìn)行磁共振掃描，掃描序列包括：① 平掃和增強(qiáng)的T1加權(quán)三維磁化強(qiáng)度預(yù)備梯度回波序列（T1WI 3D MPRAGE，TE 3.02 ms，TR 1650 ms， 矩 陣256×256，視場(chǎng) 250 mm×250 mm，層厚1 mm）；② 三維可變翻轉(zhuǎn)角質(zhì)子加權(quán)快速自旋回波序列（3D-SPACE，TE 227 ms，TR 1500 ms，矩陣 640×640，視場(chǎng) 225 mm×225 mm，層厚0.74 mm）；③ 三維時(shí)間飛躍法磁共振血管成像（3D-TOF-MRA，TE 7 ms，TR 29 ms，矩陣256×256，視場(chǎng) 180 mm×180 mm，層厚0.7 mm）。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)模型的建立

在個(gè)人電腦上運(yùn)行3D-Slicer軟件（版本4.5，SPL實(shí)驗(yàn)室，哈佛大學(xué)），然后以DICOM格式導(dǎo)入患者的術(shù)前MRI數(shù)據(jù)，隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：① 使用General Registration（BRAINS）模塊將不同序列的MRI影像進(jìn)行配準(zhǔn)融合；② 進(jìn)入Editor模塊，利用3D-SPACE序列對(duì)腦干、三叉神經(jīng)/面神經(jīng)進(jìn)行三維重建，利用3D-TOF-MRA序列對(duì)后顱窩血管進(jìn)行三維重建；③ 將重建好的腦干、顱神經(jīng)及血管的虛擬現(xiàn)實(shí)模型在3D Viewer窗口進(jìn)行三維展示，并記錄數(shù)據(jù)處理整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。

1.4 術(shù)前評(píng)估

由一名中高年資神經(jīng)外科醫(yī)師根據(jù)重建好的虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)患者有無(wú)后顱窩血管神經(jīng)壓迫及責(zé)任血管來(lái)源作出術(shù)前評(píng)估，評(píng)估過(guò)程中可根據(jù)需要對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行任意縮放、360°自由旋轉(zhuǎn)、三維立體顯示、透明度及色彩調(diào)整等操作。

1.5 術(shù)中診斷

由主刀醫(yī)師在微血管減壓術(shù)中對(duì)患者后顱窩血管神經(jīng)關(guān)系進(jìn)行探查并作出診斷。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以微血管減壓術(shù)中對(duì)后顱窩血管神經(jīng)壓迫作出的判斷為金標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)后顱窩血管神經(jīng)壓迫進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的靈敏度、特異度、誤診率及漏診率，并以Kappa值（K）檢驗(yàn)術(shù)前評(píng)估結(jié)果與術(shù)中判斷結(jié)果的一致性，K≥0.75為極好的一致性，0.40≤K＜0.75為較好的一致性，K＜0.40表示一致性差。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的可行性

術(shù)前MRI掃描及虛擬現(xiàn)實(shí)模型的建立在40例患者均順利完成。根據(jù)影像數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度不同，從數(shù)據(jù)導(dǎo)入到完成虛擬現(xiàn)實(shí)模型重建所需要的時(shí)間從10～70 min不等，而且具有陡峭的學(xué)習(xí)曲線（圖1）。

2.2 利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的準(zhǔn)確性

根據(jù)術(shù)前虛擬現(xiàn)實(shí)模型，40例患者中共38例被診斷出存在血管神經(jīng)壓迫，另外2例無(wú)血管神經(jīng)壓迫；在微血管減壓手術(shù)中，40例患者中有39例被確認(rèn)存在血管神經(jīng)壓迫，只有1例未探查到明確的血管神經(jīng)壓迫，見(jiàn)表2。因此，利用基于多模態(tài)神經(jīng)影像的虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)后顱窩血管神經(jīng)壓迫進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的靈敏度為97.4%（38/39），特異度為100%（1/1），假陽(yáng)性率為0（0/1），假陰性率為2.6%（1/39）。K值為0.655，P=0.000＜0.001，說(shuō)明在判斷有無(wú)血管神經(jīng)壓迫方面，利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型術(shù)前評(píng)估與手術(shù)探查結(jié)果具有較好的一致性。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)模型建立的學(xué)習(xí)曲線

