彌散張量成像聯合虛擬現實三維重建在功能區膠質瘤手術中的應用

陳素華，楊 軍,△，韓鴻賓，崔德華，孫建軍，馬長城，和清源，林國中，韓蕓峰，吳 超，馬凱明，張一博

(1.北京大學第三醫院神經外科，北京 100191； 2.磁共振成像設備與技術北京市重點實驗室，北京 100191；3. 北京大學第三醫院放射科，北京 100191)

腦功能區膠質瘤是神經外科治療的難題，腫瘤侵犯功能區皮層或皮層下通路情況與手術切除程度及術后神經功能保留密切相關，因此術前明確腫瘤周圍解剖，尤其是白質纖維束破壞與移位、供血動脈及引流靜脈等，對手術的成功至關重要。本組病例選取侵犯運動區和語言區的膠質瘤，術前行彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)，同時利用Dextroscope虛擬現實系統行纖維束、腫瘤、血管等結構三維重建，研究腫瘤周圍解剖結構，同時模擬手術入路，制定個體化手術方案，在腫瘤切除程度及神經功能保留方面均取得良好效果，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2015年1月至2019年1月由同一術者治療的語言區及運動區膠質瘤患者35例，其中男性22例(62.9%)，女性13例(37.1%)，均為右利手，累及運動區(中央前回、丘腦、基底節及相關神經纖維束)10例，累及語言區(皮層語言中樞及纖維束)14例，同時累及語言區和運動區11例，年齡16～78歲。

1.2 功能區判定

既往學者將以下區域定義為功能區：主運動區、感覺皮層、基底節區、丘腦、下丘腦、大腦腳、腦干、齒狀核、語言區、主視覺皮層以及與這些功能區相關的白質區域(根據DTI確定)[1-3],腫瘤距離功能區1 cm 以內定義為功能區腫瘤[4]，本研究所納入的語言區和運動區膠質瘤患者，腫瘤位置和與功能區的距離術前由2名專業放射學專家確定，腫瘤性質經術后病理證實為腦膠質瘤。

1.3 影像學檢查和數據處理

所有患者均采用3.0 T磁共振掃描儀(GE公司，美國)行頭顱增強磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、磁共振動脈成像(magnetic resonance arteriography，MRA)以及DTI掃描。將所有患者的MRI、MRA及DTI原始數據以Dicom格式輸入Dextroscope虛擬現實工作站(RadioDexter 1.0，Volume Interactions公司，新加坡)進行三維重建，完成圖像融合以后，提取腫瘤、動脈、靜脈等結構，利用DTI模塊提取腫瘤周圍神經纖維束并分別著色。

1.4 個體化手術方案的制定

根據虛擬現實系統所顯示的三維模型，運用軟件內的三維處理工具對圖像任意位置進行立體切割，研究病變與周圍結構的解剖關系。通過手術模擬比較各種手術入路的顯露范圍、切除程度以及對重要纖維束和血管結構的影像，設計最佳手術方案，并量化術中可能遇到的解剖結構的位置關系。打印或輸出圖片與視頻資料，對獲取的資料進行術前討論、制定術前計劃，并用于術中指導操作。

1.5 手術方法

根據術前虛擬現實解剖研究與手術模擬設計最佳手術切口與入路，在術中導航(Compass公司，美國)輔助下實施手術治療。

1.6 觀察指標

語言功能采用《漢語失語癥評定量表ABC》評估，運動功能采用《簡化Fugl-Meyer運動功能量表》評估，采集術前、術后1周、1個月、3個月功能評分；所有病例術后1周行增強磁共振檢查，手術切除程度由放射科醫生根據增強磁共振影像標定(全部切除：影像學無異常強化灶；次全部切除：殘留小于10%；部分切除：殘留大于10%)。

2 結果

2.1 DTI神經纖維束及虛擬現實三維重建

35例患者均成功實現了腫瘤、血管等結構三維立體虛擬現實影像的重建，并利用DTI模塊三維重建腫瘤周圍重要神經纖維束，術中所見與術前模擬基本吻合。35例患者中腫瘤重建提示單發腫瘤34例，1例腫瘤附近存在衛星灶；DTI神經纖維束重建提示腫瘤累及運動區(中央前回、丘腦、基底節及相關神經纖維束)10例，累及語言區(皮層語言中樞及纖維束)14例，同時累及語言區和運動區11例；本組病例腫瘤與纖維束關系為鄰近或推擠31例，浸潤破壞4例；血管重建提示腫瘤位于大腦中動脈供血區域30例，位于大腦前動脈供血區域5例；根據腫瘤位置不同，引流靜脈注入側裂靜脈、大腦大靜脈、下矢狀竇或上矢狀竇及其分支。

