基于多模态神经影像的虚拟现实技术对三叉神经痛和面肌痉挛患者血管神经压迫的诊断价值

姚书敬，李昉晔，赵艺宁，张家墅，李翀，张治中，张军，陈晓雷

中国人民解放军总医院 神经外科，北京 100853

基于多模态神经影像的虚拟现实技术对三叉神经痛和面肌痉挛患者血管神经压迫的诊断价值

姚书敬，李昉晔，赵艺宁，张家墅，李翀，张治中，张军，陈晓雷

中国人民解放军总医院 神经外科，北京 100853

目的探讨基于多模态神经影像的虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术对三叉神经痛和面肌痉挛患者血管神经压迫进行术前评估的技术可行性及准确性。方法收集接受微血管减压手术治疗的三叉神经痛和面肌痉挛患者共40例，术前均行1.5 T的MRI扫描，扫描序列包括：平扫和增强的T1加权三维磁化强度预备梯度回波序列（T1WI 3D MPRAGE），三维可变翻转角质子加权快速自旋回波序列（3D-SPACE），三维时间飞跃法磁共振血管成像（3D-TOF-MRA）。利用3D-Slicer软件将多模态MRI影像配准融合并重建出三维虚拟现实模型，然后根据虚拟现实模型对有无血管神经压迫及压迫责任血管来源进行术前评估，最后和微血管减压手术中所见到的实际情况进行对比分析。结果在40例患者中，术前MRI扫描和虚拟现实模型重建全部顺利完成。利用虚拟现实模型对是否存在血管神经压迫进行术前评估的灵敏度为97.4%（38/39），特异度为100%（1/1）；对责任血管来源的判断与术中诊断进行一致性检验，Kappa值为0.921（95%的可信区间为0.817～1.02），P=0.000＜0.001。结论利用VR技术有助于术前对三叉神经痛和面肌痉挛患者有无血管神经压迫和责任血管作出准确的评估，有助于指导微血管减压手术。

三叉神经痛；面肌痉挛；血管神经压迫；虚拟现实技术；微血管减压术

引言

三叉神经痛和面肌痉挛是临床上常见的两种颅脑神经疾病，罹患此类疾病的患者常因疼痛难忍、心理障碍等而寝食难安、坐卧不宁，严重影响其生活质量和身心健康。目前认为，脑血管对颅神经根的压迫是原发性三叉神经痛和面肌痉挛的主要致病原因[1-2]。微血管减压术是目前手术治疗三叉神经痛和面肌痉挛的首选方法[3-5]，也是目前唯一能够根治这类疾病同时又保留神经功能的非毁损性手术，但是手术仍具有一定的失败率、并发症发生率和复发率。据报道，选择影像学上明确存在血管神经压迫的病例手术疗效明显优于影像学阴性的病例[6]；术后复发的病例再次手术探查，发现有一半以上存在遗漏的责任血管[7]。因此，术前对血管神经压迫准确的评估，对于合适病例的选择、手术计划的制定、提高手术治愈率、降低手术风险都会有很大帮助。本研究基于患者的术前多模态神经影像，利用3D-Slicer免费医学影像处理软件对后颅窝血管神经关系进行虚拟现实模拟及评估，然后与术中真实情况进行对比，从而探讨基于多模态神经影像的虚拟现实技术对三叉神经痛和面肌痉挛的诊断价值。

1 资料与方法

1.1 临床资料

收集解放军总医院神经外科2011年2月～2017年10月收治的三叉神经痛和面肌痉挛患者40例，其中男性17例，女性23例，年龄22～76岁，具体基本情况，见表1。病例纳入标准：① 经药物治疗失败或复发，或不能耐受药物不良反应者；② 其他外科治疗无效或复发者；③ 能够配合在本单位完成术前MRI检查者并接受微血管减压手术治疗者。排除标准：① 由肿瘤压迫、动脉瘤压迫、骨质增生等继发性因素引起者；② 身体一般情况差，不能耐受手术者。MRI检查及微血管减压手术治疗均征得患者及其家属同意并签署知情同意书。

表1 患者的基本情况

1.2 术前MRI数据的采集

所有患者均于术前1～2 d采用1.5 T高场强超导磁体（Espree，西门子）进行磁共振扫描，扫描序列包括：① 平扫和增强的T1加权三维磁化强度预备梯度回波序列（T1WI 3D MPRAGE，TE 3.02 ms，TR 1650 ms， 矩 阵256×256，视场 250 mm×250 mm，层厚1 mm）；② 三维可变翻转角质子加权快速自旋回波序列（3D-SPACE，TE 227 ms，TR 1500 ms，矩阵 640×640，视场 225 mm×225 mm，层厚0.74 mm）；③ 三维时间飞跃法磁共振血管成像（3D-TOF-MRA，TE 7 ms，TR 29 ms，矩阵256×256，视场 180 mm×180 mm，层厚0.7 mm）。

