弥散张量成像联合虚拟现实三维重建在功能区胶质瘤手术中的应用

陈素华，杨 军,△，韩鸿宾，崔德华，孙建军，马长城，和清源，林国中，韩芸峰，吴 超，马凯明，张一博

(1.北京大学第三医院神经外科，北京 100191； 2.磁共振成像设备与技术北京市重点实验室，北京 100191；3. 北京大学第三医院放射科，北京 100191)

脑功能区胶质瘤是神经外科治疗的难题，肿瘤侵犯功能区皮层或皮层下通路情况与手术切除程度及术后神经功能保留密切相关，因此术前明确肿瘤周围解剖，尤其是白质纤维束破坏与移位、供血动脉及引流静脉等，对手术的成功至关重要。本组病例选取侵犯运动区和语言区的胶质瘤，术前行弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)，同时利用Dextroscope虚拟现实系统行纤维束、肿瘤、血管等结构三维重建，研究肿瘤周围解剖结构，同时模拟手术入路，制定个体化手术方案，在肿瘤切除程度及神经功能保留方面均取得良好效果，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2015年1月至2019年1月由同一术者治疗的语言区及运动区胶质瘤患者35例，其中男性22例(62.9%)，女性13例(37.1%)，均为右利手，累及运动区(中央前回、丘脑、基底节及相关神经纤维束)10例，累及语言区(皮层语言中枢及纤维束)14例，同时累及语言区和运动区11例，年龄16～78岁。

1.2 功能区判定

既往学者将以下区域定义为功能区：主运动区、感觉皮层、基底节区、丘脑、下丘脑、大脑脚、脑干、齿状核、语言区、主视觉皮层以及与这些功能区相关的白质区域(根据DTI确定)[1-3],肿瘤距离功能区1 cm 以内定义为功能区肿瘤[4]，本研究所纳入的语言区和运动区胶质瘤患者，肿瘤位置和与功能区的距离术前由2名专业放射学专家确定，肿瘤性质经术后病理证实为脑胶质瘤。

1.3 影像学检查和数据处理

所有患者均采用3.0 T磁共振扫描仪(GE公司，美国)行头颅增强磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、磁共振动脉成像(magnetic resonance arteriography，MRA)以及DTI扫描。将所有患者的MRI、MRA及DTI原始数据以Dicom格式输入Dextroscope虚拟现实工作站(RadioDexter 1.0，Volume Interactions公司，新加坡)进行三维重建，完成图像融合以后，提取肿瘤、动脉、静脉等结构，利用DTI模块提取肿瘤周围神经纤维束并分别着色。

1.4 个体化手术方案的制定

根据虚拟现实系统所显示的三维模型，运用软件内的三维处理工具对图像任意位置进行立体切割，研究病变与周围结构的解剖关系。通过手术模拟比较各种手术入路的显露范围、切除程度以及对重要纤维束和血管结构的影像，设计最佳手术方案，并量化术中可能遇到的解剖结构的位置关系。打印或输出图片与视频资料，对获取的资料进行术前讨论、制定术前计划，并用于术中指导操作。

1.5 手术方法

根据术前虚拟现实解剖研究与手术模拟设计最佳手术切口与入路，在术中导航(Compass公司，美国)辅助下实施手术治疗。

1.6 观察指标

语言功能采用《汉语失语症评定量表ABC》评估，运动功能采用《简化Fugl-Meyer运动功能量表》评估，采集术前、术后1周、1个月、3个月功能评分；所有病例术后1周行增强磁共振检查，手术切除程度由放射科医生根据增强磁共振影像标定(全部切除：影像学无异常强化灶；次全部切除：残留小于10%；部分切除：残留大于10%)。

