多模態影像融合及神經導航技術在小兒神經外科教學中的應用

趙崇舜，王勇強，陳 民，王杭州

（蘇州大學附屬兒童醫院 神經外科，江蘇 蘇州 215006）

小兒神經外科是一個具有較高難度的專業領域，與其他神經外科亞專業類似，需要從業醫師具有扎實的醫學知識和嫻熟的專業技能，并具有良好的學習掌握能力。但不同于成人神經外科，小兒神經外科涉及嬰幼兒和兒童的神經系統疾病，由于小兒的生理特點，其神經、血管等組織較成人更加纖細脆弱，手術操作空間也更為狹窄，因此需要醫師詳細了解并掌握嬰幼兒和兒童神經系統的解剖結構，以便準確定位和處理病變，避免產生醫源性創傷。同時，小兒的解剖結構相對成人復雜且處于不斷生長變化中，許多體表標志或骨性標志不似成人般準確可靠，因此，訓練并掌握全面的神經系統解剖知識和優秀的空間想象能力是小兒神經外科醫師的培養中極為重要的一環。近年來，隨著計算機及醫學影像技術的發展，在全世界神經外科領域，多模態影像融合與重建技術和神經導航技術逐漸融入小兒神經外科的臨床應用［1］，其特有的優勢在于可以讓醫師直觀地檢視每個病人的三維圖像，確認病灶位置與毗鄰結構，并在無創前提下進行確認定位。這大大降低了神經外科醫師的培養難度，優化了低年資醫師的成長曲線。近年來，蘇州大學附屬兒童醫院神經外科將多模態影像融合及神經導航技術應用于小兒神經外科的教學工作中，本文試探討其應用效果及前景。

一、多模態影像融合技術

多模態神經影像融合技術是一種將不同類型的神經影像數據在計算機的輔助下進行整合和融合的技術方法，旨在提供更全面、準確和可靠的神經信息。多模態神經影像融合技術結合了不同的影像模態，如結構像、功能像和代謝像等，以提供更詳細和全面的神經系統信息。多模態神經影像融合技術可以通過將不同的影像數據進行配準和對齊，然后將其進行疊加或疊加顯示，從而實現影像數據的融合。借此，醫師可以同時獲得不同影像模態的信息，從而更全面地了解病變的位置、形態、大小和功能等特征。同時，計算機可根據醫學影像數據實時重建患者的三維圖像，并在此基礎上進行進一步的影像后處理，醫師可直觀檢視患者的病變區域與正常結構的位置關系，有助于精確定位病灶并規劃手術。

二、神經導航技術

神經導航技術是一種利用影像學和計算機技術協助神經外科手術的方法，通過實時的圖像引導和定位，可幫助神經外科醫生在手術過程中準確地定位和導航到特定的神經結構或病變部位［2］。神經導航技術將獲取的多模態影像數據進行處理和重建，生成更清晰和準確的影像，以提高影像質量和可視化效果。而后通過將患者的實際解剖結構與影像數據進行注冊和配準，建立起影像和患者之間的空間對應關系。這樣，醫生可以通過實時的影像引導手術器械，在手術前及手術過程中，神經導航系統可以實時顯示患者的解剖結構和病變位置，并將手術器械的位置和方向與影像對應，醫生可以根據導航系統提供的信息準確地定位和導航到目標區域，避免誤傷正常結構。此外，神經導航技術可以將導航信息以可視化的方式呈現給醫生，如在手術顯微鏡或顯示器上顯示影像和導航路徑，一些高級技術還可將虛擬圖像疊加到實際視野中，實現增強現實的效果，提供更直觀的導航指引。

