神经外科3D外视镜的研究进展

齐洪武,刘 硕,刘岩松,曾维俊

视觉仪器对于确保微创手术的高质量手术效果至关重要,并逐渐成为研究的焦点[1]。手术显微镜于20世纪50年代末首次引入临床后,由于其能够照明和放大术野解剖结构,因此成为神经外科术中可视化的金标准[2]。但手术显微镜在术中机动性、视野可及性方面存在局限。此外,手术显微镜的图像只有术者和助手能够实时观看,而且手术显微镜某些特殊摆位容易导致手术人员疲劳[3]。近年来研发的三维(three-dimensional,3D)外视镜规避了这些缺点,同时保留了手术显微镜的优势,3D外视镜在多种神经外科手术中的应用表明,它是手术显微镜安全有效的替代工具[4]。3D外视镜在优化照明和放大特性的同时,兼顾了人体工程学[5]。通过3D外视镜,手术室中的所有人员均可观看术中高质量的可视化图像,从而成为培训教学的重要工具[6]。本文就神经外科3D外视镜的技术参数、优势与不足、在神经外科疾病中的临床应用进行综述。

1 技术参数

3D外视镜是由外视镜光学系统、光源系统、气动机械臂、4K-3D视频显示器组成的新型显微光学手术设备[7]。目前多款3D外视镜适用于神经外科手术,主流产品包括ORBEYETM(Olympus, Tokyo, Japan)和VITOM® 3D (Karl Storz SE &Co. KG, Tuttlingen, Germany)[6]。ORBEYE 3D外视镜光学部分由两个摄像机组成,每个相机的分辨率(像素)为3840×2160;术区照明由光纤LED光源提供;观察者佩戴圆偏振3D眼镜观看显示器图像;光学变焦和数字变焦可通过手动或脚踏开关调节,放大倍数为1.1～25.8倍,具有1∶12的变焦比(光学变焦6倍,数字变焦2倍);外视镜的焦距范围为220～550 mm;视野范围为7.5～171 mm[8,9]。VITOM 3D外视镜包括4K传感器系统,能够创建分辨率(像素)为3840×2160的图像,显示在两个4K 3D显示器上。该外视镜具有200～500 mm的焦距和可调节的变焦范围,能够将视野放大8～30倍[10,11]。

2 优势与不足

2.1 优势 3D外视镜最显著的优点是提供手术区域的3D视图,视觉图像质量上3D外视镜具有4K分辨率或超-高清分辨率的能力,3D外视镜系统已经具有与手术显微镜相同或更高的分辨率[12]。外视镜LED光源比手术显微镜卤素灯泡产生的热量低,外视镜的光源可以减少术区组织的热损伤[13]。另外外视镜的LED光源照明提供了更准确的术区颜色对比度,当术区微观视图和宏观视图相互转换时,可以更容易地识别组织结构[14]。使用手术显微镜时,需要外科医师颈部保持长时间固定在特定位置,但使用外视镜时外科医师(包括手术助手)在手术期间能够采取任何位置或姿势[15]。研究发现外视镜系统通过改变外科医师的手臂姿势来减少前三角肌的活动,从而减少肩颈区域的不适[16]。外视镜系统在清醒手术中外科医师人体工程学优势尤其明显[17]。

气动支架系统将3D外视镜悬挂于术区上方,术者在手术过程中操作手术器械更为舒适。因为能够面对面交流,所以术者与助手和器械护士的沟通更为容易。3D外视镜体积和重量较小,可移动性强,不会阻碍手术区域布局和手术参与人员的视线[18]。外视镜可以直接进行消毒,无需像手术显微镜在术中套无菌显微镜罩,可节省无菌显微镜罩的成本[19]。3D外视镜具有更好的教学培训和教学潜力,包括医学生的所有手术室参与人员均可通过显示器观摩手术,术者可在操作时讲解解剖结构和手术步骤[20]。一项对手术室人员使用外视镜的调查表明,与使用手术显微镜相比,手术室人员在整个手术过程中感觉更投入,并在整个手术过程中能提供更多的协助[21]。虽然手术显微镜亦可连接显示器呈现显微外科操作,但观摩者难以看到手术的3D视图,使用手术显微镜过程中,由于直视显微镜目镜,术者和助手难以与手术室的其他环节实时沟通,可能不知道周围培训人员是否关注,从而错过宝贵的教学机会。此外,手术区域被手术显微镜所遮挡,观看显示器的培训人员无法同时观察术者如何操作显微器械。