表2 術(shù)前診斷與術(shù)中診斷比較是否存在血管神經(jīng)壓迫（例）

在根據(jù)術(shù)前虛擬現(xiàn)實(shí)模型診斷出存在血管神經(jīng)壓迫的38例患者中，37例患者的責(zé)任血管與術(shù)中判斷結(jié)果一致，只有1例右側(cè)三叉神經(jīng)痛的患者在術(shù)中證實(shí)責(zé)任血管為小腦上動(dòng)脈一分支，而術(shù)前根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)模型診斷為小腦前下動(dòng)脈的壓迫；術(shù)前診斷為無(wú)血管神經(jīng)壓迫的2例患者中，有1例在術(shù)中亦未探及到責(zé)任血管，而另外1例證實(shí)為巖靜脈從上方壓迫右側(cè)三叉神經(jīng)根入腦干區(qū)（Root Entry Zoon，REZ），見(jiàn)表3。K值為0.921（95%的可信區(qū)間為0.817～1.02），P=0.000＜0.001，表明在判定責(zé)任血管的來(lái)源方面，利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行術(shù)前評(píng)估與術(shù)中所證實(shí)結(jié)果具有極好的一致性。

表3 責(zé)任血管的術(shù)前評(píng)估與術(shù)中診斷結(jié)果比較（例）

2.3 典型病例

37歲女性患者，主訴左側(cè)面部陣發(fā)性疼痛兩年，曾口服卡馬西平治療，癥狀緩解不明顯。入院后行MRI檢查提示有血管與左側(cè)三叉神經(jīng)關(guān)系密切，但血管的確切來(lái)源及兩者具體解剖關(guān)系難以確定（圖2）。利用3D-Slicer軟件根據(jù)其術(shù)前多模態(tài)MRI數(shù)據(jù)重建出虛擬現(xiàn)實(shí)模型（圖3），耗時(shí)13 min。然后根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)模型評(píng)估發(fā)現(xiàn)左側(cè)小腦上動(dòng)脈分為兩個(gè)分支，其中一支從三叉神經(jīng)REZ區(qū)通過(guò)并在其內(nèi)側(cè)和上方造成壓迫。術(shù)中探查三叉神經(jīng)REZ區(qū)，所見(jiàn)責(zé)任血管及血管神經(jīng)關(guān)系與術(shù)前虛擬現(xiàn)實(shí)模型所顯示完全吻合，充分減壓后探查未再發(fā)現(xiàn)其他血管壓迫。手術(shù)效果良好，術(shù)后患者左側(cè)面部疼痛消失。

圖2 典型病例之術(shù)前MRI影像

3 討論

明確是否存在血管神經(jīng)壓迫對(duì)于三叉神經(jīng)痛與面積痙攣的病因診斷、治療策略選擇和預(yù)后評(píng)估都具有很重要的作用[8]。在判斷有無(wú)血管神經(jīng)壓迫時(shí)，臨床上常用的MRI檢查可以提供很多大幫助[9]，尤其某些特殊序列如磁共振血管成像（MRA）、3D-CISS序列等對(duì)血管或神經(jīng)的顯示更加清晰[10-11]。但是目前常規(guī)MRI圖像依然有很多不足之處，不能夠滿足現(xiàn)在精準(zhǔn)神經(jīng)外科的要求，例如：MRA序列雖然可以清晰地顯示出動(dòng)脈結(jié)構(gòu)（高信號(hào)），但卻無(wú)法以同樣的清晰程度顯示顱神經(jīng)結(jié)構(gòu)（等信號(hào)）；CISS序列雖然可以同時(shí)清晰地顯示出血管與神經(jīng)結(jié)構(gòu)（均表現(xiàn)為低信號(hào)），但這又給二者之間的辨別帶來(lái)困難。另外，在某些確實(shí)存在血管神經(jīng)壓迫的病例中，由于責(zé)任血管走行、掃描基線定位方向及掃描層厚等原因，使得某些壓迫點(diǎn)不能夠顯示而漏診；在一些血管神經(jīng)關(guān)系復(fù)雜、責(zé)任血管變異較大的病例中，單純依靠原始的二維影像難以對(duì)解剖關(guān)系形成三維空間認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致不能作出確切診斷。