三、利用多模態影像融合技術及神經導航技術在小兒神經外科教學中的應用實踐

（一）術前規劃與教學

以某男性患兒為例，術前影像學檢查提示松果體區占位，梗阻性腦積水，計劃行神經內鏡下第三腦室底造瘺及縱裂—胼胝體—脈絡膜裂入路腫瘤切除術。在傳統教學方法中，帶教醫師通過單純二維影像對住院醫師進行術前影像學講解，由于年輕住院醫師缺乏手術經驗或臨床解剖學知識基礎較淺，可能無法通過二維圖像正確定位病變并了解周圍組織的解剖學關系，導致教學效果欠佳。在應用了全新技術后，術前利用多模態影像融合技術對患兒的計算機斷層掃描圖像（computerized tomography，CT）和磁共振圖像（magnetic resonance imaging，MRI）進行配準后融合并進行三維重建，利用計算機對腦室、腫瘤，以及周圍重要結構進行重建并高亮顯示（如圖1）。由一名高年資帶教醫師結合三維圖像對住院醫師進行教學，講解該例患兒的腫瘤位置、解剖結構、計劃的手術入路及術中需重點關注和保護的組織等。由于學員可直觀地從各個方向觀察目標結構和區域，并自主調整視角和觀察目標，因此可以在腦海中快速構建手術區域的解剖結構，掌握相關知識，加深解剖學知識印象。此外，對于神經內鏡手術，術前穿刺點的定位是手術順利進行的重要基礎，過去對此部分的教學僅限于帶教醫師的演示示范，低年資住院醫師常缺乏實際操作經驗。例如，在患兒體表進行模擬定位需要患兒和家長的理解和配合，且難以重復和驗證，在應用多模態影像融合技術重建后，利用重建顯示的頭皮及顱骨圖像，帶教醫師可結合三維圖像講解關鍵骨性標志物如冠狀縫、頂結節等的定位方法，并讓學員在計算機上模擬定位，而后進行驗證和考核（如圖2）。這大大提高了低年資住院醫師的學習效率，也有助于量化學習進度，考核學習效果，且有助于快速提高臨床操作能力。

圖1 腫瘤與腦室相對位置三維重建圖像

圖2 腫瘤定位及體表標志重建圖像

（二）術中定位與教學

在傳統教學方法中，低年資住院醫師在手術過程中往往通過觀看手術視頻和上級帶教醫師指導和點評進行學習，一方面缺乏直觀體會，另一方面教學效果依賴于帶教醫師的教學水平和講解能力，難以規范化評價教學效果。引入術中神經導航技術進行教學后，學員在手術中可通過計算機定位手術器械，并在顯示屏上直接觀察手術器械與目標病變、關鍵結構的相對位置關系并實時矯正調整。在確認了術中的精確位置和毗鄰解剖學關系后，學員能夠更加簡單直接地將術前影像資料和術中所見結合聯系起來，并可借助計算機輔助反復重復相關步驟，直觀地掌握手術相關知識要點，在該例患兒的神經內鏡下第三腦室底造瘺手術中，準確恰當地選取穿刺點是手術要點之一，也是既往教學的重點和難點。傳統教學方法中，學員通過觀察二維影像資料很難想象三維結構中腦室在體表的投影位置。而上級帶教醫師示范后也難以給學員留下深刻印象。在借助術中神經導航技術進行教學后，可在上級醫師指導下學員自行標記穿刺點位置，而后借助神經導航進行驗證，觀察穿刺點選取是否合適及應當如何進行調整，學員借助三維重建圖像，可以清晰地觀察到自己選取的標記點和腦室的相對位置關系，以及在調整后穿刺道的變化情況，這不但簡化了教學步驟，降低了教學難度，也顯著提升了教學效果。在該例患兒之后進行的經縱裂—胼胝體—脈絡膜裂入路腫瘤切除術中，如何讓低年資住院醫師學習掌握縱裂—胼胝體—脈絡膜裂這一手術入路的解剖學位置和毗鄰神經結構一直是教學的難點。傳統教學方法依賴主刀帶教醫師在顯微鏡下暴露相關解剖學結構，并逐一進行詳細講解，學員往往無法形成深刻認識，同時有可能延長手術時間，效率較低且無法重復；而引入術中神經導航技術后，帶教醫師通過導航器械可以實時地指出當前操作區域的位置，并在未暴露的情況下對周圍毗鄰關鍵結構進行指出和講解，學員可以在顯示屏上直觀地看到手術過程的推進及重要結構的位置關系并自行調整觀察角度，選擇顯示特定結構，達到模擬手術的效果，且可借助計算機輔助不斷重復，加深印象，強化學習效果。

