機械臂輔助顱內病灶體表投影定位的臨床應用

劉德峰，劉煥光，張華，胡文瀚，張凱，孟凡剛，楊岸超，張建國

精準醫學是目前醫學發展的指導理念，神經外科手術之前，位于腦實質的病變必須首先使用CT、MRI等影像技術進行定位，并明確顱內病灶的體表投影[1]。而對于神經外科而言，精準治療能夠最大程度地緩解患者的病情且兼顧手術療效[2]。顱內病變的定位和體表投影有助于確定與病變位置相關的開顱部位，以及確定切口部位[1,3-4]。更重要的是，皮膚切口和骨窗的寬度和長度可以在開始手術前在皮膚表面進行調整和繪制[5]。而早在1986年，神經導航的概念就已經產生[6]。隨后神經外科醫生逐漸開始在開顱手術中應用各種醫療導向設備。在導航設備的幫助下，神經外科醫生能夠在有限的術野下安全且準確地到達顱內病變的位置，這也表明了導航設備極大地提高了神經外科手術的質量和效率。隨后，各種各樣的導航系統問世并商業化[7-8]，其原理是基于使用點對點導航來指示位置。

近些年隨著醫療技術的發展進步，越來越多的導航輔助設備進入臨床應用，神經外科機械臂就是其中一種重要的輔助技術[9]。在功能神經外科中，機械臂輔助早已經應用于立體定向腦電圖技術(stereotactic electroencephalograph,SEEG)、腦深部電刺激(deep brian stimulation，DBS)、活檢等手術中[10]。與此同時，在臨床實踐中經常會遇到根據影像以及體表解剖標記設計的頭皮手術切口與術中顱內病灶相偏離的現象。而神經外科機械臂可以根據術前CT和MRI等影像資料，自動計算病灶的三維形狀，并在患者顱骨體表形成醒目投影，幫助手術醫生定位并標記切口。本研究對首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經外科2018年8月—2020年8月收治的75例顱內占位性病變患者的臨床資料進行回顧分析；其中15例患者使用機械臂輔助術前定位，將顱內病灶進行體表投影定位，60例患者以常規方法術前定位。現報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究共納入75例患者，其中應用機械臂輔助顱內病灶體表投影定位進行切除手術的患者(機械臂輔助組)15例，顱內占位病變常規開顱切除手術的患者(常規手術組)60例。(1)機械臂輔助組：男10例，女5例；年齡20～68歲，平均(44.2±17.1)歲；腫瘤均位于額、顳、頂部，病理類型為腦膜瘤者6例、膠質瘤9例，直徑1.5～9.2 cm，平均5.5 cm。(2)常規手術組：男35例，女25例；年齡15～69歲，平均(42.3±19.1)歲；腫瘤均位于額、顳、頂部，病理類型為腦膜瘤者31例、膠質瘤29例，直徑1.8～9.1 cm，平均5.7 cm。本研究患者均知情同意并簽署了手術知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 機械臂輔助顱內病灶體表投影定位 所有患者術前均行MRI檢查(3.0 T西門子磁共振機，德國)，掃描序列包括T1WI(層厚為1 mm)矢狀位和增強、T2WI(層厚為2 mm)軸位和冠狀位、T1-液體衰減反轉恢復序列(FLAIR，層厚為1 mm)矢狀位和軸位。必要時加做PET-CT及血管成像檢查。手術當天，注冊標記點粘貼在患者頭部，然后行頭顱CT掃描(層厚為0.625 mm，層間距為0)，圖像數據傳輸至機械臂工作站后進行圖像融合，將病灶、皮層及血管等進行三維重建，設計手術路徑。使用病灶投射功能將病灶的邊緣形狀投射至顱骨三維重建模型表面，可在軟件中設計骨窗大小，根據模擬去除骨瓣效果適當調整(圖1)?；颊呷楹螅^架固定頭部，完成機械臂注冊，機械臂末端連接激光導向裝置，自動描畫規劃骨瓣范圍(圖2)；切開頭皮后可再次行骨瓣描畫，力求精準。術后復查頭顱CT(層厚為0.625 mm，層間距為0)。

圖1 機械臂輔助顱內占位病變切除手術計劃 圖2 術中病灶投影并設計手術切口

1.2.2 常規顱內病灶體表定位 術前由主刀醫生根據患者CT、MRI等影像資料，以及體表解剖標記進行頭皮手術切口設計。設計原則包括切口包含占位，距離占位病變最近，盡可能利用自然解剖間隙，盡可能減少對神經、血管和腦組織的損傷。