在新型冠状病毒流行时期,疫情防控要求广泛使用个人防护装备,在急诊手术中,护目镜、面罩或眼镜等屏障预防措施导致使用手术显微镜困难,因为术中显微操作时必须摘下眼睛遮挡物。3D外视镜所需的3D眼镜可改装为个人防护护目镜,在保持个人防护装备合规性和最大屏障预防措施的同时,可以观看绝佳的手术视图[22]。

2.2 不足 鉴于3D外视镜先进的视觉图像,如图像质量和3D视觉,3D外视镜的技术缺点是微乎其微的。最初临床引入2D外视镜时,其显著局限性是缺乏深度感知或立体视觉,而3D外视镜使用3D眼镜可获得极好的深度感知。但外科医师在手术过程中长期使用3D眼镜可能会出现头晕、头痛和较重的眼部疲劳[19]。此外,外视镜系统的LED光源距离术区较远,有时需要额外的照明来保持最佳分辨率[12]。虽然经验丰富的神经外科医师可能具有出色的手眼协调能力,但在不直视运动平面的情况下协调这些动作增加了操作的复杂性,需要学习曲线方能熟练,所以初期应用会导致手术时间延长[20]。外视镜需要精确的旋转调整,目前重新调整外视镜位置比调整手术显微镜更复杂、更耗时,因为手术显微镜配备了更先进的机械系统,可以进行舒适的单手重新定位。然而,随着机器人外视镜系统的引入,目前这一劣势正在不断缩小[23]。

3 在神经外科中的临床应用

3.1 脑肿瘤 一项回顾性研究统计了177例多形性胶质母细胞瘤的患者资料,其中144 例仅使用显微镜进行手术,33例仅使用4K-3D外视镜进行手术,收集所有临床和放射学数据,评估了两组的无进展生存期和总生存期,调整潜在的混杂因素(例如,性别、年龄、Karnofsky功能状态评分、全切除术、MGMT启动子甲基化及操作者的经验),通过Cox回归模型进行分析。结果表明,使用显微镜手术患者的中位无进展生存期为8.82个月,而使用外视镜手术患者的中位无进展生存期>12个月。多变量Cox模型分析结果显示,使用外视镜进行手术的患者无进展生存期更长,但使用显微镜和外视镜手术的患者之间总生存期无统计学差异[24]。基底节肿瘤存在较多穿支动脉且位置较深,在肿瘤切除过程中,穿支动脉的解剖至关重要,因为这些动脉深深嵌入大脑中,所以手术极具挑战性。Kijima等[25]使用4K-3D外视镜系统对涉及基底节的多形性胶质母细胞瘤进行了手术切除,3D外视镜拓宽了手术视野,可视化下成功地切除肿瘤,降低了术后梗塞的风险,同时神经功能缺损最小。外视镜是5-氨基乙酰丙酸荧光引导切除高级别胶质瘤的有效工具,在蓝色滤光片下,外视镜在浅表和深部手术野的血管、脑实质和手术器械的显像上明显优于手术显微镜,荧光引导下的高级别胶质瘤手术中使用外视镜在术野可视化和手术流程方面具有明显优势[26]。Witten等[27]使用ORBEYE外视镜在5-氨基乙酰丙酸荧光引导下对9例多形性胶质母细胞瘤进行了切除,ORBEYE外视镜系统配备了蓝光滤光片,光强度对肿瘤荧光没有显著影响,然而焦距显著影响相对荧光强度(P=0.007)。在220 mm的焦距和最大约75%的光强度下始终可以看到最大平均荧光。将焦距从400 mm减小到220 mm显著增加了可视化荧光(P=0.0038)。ORBEYE蓝色滤镜在较短的焦距和中等光强度下表现最佳,与显微镜系统类似,减小焦距会影响荧光可视化。