（三）術后回顧與教學

手術后回顧手術效果及將術后影像資料和術中所見進行比對也是手術教學的重要環節。傳統教學中通常依靠術后二維CT或MR圖像，結合手術視頻錄像進行講解教學。傳統教學的優點在于讓低年資住院醫師可以跟隨主刀帶教醫師的思路進行回顧學習，建立相關知識體系，通過當場提問的方式解答相關疑問；缺點在于傳統方式依賴帶教醫師的教學水平和教學時長，效率較低，難以調動學員的自主學習熱情并形成系統性的教學體系，且不具有可重復性。而在利用多模態影像融合技術及神經導航技術輔助教學后，學員可以自主利用術后復查影像資料進行三維重建并多角度觀察，且學員基于術后影像重建的三維結構得以直接觀察手術穿刺造瘺點與手術入路的空間位置和周圍結構的毗鄰關系，結合手術視頻錄像，對術中涉及的關鍵結構和區域進行直觀系統的學習，避免了因為缺乏相關手術經驗和空間想象能力而造成的學習效果不佳。在遇到難點和疑問時，可利用計算機系統截圖或錄屏，帶教醫師進行重點答疑和講解，由此激發學員自主學習熱情，鍛煉其空間想象能力，鞏固解剖學和手術學基礎。

四、討論

神經外科被譽為外科學中的王冠，而小兒神經外科更被比作王冠上的明珠，小兒神經外科專科醫師的教學培養是全國各個神經外科醫師培訓基地中的重點任務［3］。由于小兒處于不斷發育中，神經系統具有極其復雜又脆弱的特點，對于從業醫師的專業素養和臨床經驗都有極高的要求，使得小兒神經外科醫師的教學工作一直是神經外科教學任務中的難點。如何在保證醫療安全的前提下，規范、高效、準確地教授小兒神經外科醫師專業知識，培養其臨床能力是相關教學研究的永恒主題。

不同于基礎醫學教育，外科學的教育模式更注重于手術方式的講解及手術經驗的傳授，尤其是神經外科領域，大量的手術操作皆在顯微鏡下由主刀醫師和一名助手完成，低年資醫師常無法獲得直觀的手術經驗，因此成長曲線相對較長。傳統的小兒神經外科教育模式中，常依賴于學員自主閱讀影像資料、上級帶教醫師講解、觀看手術錄像并自主學習相關知識的模式。其優勢在于對設備水平要求較低，便于在各地醫院及醫學院校開展，但缺點是高度依賴于學員的自主學習能力和帶教教師的教學水平及教學醫院的手術開展數量，難以達到教學流程的標準化和教學成果的均質化。

近年來，隨著計算機圖像處理能力的不斷進步，多模態影像融合技術和神經導航技術逐步融入神經外科的臨床工作并發揮著越來越大的作用［4］。新技術的優勢在于幫助缺乏手術經驗的神經外科醫師快速掌握相關知識并提高手術能力與技巧，這與神經外科醫師培訓教學的目的是一致的。在小兒神經外科領域，由于小兒神經系統疾病的特殊性和復雜性，教學難度相較其他神經外科領域更高，多模態影像融合技術和神經導航技術很好地彌補了現有小兒神經外科教學工具的不足。通過計算機輔助直觀地觀察病灶及周圍的解剖結構，使得低年資的小兒神經外科醫師可以快速地掌握相關知識；而在神經導航的輔助下，低年資醫師可以獨立完成病灶部位、手術區域的定位并加以驗證，形成良好的學習反饋閉環。在我們的教學經驗中，合理地運用這些技術可以大幅度地提高相關教學工作的效率。

然而，也必須認識到，神經導航技術和多模態影像融合技術也并非萬能，依然存在技術上的缺陷和不足，在深部和涉及腦室和腦池的操作中，有發生偏移導致定位準確度下降的問題［5］。其次，在教學工作中，這些新技術暫時只能起到輔助教學的作用，仍然需要上級帶教醫師進行耐心細致的指導方能有良好的教學效果。總體來說，神經導航技術和多模態影像融合技術為小兒神經外科醫師的教學工作引入了新思路，在良好的使用模式和一定的經驗基礎上，可以發揮事半功倍的作用，為培養合格的小兒神經外科醫師提供強有力的幫助。