2 结果

2.1 DTI神经纤维束及虚拟现实三维重建

35例患者均成功实现了肿瘤、血管等结构三维立体虚拟现实影像的重建，并利用DTI模块三维重建肿瘤周围重要神经纤维束，术中所见与术前模拟基本吻合。35例患者中肿瘤重建提示单发肿瘤34例，1例肿瘤附近存在卫星灶；DTI神经纤维束重建提示肿瘤累及运动区(中央前回、丘脑、基底节及相关神经纤维束)10例，累及语言区(皮层语言中枢及纤维束)14例，同时累及语言区和运动区11例；本组病例肿瘤与纤维束关系为邻近或推挤31例，浸润破坏4例；血管重建提示肿瘤位于大脑中动脉供血区域30例，位于大脑前动脉供血区域5例；根据肿瘤位置不同，引流静脉注入侧裂静脉、大脑大静脉、下矢状窦或上矢状窦及其分支。

2.2 手术及随访

所有患者均由同一术者实施手术治疗，所有手术切口设计及手术过程均在导航辅助下完成，手术入路避开重要血管选择神经纤维最为薄弱处或非功能区(图1、2)。1例左侧旁中央小叶处肿瘤(图2)，按照常规一般选择额部纵裂入路避开功能区，经DTI重建后显示肿瘤邻近左侧皮质脊髓束，旁中央小叶纤维被肿瘤推挤向前内侧，肿瘤后方无重要神经纤维，最终选择顶部纵裂入路，同时避开上矢状窦引流静脉，术后患者肢体活动改善，未出现感觉障碍等神经功能缺失。所有患者中肿瘤影像学全部切除30例(85.7%)，次全部切除5例(14.3%)，其中1例患者为肿瘤携带卫星灶(图1)，卫星灶位于重要纤维束内，主体肿瘤全部切除，卫星灶行伽马刀治疗； 13例术前无神经功能缺失患者，术后出现一过性神经功能缺失，术后10 d左右恢复；22例术前存在神经功能缺失患者，其中12例患者术后1周评估时神经功能改善，9例患者术后1个月随访改善，1例运动区复发胶质母细胞瘤患者术后肢体活动障碍加重，并与术后2个月再次复发未再接受治疗因脑疝死亡。

3 讨论

手术切除是脑胶质瘤的首选治疗方法，这一点无论对于低级别胶质瘤还是高级别胶质瘤同样适用，尤其是高级别胶质瘤，手术对于预后的改善有着重要意义[5]。对于功能区胶质瘤而言，由于其位置的特殊性，手术需要在最大程度的切除肿瘤和最大限度的保留术后功能状态之间保持平衡[6]。有研究表明，在肿瘤切除程度和术后辅助治疗相似的情况下，术后新的运动或语言功能障碍和患者总体生存率下降有关[7]，因此对临床医生来说保留功能或改善生活质量成为必要。功能磁共振导航[8]、术中磁共振[9]、术中荧光[10]、术中皮层刺激[11]、术中唤醒麻醉[12]等新型辅助技术的应用使得功能区胶质瘤的预后得到一定改善，是未来的发展趋势，但现阶段仍面临耗费巨大、漂移误差、延长手术时间、增加围手术期风险等弊端。功能区胶质瘤“雕刻式切除”的手术理念，更多地依赖术者的个人手术经验以及术者对术中情况的判断[13]，而这些需要建立在术者对肿瘤及其周围结构整体把握的基础上。以往的术前评估主要根据头颅增强MRI结果，只能提供肿瘤解剖信息，而由于肿瘤浸润、占位效应等引起的神经纤维束破坏与移位无法显示，另外，脑胶质瘤的浸润生长特性也使得依靠普通的二维影像无法准确确定病变及其与周围解剖结构的空间关系，使得制定精确的手术计划极为困难。

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.图1 左侧额叶胶质瘤(患者女，49岁，主因“言语不利5月”入院)Figure 1 Gliomas in left frontal lobe (female, 49 years old, aphasia for 5 months)