鞍结节脑膜瘤是前颅底中线肿瘤,约占所有颅内脑膜瘤的10%～15%,鞍结节脑膜瘤的临床表现主要表现为视交叉受压或视神经管受侵导致视力障碍。de Andrade 和Recinos[28]对1例中年女性鞍结节脑膜瘤使用3D外视镜进行了微创眶上入路手术,成功实施了全切肿瘤、视神经管减压。Sumisawski等[29]对3D外视镜应用于经蝶窦显微外科手术治疗库欣病进行了研究,对共计388例库欣病患者进行了回顾性分析,研究发现3D外视镜组患者抗利尿激素异常分泌综合征/尿崩症的发生率较低(P=0.0164),缓解率较高(P=0.0422),手术时间较短(P<0.0001),但术后垂体功能不全及术中脑脊液漏发生率与手术显微镜组没有统计学差异。前庭神经鞘瘤的显微外科切除术极具挑战性,尤其涉及Koos分级3级和4级的肿瘤。Veldeman等[30]评估了3D外视镜在前庭神经鞘瘤切除术中的性能并和手术显微镜进行比较,研究发现肿瘤大小、是否沿内听道延伸、囊性成分是手术持续时间的主要决定因素,但相同条件下使用外视镜手术病例的手术时间较显微镜明显减少,而且外视镜和显微镜在听力保护和面神经功能方面没有差异。Chu等[31]报道了1例数字机器人3D外视镜系统的辅助下成功实施了枕下乙状窦后入路手术切除右侧桥小脑角区三叉神经鞘瘤,经过 30 个月的随访,患者恢复良好,MRI显示肿瘤完全切除,结果表明机器人外视镜系统可以改善术中照明和图像分辨率。

Bertolini等[32]报道了1例翼点开颅经海绵窦入路切除表皮样囊肿的手术经验,病变累及中颅窝前内侧,侵犯脚间池并压迫脑干,采用外视镜和内窥镜联合辅助切除,切除彻底且术后未发生神经功能缺损,证明了这种混合技术的有效性和安全性。Li等[33]在外视镜和内镜全程联合下切除了17例颅内表皮样囊肿,认为该项技术是一种安全、有效的颅内表皮样囊肿手术辅助,视野开阔,操作方便。Shibano等[34]对1例76岁复发的嗅神经母细胞瘤女性患者进行了再次手术,同时使用 4K 3D外视镜经颅和内镜鼻内入路手术,成功进行了肿瘤全切。Watanabe等[35]回顾了34例连续病例,探讨联合外视镜和内镜微创锁孔入路对各种类型脑膜瘤手术的适用性,研究发现术中失血量和手术时间方面均优于既往手术。

3.2 脑和脊髓血管病 Rossmann等[36]对同一名血管神经外科高级职称医师实施的 52次连续颅内动脉瘤夹闭手术进行了分析,手术使用口控开关的手术显微镜(25例患者27个动脉瘤,13例破裂)或脚踏开关的3D外视镜(27例患者34个动脉瘤,6例破裂),从手术视频中提取主要手术阶段的持续时间、设备调整次数、动脉瘤夹重新调整和置入动脉瘤夹的数量,研究发现在动脉瘤夹闭中,3D外视镜在手术持续时间、安全性和神经功能结果方面与手术显微镜相当。Quach和Almefty[37]通过对3D外视镜辅助下44例颅内动脉瘤手术的回顾性研究分析,也证实了3D外视镜有可能成为血管显微手术中除手术显微镜之外公认的可视化工具。在颅内动脉瘤夹闭术中,使用内镜改善了动脉瘤周围解剖结构的可视化,但同时使用内镜和显微镜的缺点是外科医师必须在显微镜目镜观察手术视野和观察内镜显示器之间频繁移动视线,外科医师很难将内镜安全地置入最佳位置。Cho等[38]提出了一种使用内镜和外视镜的画中画系统观察手术区域的新方法,可以克服多镜手术的缺点,当仅用外视镜不能观察到动脉瘤周围的解剖结构时,使用内镜,来自内镜的图像被移入外视镜显示器中,术者能同时兼顾双镜,采用此法成功进行了3例动脉瘤夹闭术。Murakami等[39]在3D外视镜辅助下采用枕下后正中开颅成功夹闭1例椎动脉-小脑后下动脉起始部动脉瘤,术中获得了相较手术显微镜更好的体验。Litts等[40]报道了1例3D外视镜用于远外侧入路切除脑桥延髓海绵状血管瘤的经验。

脊髓动静脉畸形是一种罕见的病变,它们可能表现为髓内出血或水肿,通常会诱发严重的神经功能缺损,术前影像学对动静脉畸形血管特征的预测是成功手术治疗的先决条件,而高分辨率3D外视镜下对解剖结构的辨识则是手术的关键。Acha等[41]应用3D外视镜成功实施了1例枕叶海绵状血管瘤、1例硬脑膜动静脉瘘和1例硬脊膜动静脉瘘手术,证实3D外视镜可以安全有效地进行血管显微外科手术。