本研究利用多模態(tài)神經(jīng)影像，基于不同MRI序列（如3D-TOF-MRA序列、3D-SPACE序列），使用3D-Slicer軟件在個(gè)人電腦上建立后顱窩血管神經(jīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)模型，然后根據(jù)重建好的虛擬現(xiàn)實(shí)模型對(duì)三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣患者是否存在血管神經(jīng)壓迫及責(zé)任血管來(lái)源作出判斷。不同序列融合之后，在多模態(tài)影像上面可以將血管（高信號(hào)）與神經(jīng)結(jié)構(gòu)（低信號(hào)）清楚地區(qū)分開(kāi)來(lái)，然后分別利用分辨率較高的序列重建出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，包括腦干、后顱窩血管及顱神經(jīng)，這樣就克服了單一模態(tài)影像上難以辨別血管、神經(jīng)的困難[12]，而且腦干的重建可以為三維空間關(guān)系提供良好的參照，更有助于術(shù)前模擬手術(shù)體位及入路。Linux）兼容的特點(diǎn)，因此借助于這款軟件我們可以利用個(gè)人電腦實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而不必受限于特定的醫(yī)學(xué)影像處理工作站對(duì)時(shí)間和工作場(chǎng)所的要求，這給我們的學(xué)習(xí)和工作提供了很大的便利，而且大大降低數(shù)據(jù)處理所需要的成本。

圖3 典型病例之虛擬現(xiàn)實(shí)模型與微血管減壓術(shù)中所見(jiàn)情況

本研究證實(shí)了利用多模態(tài)影像重建虛擬現(xiàn)實(shí)模型的可行性與高效性，對(duì)40例患者全部完成重建工作，并且從最初建立模型所需時(shí)間為1 h左右到完成20例重建以后每例所需時(shí)間基本不超過(guò)30 min，表現(xiàn)出陡峭的學(xué)習(xí)曲線，其中1例最快13 min即完成重建工作。因此在熟練掌握虛擬現(xiàn)實(shí)模型重建技術(shù)后，此種術(shù)前評(píng)估方法并不會(huì)給臨床工作帶來(lái)過(guò)重的額外負(fù)擔(dān)。

與微血管減壓手術(shù)中所見(jiàn)實(shí)際情況相對(duì)比，利用本研究提供的方法對(duì)后顱窩血管神經(jīng)壓迫進(jìn)行術(shù)前評(píng)估可達(dá)到97.4%（38/39）的靈敏度和100%（1/1）的特異度。對(duì)于責(zé)任血管來(lái)源的判斷，本研究方法的評(píng)估結(jié)果和術(shù)中診斷有著極好的一致性。這就給手術(shù)策略的選擇提供了很有利的依據(jù)。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)模型還可以任意角度旋轉(zhuǎn)、調(diào)整透明度、三維立體觀察，彌補(bǔ)手術(shù)過(guò)程中難以達(dá)到的某些視角和方位，為術(shù)中尋找責(zé)任血管、縮短手術(shù)時(shí)間帶來(lái)極大幫助。

更有趣的是，可以將3D-Slicer重建好的虛擬現(xiàn)實(shí)模型傳輸?shù)绞殖衷O(shè)備，如iPhone手機(jī)、iPad等，并可以在手持設(shè)備上對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行比在電腦上更為方便的縮放、旋轉(zhuǎn)、調(diào)整透明度等操作。這樣不僅可以方便醫(yī)生對(duì)解剖知識(shí)的學(xué)習(xí)、術(shù)前的評(píng)估，還可以在與患者及其家屬術(shù)前談話時(shí)進(jìn)行展示，使他們對(duì)所患疾病有更加直觀、深刻的認(rèn)識(shí)，了解手術(shù)的基本過(guò)程，打消他們內(nèi)心的一些顧慮和焦慮，增加對(duì)醫(yī)生和手術(shù)的信心，在一定程度上可以改善醫(yī)患關(guān)系。