1.3 虚拟现实模型的建立

在个人电脑上运行3D-Slicer软件（版本4.5，SPL实验室，哈佛大学），然后以DICOM格式导入患者的术前MRI数据，随后对数据进行如下处理：① 使用General Registration（BRAINS）模块将不同序列的MRI影像进行配准融合；② 进入Editor模块，利用3D-SPACE序列对脑干、三叉神经/面神经进行三维重建，利用3D-TOF-MRA序列对后颅窝血管进行三维重建；③ 将重建好的脑干、颅神经及血管的虚拟现实模型在3D Viewer窗口进行三维展示，并记录数据处理整个过程所需要的时间。

1.4 术前评估

由一名中高年资神经外科医师根据重建好的虚拟现实模型对患者有无后颅窝血管神经压迫及责任血管来源作出术前评估，评估过程中可根据需要对虚拟现实模型进行任意缩放、360°自由旋转、三维立体显示、透明度及色彩调整等操作。

1.5 术中诊断

由主刀医师在微血管减压术中对患者后颅窝血管神经关系进行探查并作出诊断。

1.6 统计学分析

使用SPSS 22.0统计学软件进行统计分析。以微血管减压术中对后颅窝血管神经压迫作出的判断为金标准，计算利用虚拟现实模型对后颅窝血管神经压迫进行术前评估的灵敏度、特异度、误诊率及漏诊率，并以Kappa值（K）检验术前评估结果与术中判断结果的一致性，K≥0.75为极好的一致性，0.40≤K＜0.75为较好的一致性，K＜0.40表示一致性差。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 利用虚拟现实模型进行术前评估的可行性

术前MRI扫描及虚拟现实模型的建立在40例患者均顺利完成。根据影像数据的复杂程度不同，从数据导入到完成虚拟现实模型重建所需要的时间从10～70 min不等，而且具有陡峭的学习曲线（图1）。

2.2 利用虚拟现实模型进行术前评估的准确性

根据术前虚拟现实模型，40例患者中共38例被诊断出存在血管神经压迫，另外2例无血管神经压迫；在微血管减压手术中，40例患者中有39例被确认存在血管神经压迫，只有1例未探查到明确的血管神经压迫，见表2。因此，利用基于多模态神经影像的虚拟现实模型对后颅窝血管神经压迫进行术前评估的灵敏度为97.4%（38/39），特异度为100%（1/1），假阳性率为0（0/1），假阴性率为2.6%（1/39）。K值为0.655，P=0.000＜0.001，说明在判断有无血管神经压迫方面，利用虚拟现实模型术前评估与手术探查结果具有较好的一致性。

图1 虚拟现实模型建立的学习曲线

表2 术前诊断与术中诊断比较是否存在血管神经压迫（例）

在根据术前虚拟现实模型诊断出存在血管神经压迫的38例患者中，37例患者的责任血管与术中判断结果一致，只有1例右侧三叉神经痛的患者在术中证实责任血管为小脑上动脉一分支，而术前根据虚拟现实模型诊断为小脑前下动脉的压迫；术前诊断为无血管神经压迫的2例患者中，有1例在术中亦未探及到责任血管，而另外1例证实为岩静脉从上方压迫右侧三叉神经根入脑干区（Root Entry Zoon，REZ），见表3。K值为0.921（95%的可信区间为0.817～1.02），P=0.000＜0.001，表明在判定责任血管的来源方面，利用虚拟现实模型进行术前评估与术中所证实结果具有极好的一致性。

表3 责任血管的术前评估与术中诊断结果比较（例）

2.3 典型病例

37岁女性患者，主诉左侧面部阵发性疼痛两年，曾口服卡马西平治疗，症状缓解不明显。入院后行MRI检查提示有血管与左侧三叉神经关系密切，但血管的确切来源及两者具体解剖关系难以确定（图2）。利用3D-Slicer软件根据其术前多模态MRI数据重建出虚拟现实模型（图3），耗时13 min。然后根据虚拟现实模型评估发现左侧小脑上动脉分为两个分支，其中一支从三叉神经REZ区通过并在其内侧和上方造成压迫。术中探查三叉神经REZ区，所见责任血管及血管神经关系与术前虚拟现实模型所显示完全吻合，充分减压后探查未再发现其他血管压迫。手术效果良好，术后患者左侧面部疼痛消失。