3.3 脊柱疾病 一项Meta分析纳入了1项前瞻性队列研究和4项回顾性队列研究,共计349例患者,其中3D外视镜组154例,手术显微镜组195例,研究发现3D外视镜对于颈椎前路手术同样安全有效,且与手术显微镜相比,可以减少术中出血[42]。姚志鹏等[43]对接受前路颈椎间盘切除融合术(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)治疗的脊髓型颈椎病患者进行了回顾性研究,其中15 例行 3D 外视镜辅助 ACDF,18 例行常规 ACDF。3D 外视镜在 ACDF 的应用中,能够提供良好的照明和放大效果,且在工作距离和人体工程学等方面具有优势,3D 外视镜辅助 ACDF 治疗脊髓型颈椎病的近期疗效与常规 ACDF 相当。一项研究评估了3D外视镜和手术显微镜辅助微创经椎间孔入路腰椎椎间融合术的临床结果、优势和局限性,共有22例接受了3D外视镜辅助手术,25例接受了手术显微镜辅助手术,研究发现3D外视镜辅助的手术操作时间较短,与手术显微镜相比,外视镜在设备操作、人体工程学和培训实用性及图像质量方面表现出优势,但是部分外科医师提出佩戴3D眼镜时感觉不舒服[44]。Giorgi等[45]总结了外视镜辅助下胸腰椎爆裂骨折的微创手术治疗经验,证实外视镜技术是一种安全有效的胸腰椎爆裂性骨折脊髓减压工具,3D 图像提供的立体视觉对手眼协调至关重要,3D外视在机动性、视野宽、焦点深、姿势更舒适等方面具有明显优势。

3.4 其他疾病 Chiari畸形Ⅲ型主要表现为小脑组织由枕骨大孔向枕后膨出,严重者甚至可包括脑干及脑实质部分组织[46]。Gorgoglione等[47]对1例Chiari畸形Ⅲ型男婴进行了手术修复,术前磁共振显示枕骨正中骨缺损,硬膜囊与小脑延髓池和第四脑室相通,中度脑积水,颅后窝容积缩小,小脑半球、蚓部结构和胼胝体发育不全。患儿在出生后第4天使用 4K-3D外视镜进行了分离神经结构和修复神经皮肤缺损的手术,并在出生第12天进行了脑室腹腔分流术。Hines等[48]对接受标准前颞叶切除术治疗药物难治性颞叶癫痫的20例连续患者进行了回顾性分析,研究发现显微镜和外视镜辅助下的平均海马切除率分别为(61.1±13.1)%和(76.5±6.5)%(P=0.0037),在前颞叶切除术期间使用外视镜为毗邻中线结构的切除提供了良好的可视化效果,并为海马切除的安全性提供了有力保障。

三叉神经根出脑干区解剖的可视化对于为三叉神经痛患者成功实施微血管减压术至关重要,3D外视镜提供了与双目手术显微镜相当的桥小脑角和三叉神经根出脑干区清晰的图像,外视镜的优点包括良好的光学质量、所有观察者的图像景深明显,以及优越的外科医师人体工程学[49]。Yano等[50]报道,22例采用内镜辅助外视镜手术,其中微血管减压术14例,肿瘤切除8例,所有实施微血管减压术患者的症状均消失,肿瘤均全切除。外视镜屏为4K-3D,内视镜屏为4K-2D,手术可同时观察两种显示器。由于外视镜与手术野之间有较大的空间,因此在外视镜下操作内镜更安全、更容易。

3D外视镜是神经外科手术显微镜的技术继承者。目前3D外视镜在神经外科领域的发展迅速,近两年国外已有多项研究报道3D外视镜的临床应用,涉及脑肿瘤、脑和脊髓血管病、脊柱疾病、三叉神经痛等疾患,而国内相关研究甚少。3D外视镜的优点包括改进了手术视野放大、分辨率、照明、人体工程学、团队凝聚力、教学和显微外科培训。当然,熟练使用3D外视镜是需要时间和学习曲线的,特别是对于高级显微神经外科医师。另外佩戴3D眼镜可能需要适应过程。随着3D外视镜技术的不断完善,机器人、自动化、增强现实和实时神经导航的无缝集成有望实现,对未来的神经外科手术将大有裨益。