2.2 手術及隨訪

所有患者均由同一術者實施手術治療，所有手術切口設計及手術過程均在導航輔助下完成，手術入路避開重要血管選擇神經纖維最為薄弱處或非功能區(圖1、2)。1例左側旁中央小葉處腫瘤(圖2)，按照常規一般選擇額部縱裂入路避開功能區，經DTI重建后顯示腫瘤鄰近左側皮質脊髓束，旁中央小葉纖維被腫瘤推擠向前內側，腫瘤后方無重要神經纖維，最終選擇頂部縱裂入路，同時避開上矢狀竇引流靜脈，術后患者肢體活動改善，未出現感覺障礙等神經功能缺失。所有患者中腫瘤影像學全部切除30例(85.7%)，次全部切除5例(14.3%)，其中1例患者為腫瘤攜帶衛星灶(圖1)，衛星灶位于重要纖維束內，主體腫瘤全部切除，衛星灶行伽馬刀治療； 13例術前無神經功能缺失患者，術后出現一過性神經功能缺失，術后10 d左右恢復；22例術前存在神經功能缺失患者，其中12例患者術后1周評估時神經功能改善，9例患者術后1個月隨訪改善，1例運動區復發膠質母細胞瘤患者術后肢體活動障礙加重，并與術后2個月再次復發未再接受治療因腦疝死亡。

3 討論

手術切除是腦膠質瘤的首選治療方法，這一點無論對于低級別膠質瘤還是高級別膠質瘤同樣適用，尤其是高級別膠質瘤，手術對于預后的改善有著重要意義[5]。對于功能區膠質瘤而言，由于其位置的特殊性，手術需要在最大程度的切除腫瘤和最大限度的保留術后功能狀態之間保持平衡[6]。有研究表明，在腫瘤切除程度和術后輔助治療相似的情況下，術后新的運動或語言功能障礙和患者總體生存率下降有關[7]，因此對臨床醫生來說保留功能或改善生活質量成為必要。功能磁共振導航[8]、術中磁共振[9]、術中熒光[10]、術中皮層刺激[11]、術中喚醒麻醉[12]等新型輔助技術的應用使得功能區膠質瘤的預后得到一定改善，是未來的發展趨勢，但現階段仍面臨耗費巨大、漂移誤差、延長手術時間、增加圍手術期風險等弊端。功能區膠質瘤“雕刻式切除”的手術理念，更多地依賴術者的個人手術經驗以及術者對術中情況的判斷[13]，而這些需要建立在術者對腫瘤及其周圍結構整體把握的基礎上。以往的術前評估主要根據頭顱增強MRI結果，只能提供腫瘤解剖信息，而由于腫瘤浸潤、占位效應等引起的神經纖維束破壞與移位無法顯示，另外，腦膠質瘤的浸潤生長特性也使得依靠普通的二維影像無法準確確定病變及其與周圍解剖結構的空間關系，使得制定精確的手術計劃極為困難。

A， enhanced magnetic resonance imaging showed the space occupying lesion in left frontal lobe with no enhancement; B, left view, reconstruction of tumor and diffusion tensor imaging, light blue shows fibers of the middle frontal gyrus, pink shows fiber of anterior central gyrus, purple shows fibers of inferior frontal gyrus, and green shows the tumor, the tumor invades the middle frontal gyrus fiber, fibers of the tumor surface is sparse. The yellow ellipse shows the recommended position of surgical approach; C, left view, dark blue shows the sylvian vein and sigmoid sinus, the venous outflow of tumors are mainly drained into the sylvian vein, which is close to the location of approach,and should be protected carefully during the operation; D, right view, red shows the artery, branches of the middle cerebral artery envelop the tumor and are feeding vessels, which should be protected carefully during the operation, red arrow shows a satellite lesion of the tumor; E, left view, yellow ellipse shows the recommended position of surgical approach, where nerve fibers are sparse, with no arterial branches and veins acrossing; F, enhanced MRI of 1 week after operation suggests a total resection of the tumor.圖1 左側額葉膠質瘤(患者女，49歲，主因“言語不利5月”入院)Figure 1 Gliomas in left frontal lobe (female, 49 years old, aphasia for 5 months)