虚拟现实技术的出现解决了二维影像的弊端，这项技术于2000年由Kockro等[14]应用于神经外科手术计划，可快速、更好地了解病变周围的解剖关系，模拟手术操作。随着计算机和影像学技术的不断进步，虚拟现实技术在神经外科的应用得到飞速发展，其中Dextroscope虚拟现实系统为众多虚拟现实产品中神经外科应用最为广泛的一个[15-18]。通过多影像融合获得的Dextroscope虚拟现实三维模型与术中所见有很高的一致性，可将肿瘤二维影像转化为精准、直观的三维模型，模拟手术并制定手术计划，让术者提前了解术中可能遇到的关键解剖结构，提高手术疗效[18]，而DTI神经纤维束成像能够直观立体显示白质纤维束与肿瘤组织间的可视化位置信息,反映肿瘤对周围纤维束的推挤、浸润和破坏状态,是目前显示活体纤维束的最佳手段[19]。本组病例将DTI神经纤维束重建结合虚拟现实技术，使肿瘤以及与邻近白质纤维束、血管的解剖关系可视化,术者获得更多信息优化手术方式及指导手术入路,并在术中权衡肿瘤切除范围与功能区神经功能保护,最大范围切除肿瘤的同时有效避免重要的白质纤维束损伤,从而使患者获取最大手术效益。本组1例左侧旁中央小叶区域占位的患者(图2)，根据常规增强影像以及手术习惯，为避开重要功能区首选额部纵裂入路，但是经过DTI神经纤维束三维重建提示肿瘤邻近左侧皮质脊髓束，旁中央小叶纤维被推挤向前内侧，额部纵裂入路损伤旁中央小叶纤维概率较高，我们选择顶部中央后回后方经上矢状窦两分支之间入路全切肿瘤，患者术后肢体活动明显改善，而且未遗留感觉障碍等新的神经功能缺损。

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.图2 左侧旁中央小叶胶质瘤(患者男，58岁，主因“右侧肢体活动不利半年”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虚拟现实重建在功能区胶质瘤手术中的优势主要体现在解剖关系的呈现与手术过程的模拟，独特的DTI模块可将肿瘤周围重要神经纤维束直观立体呈现，这是目前其他医疗虚拟现实系统所不具备的；基于影像学原始数据的多影像融合三维重建，可使术者更加全方位观察功能区肿瘤复杂的解剖结构，如肿瘤与神经纤维束、动静脉等的解剖关系，并通过对感兴趣区域进行长度、角度、体积的测量，大大提高医疗诊断的准确性和可靠性；通过手术模拟，选择最佳手术入路，提高手术风险预警能力、减少手术损伤、提高手术效果，通过随访，本组病例影像学全部切除率达85.7%，术后神经功能改善率达97.1%(仅1例无改善)，本组肿瘤全部切除率明显高于既往报道的术中荧光辅助手术的74%[4]，纵然本组35例患者中肿瘤对神经纤维束的影像以邻近或推挤为主(31例)，浸润破坏较少(4例)，有可能一定程度上增加了肿瘤切除率，但是与术前对肿瘤解剖结构的充分把握以及手术过程模拟也密不可分。不可否认，DTI纤维束成像以及虚拟现实技术乃至增强现实技术用于术中导航[20]， “脑漂移”的问题仍然不能完美解决，尤其是神经纤维束的移位，术中实时校正依然困难。

本研究存在以下不足，手术样本数不算太多，未能在术中采用唤醒麻醉了解术中患者对手术的即时效果，缺乏术后DTI纤维束成像以及虚拟现实技术对比观察等，但是本研究的目的在于为改善脑胶质瘤的预后探索方法，这些不足将在后续的研究中逐步完善。本研究所应用的DTI神经纤维束成像以及虚拟现实技术也只是功能区胶质瘤众多手术辅助技术的一种，随着研究的深入，新的理论和技术还会不断涌现，比如脑细胞外间隙以及脑间质系统分区理论[21]，兼顾细胞学说以及细胞微环境理论的新的手术及治疗技术也在探索之中，并且伴随着计算机和影像技术的发展，DTI纤维束成像和虚拟现实技术必将逐步完善，应用将越来越广泛，功能区胶质瘤患者的预后也有望得到实质性改善。