1.3 手術評價指標 統計兩種術前占位體表定位方式的骨窗面積、手術耗時及占位病變手術全切率。骨窗面積計算方法：(1)骨窗最大直徑(d)，為CT平掃層面上所測量最大的骨窗直徑；(2)骨窗高度(h)，骨窗最大直徑同一CT層面上所測量頭皮至該直徑線的垂直距離；(3)骨窗面積(A)，計算公式為A=π×[(d/2)2+h2]。手術耗時定義：術中切開頭皮至縫合頭皮的時間。占位病變全切率：手術切除程度由一位神經影像學專家及一位神經外科醫生根據手術前后MRI上異常信號范圍對比變化確定；達到影像學上病變全切除的患者定義為手術全切除。

2 結 果

機械臂輔助組患者的術中骨窗面積為(83.33±15.72)cm2，常規手術組患者的骨窗面積為(113.72±11.93)cm2；機械臂輔助組患者的骨窗面積明顯小于常規手術組，差異有統計學意義(P<0.01)。兩組患者的手術耗時及腫瘤手術全切率間的差異均無統計學意義(均P>0.05)(表1)。

表1 兩組患者的臨床資料及手術指標比較

3 討 論

顱內病灶的精準定位是任何神經外科手術的基本要求[11]，而術前在患者體表使用記號筆標記手術切口更是每個外科醫生的必備技能。術前神經外科醫生對病變的位置有一個大致印象并規劃暴露病變的路線。在缺乏神經導航系統的情況下，病灶與放射圖像上已知解剖結構或標志的距離可以測量并用于定位目標。

既往這項工作基本是基于術前影像以及體表解剖標記進行頭皮手術切口設計，但往往會出現術前設計切口與術中實際病灶位置相偏離的現象。而如果出現這種現象，術中可能需要進一步擴大術窗，增加了正常腦組織損傷的風險。較小或者位于深部腦組織的病變，對于術前入路準確定位的要求則更高。

隨著頭皮切口和開顱骨瓣尺寸最小化趨勢，對更準確的定位的需求在神經外科手術中不斷增加。國內學者郭宇等[12]利用智能手機軟件，識別患者術前影像，鏡像翻轉后使圖像重疊至患者頭部從而定位病變位置。但是該軟件雖然使用較為方便，但是操作上存在一定難度，定位上需要拍攝患者正側位照片并與影像完全一致才能準確定位，存在定位誤差、耗時較長、手機無法兼容等問題。神經導航同樣是作為準確定位顱內占位的輔助設備。G?kyar等[13]應用笛卡爾坐標系統和MRI制作體表立體定位無框架病灶定位模型，其結果雖然具有可用性和可靠性，但更多地適用于淺表占位病變，對于腦深部占位病變的體表定位尚需進一步研究。蘇國輝等[14]使用神經導航輔助切除功能區膠質瘤，結果顯示神經導航具有定位準確、可個體化選擇切口和手術入路、全切率高等優點。但神經導航定位耗時較長，操作技術要求相對更高，且設備價格昂貴，尚不適合大規模推廣使用。Meola等[15]的一篇關于虛擬現實結合神經導航技術的綜述指出，該技術的使用還需要進行前瞻性研究，并且需要改進設置使得其更具用戶兼容性；同時虛擬現實模型也需要改進以融合周圍環境。此外，近些年新興的技術之一三維增強虛擬現實[16]也存在一些不足。其雖然旨在臨床干預過程中幫助醫生進行空間推理，繼而實現在患者身上的手術計劃可視化；但由于會聚-調節沖突或其他硬件因素造成的三維虛擬現實設備限制與傳統導航相比增加了約1.5 mm的誤差，這也限制了該設備在臨床環境中的使用。