虛擬現實技術的出現解決了二維影像的弊端，這項技術于2000年由Kockro等[14]應用于神經外科手術計劃，可快速、更好地了解病變周圍的解剖關系，模擬手術操作。隨著計算機和影像學技術的不斷進步，虛擬現實技術在神經外科的應用得到飛速發展，其中Dextroscope虛擬現實系統為眾多虛擬現實產品中神經外科應用最為廣泛的一個[15-18]。通過多影像融合獲得的Dextroscope虛擬現實三維模型與術中所見有很高的一致性，可將腫瘤二維影像轉化為精準、直觀的三維模型，模擬手術并制定手術計劃，讓術者提前了解術中可能遇到的關鍵解剖結構，提高手術療效[18]，而DTI神經纖維束成像能夠直觀立體顯示白質纖維束與腫瘤組織間的可視化位置信息,反映腫瘤對周圍纖維束的推擠、浸潤和破壞狀態,是目前顯示活體纖維束的最佳手段[19]。本組病例將DTI神經纖維束重建結合虛擬現實技術，使腫瘤以及與鄰近白質纖維束、血管的解剖關系可視化,術者獲得更多信息優化手術方式及指導手術入路,并在術中權衡腫瘤切除范圍與功能區神經功能保護,最大范圍切除腫瘤的同時有效避免重要的白質纖維束損傷,從而使患者獲取最大手術效益。本組1例左側旁中央小葉區域占位的患者(圖2)，根據常規增強影像以及手術習慣，為避開重要功能區首選額部縱裂入路，但是經過DTI神經纖維束三維重建提示腫瘤鄰近左側皮質脊髓束，旁中央小葉纖維被推擠向前內側，額部縱裂入路損傷旁中央小葉纖維概率較高，我們選擇頂部中央后回后方經上矢狀竇兩分支之間入路全切腫瘤，患者術后肢體活動明顯改善，而且未遺留感覺障礙等新的神經功能缺損。

A, superior view, it shows the relationship of the tumor and the arteries, green shows the tumor, red shows the arteries, the anterior cerebral arteries envelop the tumor; B, right view, it shows the relationship between tumor and vein and sinus, dark blue shows veins，which suggests that tumor locates closely nearby the inferior sagittal sinus, choroid plexus and communicating branches between superior sagittal sinus and inferior sagittal sinus, these veins should be protected during operation; C, posterior view, it shows the relationship of the tumor and the left corticospinal tracts, and the tumor is near but has not yet invaded the corticospinal tracts; D, anterior view,it shows the relationship of the tumor and fibers of the left paracentric lobule, purple shows the paracentric lobular fibers, which suggests that the tumor is surrounded by the paracentric lobular fibers in three directions: the anterior, inner and outer sides; E, left view, it shows no important fibers behind the tumor, red triangle shows the recommended surgical approach; F, upper view, it shows the relationship of the surgical approach and the superior sagittal sinus, yellow ellipse shows the recommended location of surgical approach.圖2 左側旁中央小葉膠質瘤(患者男，58歲，主因“右側肢體活動不利半年”入院)Figure 2 Glioma in left paracentral lobule (male, 58 years old, activity adverse of the right limbs for half a year)

DTI及Dextroscope虛擬現實重建在功能區膠質瘤手術中的優勢主要體現在解剖關系的呈現與手術過程的模擬，獨特的DTI模塊可將腫瘤周圍重要神經纖維束直觀立體呈現，這是目前其他醫療虛擬現實系統所不具備的；基于影像學原始數據的多影像融合三維重建，可使術者更加全方位觀察功能區腫瘤復雜的解剖結構，如腫瘤與神經纖維束、動靜脈等的解剖關系，并通過對感興趣區域進行長度、角度、體積的測量，大大提高醫療診斷的準確性和可靠性；通過手術模擬，選擇最佳手術入路，提高手術風險預警能力、減少手術損傷、提高手術效果，通過隨訪，本組病例影像學全部切除率達85.7%，術后神經功能改善率達97.1%(僅1例無改善)，本組腫瘤全部切除率明顯高于既往報道的術中熒光輔助手術的74%[4]，縱然本組35例患者中腫瘤對神經纖維束的影像以鄰近或推擠為主(31例)，浸潤破壞較少(4例)，有可能一定程度上增加了腫瘤切除率，但是與術前對腫瘤解剖結構的充分把握以及手術過程模擬也密不可分。不可否認，DTI纖維束成像以及虛擬現實技術乃至增強現實技術用于術中導航[20]， “腦漂移”的問題仍然不能完美解決，尤其是神經纖維束的移位，術中實時校正依然困難。

本研究存在以下不足，手術樣本數不算太多，未能在術中采用喚醒麻醉了解術中患者對手術的即時效果，缺乏術后DTI纖維束成像以及虛擬現實技術對比觀察等，但是本研究的目的在于為改善腦膠質瘤的預后探索方法，這些不足將在后續的研究中逐步完善。本研究所應用的DTI神經纖維束成像以及虛擬現實技術也只是功能區膠質瘤眾多手術輔助技術的一種，隨著研究的深入，新的理論和技術還會不斷涌現，比如腦細胞外間隙以及腦間質系統分區理論[21]，兼顧細胞學說以及細胞微環境理論的新的手術及治療技術也在探索之中，并且伴隨著計算機和影像技術的發展，DTI纖維束成像和虛擬現實技術必將逐步完善，應用將越來越廣泛，功能區膠質瘤患者的預后也有望得到實質性改善。