图2 典型病例之术前MRI影像

3 讨论

明确是否存在血管神经压迫对于三叉神经痛与面积痉挛的病因诊断、治疗策略选择和预后评估都具有很重要的作用[8]。在判断有无血管神经压迫时，临床上常用的MRI检查可以提供很多大帮助[9]，尤其某些特殊序列如磁共振血管成像（MRA）、3D-CISS序列等对血管或神经的显示更加清晰[10-11]。但是目前常规MRI图像依然有很多不足之处，不能够满足现在精准神经外科的要求，例如：MRA序列虽然可以清晰地显示出动脉结构（高信号），但却无法以同样的清晰程度显示颅神经结构（等信号）；CISS序列虽然可以同时清晰地显示出血管与神经结构（均表现为低信号），但这又给二者之间的辨别带来困难。另外，在某些确实存在血管神经压迫的病例中，由于责任血管走行、扫描基线定位方向及扫描层厚等原因，使得某些压迫点不能够显示而漏诊；在一些血管神经关系复杂、责任血管变异较大的病例中，单纯依靠原始的二维影像难以对解剖关系形成三维空间认识，导致不能作出确切诊断。

本研究利用多模态神经影像，基于不同MRI序列（如3D-TOF-MRA序列、3D-SPACE序列），使用3D-Slicer软件在个人电脑上建立后颅窝血管神经的虚拟现实模型，然后根据重建好的虚拟现实模型对三叉神经痛和面肌痉挛患者是否存在血管神经压迫及责任血管来源作出判断。不同序列融合之后，在多模态影像上面可以将血管（高信号）与神经结构（低信号）清楚地区分开来，然后分别利用分辨率较高的序列重建出相应的结构，包括脑干、后颅窝血管及颅神经，这样就克服了单一模态影像上难以辨别血管、神经的困难[12]，而且脑干的重建可以为三维空间关系提供良好的参照，更有助于术前模拟手术体位及入路。Linux）兼容的特点，因此借助于这款软件我们可以利用个人电脑实现随时随地对影像数据进行处理，而不必受限于特定的医学影像处理工作站对时间和工作场所的要求，这给我们的学习和工作提供了很大的便利，而且大大降低数据处理所需要的成本。

图3 典型病例之虚拟现实模型与微血管减压术中所见情况

本研究证实了利用多模态影像重建虚拟现实模型的可行性与高效性，对40例患者全部完成重建工作，并且从最初建立模型所需时间为1 h左右到完成20例重建以后每例所需时间基本不超过30 min，表现出陡峭的学习曲线，其中1例最快13 min即完成重建工作。因此在熟练掌握虚拟现实模型重建技术后，此种术前评估方法并不会给临床工作带来过重的额外负担。

与微血管减压手术中所见实际情况相对比，利用本研究提供的方法对后颅窝血管神经压迫进行术前评估可达到97.4%（38/39）的灵敏度和100%（1/1）的特异度。对于责任血管来源的判断，本研究方法的评估结果和术中诊断有着极好的一致性。这就给手术策略的选择提供了很有利的依据。另外，虚拟现实模型还可以任意角度旋转、调整透明度、三维立体观察，弥补手术过程中难以达到的某些视角和方位，为术中寻找责任血管、缩短手术时间带来极大帮助。

更有趣的是，可以将3D-Slicer重建好的虚拟现实模型传输到手持设备，如iPhone手机、iPad等，并可以在手持设备上对虚拟现实模型进行比在电脑上更为方便的缩放、旋转、调整透明度等操作。这样不仅可以方便医生对解剖知识的学习、术前的评估，还可以在与患者及其家属术前谈话时进行展示，使他们对所患疾病有更加直观、深刻的认识，了解手术的基本过程，打消他们内心的一些顾虑和焦虑，增加对医生和手术的信心，在一定程度上可以改善医患关系。

需要注意的是，当根据虚拟现实模型评估未发现血管神经压迫时，不能够完全排除压迫存在的可能，因为本研究方法仍存在2.6%（1/39）的假阴性率，尤其怀疑责任血管为静脉时要格外谨慎[16]，应仔细评估以免贻误患者的治疗。我们将继续改进研究方法，优化扫描序列，使用更高场强磁共振机器进行术前扫描以提高利用虚拟现实技术对血管神经压迫进行术前评估的灵敏度，降低其漏诊率。

4 结论

虽然有关利用多模态影像进行类似虚拟现实模型重建的研究已有报道[13-15]，但大多所使用的软件为商业软件，成本较高，并且操作过程繁琐复杂。本研究利用的3D-Slicer软件是一款开源的免费医学影像处理软件，它可以在个人电脑上顺利运行，具有多系统（Windows、Mac、

本研究证实了基于多模态神经影像的虚拟现实技术对三叉神经痛和面肌痉挛进行术前评估的技术可行性和准确性，它是一项安全、无创、可重复操作的技术，其操作方便、成本低廉、观察直观等优点为临床教育、培训学习及术前诊断、手术规划带来极大帮助。但虚拟现实技术目前还不能完全取代术中探查，其真正的临床价值还有待于进一步的研究去证实。

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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

国家自然科学基金（81771481）。

陈晓雷，主任医师，副教授，硕士生导师，主要研究方向为高场强术中磁共振及功能神经导航技术和神经内窥镜技术。

通讯作者邮箱：chxlei@mail.sysu.edu.cn

本文编辑 王静