需要注意的是，當(dāng)根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)模型評(píng)估未發(fā)現(xiàn)血管神經(jīng)壓迫時(shí)，不能夠完全排除壓迫存在的可能，因?yàn)楸狙芯糠椒ㄈ源嬖?.6%（1/39）的假陰性率，尤其懷疑責(zé)任血管為靜脈時(shí)要格外謹(jǐn)慎[16]，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估以免貽誤患者的治療。我們將繼續(xù)改進(jìn)研究方法，優(yōu)化掃描序列，使用更高場(chǎng)強(qiáng)磁共振機(jī)器進(jìn)行術(shù)前掃描以提高利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)血管神經(jīng)壓迫進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的靈敏度，降低其漏診率。

4 結(jié)論

雖然有關(guān)利用多模態(tài)影像進(jìn)行類似虛擬現(xiàn)實(shí)模型重建的研究已有報(bào)道[13-15]，但大多所使用的軟件為商業(yè)軟件，成本較高，并且操作過(guò)程繁瑣復(fù)雜。本研究利用的3D-Slicer軟件是一款開(kāi)源的免費(fèi)醫(yī)學(xué)影像處理軟件，它可以在個(gè)人電腦上順利運(yùn)行，具有多系統(tǒng)（Windows、Mac、

本研究證實(shí)了基于多模態(tài)神經(jīng)影像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)三叉神經(jīng)痛和面肌痙攣進(jìn)行術(shù)前評(píng)估的技術(shù)可行性和準(zhǔn)確性，它是一項(xiàng)安全、無(wú)創(chuàng)、可重復(fù)操作的技術(shù)，其操作方便、成本低廉、觀察直觀等優(yōu)點(diǎn)為臨床教育、培訓(xùn)學(xué)習(xí)及術(shù)前診斷、手術(shù)規(guī)劃帶來(lái)極大幫助。但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前還不能完全取代術(shù)中探查，其真正的臨床價(jià)值還有待于進(jìn)一步的研究去證實(shí)。

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Value of Multimodal Image-Based Virtual Reality for the Diagnosis of Neurovascular Compression in Patients with Trigeminal Neuralgia and Hemi-Facial Spasm

YAO Shujing, LI Fangye, ZHAO Yining, ZHANG Jiashu, LI Chong, ZHANG Zhizhong, ZHANG Jun, CHEN Xiaolei
Department of Neurosurgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

ObjectiveTo address the feasibility and predictive value of multimodal image-based virtual reality in preoperative evaluation of neurovascular compression in patients with trigeminal neuralgia and hemi-facial spasm. Methods This study included 40 patients who underwent microvascular decompression for classic primary trigeminal neuralgia or hemi-facial spasm. All patients underwent a preoperative 1.5 T MRI with plain and enhanced 3D T1-weighted magnetization prepared rapid acquisition gradient echo (MPRAGE) sequence, T2-weighted 3D sampling perfection with application-optimized contrasts by using different flip angle evolutions (3D-SPACE) sequence, and 3D time-of- flight (TOF) magnetic resonance angiography (MRA) sequence in combination.Multimodal MRI images were then co-registered with open-source software 3D Slicer, followed by three-dimensional image reconstruction to generate virtual reality images of possible neurovascular compression. Evaluation of neurovascular compression was then performed according to the virtual reality model and compared with the intra-operative findings. Results Preoperative MRI scan and virtual reality model reconstruction were successfully completed in all of the 40 cases. For predicting the existence of neurovascular compression, multimodal image-based virtual reality sensitivity was 97.4% (38/39), and specificity was 100%(1/1). The Kappa coefficient for predicting the offending vessel was 0.921 (95% confidence interval, 0.817～1.02),P=0.000＜0.001.Conclusion Multimodal image-based virtual reality is proved to be reliable in detecting neurovascular compression and the offending vessel in patients with trigeminal neuralgia and hemi-facial spasm, which can provide some guide for the microvascular decompression surgery.

trigeminal neuralgia; hemi-facial spasm; neurovascular compression; virtual reality; microvascular decompression

Q429+.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.002

1674-1633(2017)012-0007-04

2017-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（81771481）。

陳曉雷，主任醫(yī)師，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦邎?chǎng)強(qiáng)術(shù)中磁共振及功能神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)和神經(jīng)內(nèi)窺鏡技術(shù)。

通訊作者郵箱：chxlei@mail.sysu.edu.cn

本文編輯 王靜