隨著醫療技術的持續發展進步，神經外科機械臂在立體定向領域得以廣泛使用[17-19]。機械臂工作平臺包括一個計算機軟件系統、一個六軸機械臂和一個攝像頭。外科醫生可以通過計算機軟件系統觀察頭部的多模態影像，規劃最佳的手術路徑；機械臂可以幫助外科醫生準確定位手術部位，同時充當多功能手術操作平臺；攝像頭可以進行空間映射、實時跟蹤，利用獨特的標識物自動捕獲機械和患者頭部的空間位置，操作簡單、輕便安全、精準高效，確保機械臂沿著規劃的路徑運動到術前規劃的位置。當前國際上應用較為廣泛的機械臂主要有法國的Neuromate、加拿大的Neuro Arm等[20-21]。當前國內使用神經外科機械臂的手術主要包括DBS電極植入、立體定向活檢、立體定向血腫清除、置管引流術及損毀手術等。DBS是改善帕金森病相關運動癥狀的有效外科治療方法，決定患者預后的關鍵因素之一就是手術中電極植入的準確定位。Moran等[22]對152例患者進行回顧性分析并探討機械臂輔助電極植入治療帕金森病的臨床效果，其術后1年的臨床隨訪顯示機械臂輔助電極植入的DBS治療帕金森病的療效與傳統治療方法相當。這也從側面證實了機械臂輔助定位的精確性和穩定性。Wang等[23]對17例高血壓性腦出血患者的臨床資料進行回顧性分析以驗證醫用神經外科機械臂治療高血壓性腦出血的微創手術方法和療效，結果顯示機械臂輔助立體定向技術能根據血腫形狀進行手術規劃，準確引導血腫穿刺。本研究所使用的國產Remebot機械臂系統由一個可360°自由旋轉六軸機械臂、一臺計算機和一臺攝像機組成，可將CT和MRI等影像資料自動融合；然后根據術前CT和MRI等影像資料，通過圖像灰度等級區分，實現像素級別的劃分，可以將占位病變與腦組織分割出來；利用連通域面積、形狀等特征進行區分，可以單獨顯示皮膚、骨骼、腦組織、血管等，即可以達到一個較高精度的顱內占位分割結果；該方法計算簡單，效率高。隨后自動計算三維病灶形狀，并在患者顱骨體表形成醒目投影，激光幫助手術醫生定位并標記切口，指導手術入路，避免不必要的術中探查，減少對腦組織的損傷。

本研究對15例顱內占位患者術前進行機械臂輔助體表定位，術前影像學檢查顯示占位病變均位于額、顳、頂部，主要位于大腦凸面及皮層。機械臂輔助手術組與常規手術組患者的手術指標分析顯示，機械臂輔助手術組患者的術中骨窗面積為(83.33±15.72)cm2，常規手術組患者的骨窗面積為(113.72±11.93)cm2，兩組患者骨窗面積的差異有統計性意義(P<0.01)；而兩組患者手術耗時及手術全切率間的差異均無統計學意義(均P>0.05)。

本研究機械臂輔助手術組患者術中在滿足術野要求的情況下，未出現因定位偏差而繼續擴大骨窗、術中大出血、顱內壓升高、急性非術區硬腦膜外血腫等并發癥。術后病理檢查顯示腫瘤病理性質均為WHO Ⅰ-Ⅱ級的腦膜瘤及膠質瘤。術后復查MRI顯示占位病變均完全切除，手術全切率100%；未出現顱內出血、感染、癲癇發作等術后并發癥。術后半年及1年隨訪，15例患者均無神經功能障礙，復查MRI均未見腫瘤復發。

機械臂的使用，其主要的優點在于操作簡單易用，機器運行穩定，結果可靠可用。機械臂的使用并未增加手術耗時，無需增加特殊裝備滿足定位需要；并且在不影響手術視野的情況下有效地減小了手術骨窗面積，降低了非術區腦組織損傷的風險。本研究使用機械臂輔助顱內占位病變體表定位，在術中未使用器械擴大骨窗的情況下，手術全切率與常規手術無顯著差異；表明機械臂的輔助介入在提高顱內占位體表定位精度的同時不會影響實際手術療效。21世紀以來，微創神經外科學理念逐漸深入神經外科的各個方面，其中很重要的一部分內容便是微骨窗入路，而實現這一點需要計算機科學和信息學等多學科的合作。神經外科機械臂的應用完全符合微創神經外科學理念，達到了腦腫瘤切除以最小創傷同時最大切除的目的[2,11]。Remebot神經外科機械臂定位系統是國內正式獲批準的神經外科手術機械臂，當前的應用主要在于功能神經外科中需要高精度保證的術式，而將該定位系統應用于輔助顱內病變體表投影定位，有助于擴大該系統的應用范圍，進一步發揮其定位準確、操作簡便、自動化程度高等優勢。

綜上所述，采用機械臂輔助顱內病灶體表投影定位選擇最佳切口入路，取得令人滿意的臨床效果。本研究的局限性是樣本量較小，后期將進一步增加樣本量以評價其安全性和穩定性。并且后續可進一步擴大其應用范圍，如更深層次或者顱底、后顱窩等復雜區域的占位病變的體表定位。該技術對神經外科腫瘤切除手術的深遠影響還有待更長時間的隨訪觀察。機械臂輔助病灶體表定位操作簡單、應用方便，能夠準確地定位顱內病灶在頭部體表的投影，幫助術者設計最佳手術入路，在最短路徑到達病灶的同時盡可能地降低腦組織的損傷，提高患者手術耐受性，達到了準確、微創、快捷的目的。該技術還具有進一步開發和應用于其他術式的潛力。