虚拟现实技术在神经外科手术计划中的应用

　　作者：王如密 作者单位：中国人民解放军南京军区福州总医院神经外科， 福建 福州 350025

　　【摘要】 虚拟现实 (Vitlual Reality，VR) 技术具备了交互性、临境感和构想性，用户可置身在虚拟三维的环境下体验手术的全过程。VR术前计划系统可将原有的二维影像整合为立体三维影像，并提供虚拟的手术环境，应用操作工具进行术前计划制定和模拟手术，提前了解手术的难易程度，评估手术风险，并对术前诊断进行补充与完善。本文就VR在神经外科临床应用及其相关问题作一综述。

　　【关键词】 虚拟现实 神经外科手术 外科手术 计算机辅助

　　虚拟现实 (Vitlual Reality，VR) 技术源于计算机技术在工程、军事及科研等领域的应用和研究，最先在1989年由美国Jaron Lanier提出，目前已成为医学领域应用最活跃的技术之一，一些探索性的研究已进入基础和临床阶段。现就VR在神经外科的临床应用及其相关问题进行综述。

　　1 VR技术的发展概况

　　VR技术是由计算机硬件、专用软件及各种传感器构成的三维信息人工环境，即虚拟环境，VR技术的基本意义在于用户投入这种环境中，通过人的各种感官与之交互作用，在虚拟环境下进行人机互动，将预期发生、发展的事提前显现，并介入其中，通过有目的的处理和模拟操作以达到既定目的。如训练飞行员在模拟驾驶舱内模拟操作各种部件，可得到驾驶飞机时同样的视听及其他感官的现实体验。在医学领域的教学、科研、诊断和治疗方面，通过VR技术可望获得实际的效果，如模拟外科手术的各种入路，可以给外科医师带来手术环境中的现实感受，从而选择最佳的手术预案。

　　每个病人的解剖均有一定的差异，尤其病理解剖基础的改变，导致局部情况与解剖图谱及手术图谱有很大区别，这种共性基础上的差异造成了实践工作中的误差。在医学应用领域中，VR系统的关键在于其实现了个体化，通过模拟系统减少了手术风险，提高了术者对手术成功率的可控制性。从教学方面来讲，VR技术极大地节约了培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员实施手术的风险性大为降低。利用专家、学者的手术经验及其感受的风险，术前进行计划并模拟手术过程，可充分减少手术并发症的发生率。目前，国内外已有许多研究机构和商业公司在虚拟外科手术计划、模拟训练等方面进行了一定的研究和实践[1-2]，2001年4月，Coh[3]教授采用VR技术术前模拟手术，在新加坡成功地进行了1例年龄为11个月的垂直头连双胎的婴儿脑分离手术。

　　2 神经外科VR手术计划系统

　　2.1 立体定向和医学影像学是VR技术的基础 神经外科手术是在三维空间环境中进行的非常复杂的有计划的干预行为，术前需对颅内个体化的解剖结构及病理性特征性改变的空间关系有全面广泛的了解。15世纪末，Leonando da Binei 就提出了立体定向的构想;1889年，Zernov制造了带极坐标的立体定向仪;1908年，Clarke&Horsley设计了三维坐标定向仪，使颅内的空间定位成为可能;1947年，Spiegel首先报告立体定向技术的临床应用;1979年，Brown又首先将立体定向与CT相结合，定位治疗功能性神经外科疾病;1986年，Robert介绍了立体定向手术导航系统在临床上的应用，此后，该技术迅速得到普及，并逐步显示出广泛的应用前景。以上开拓性研究和应用为虚拟环境下的立体手术计划提供了前提和条件。

　　随着医学影像学和立体定向技术的发展，MRI、CT、SA、CTA、MRA及磁共振成像波谱 (MRS) 广泛应用于临床。除MRA和CTA外，神经影像学信息大多以二维成像形式表现出来，每种成像技术提供不同结构的详细信息。为了设计外科手术步骤，神经外科医师必须将各种信息整合成一个三维的概念，VR技术是计算机技术、电子、传感器等系列技术的复合体，最显著的特征是具备交互性、临境感和构想性，用户可置身在虚拟三维环境下体验手术的全过程。

　　2.2 神经外科VR技术的应用价值

　　2.2.1 VR影像的立体交互作用： VR技术将同一个病人的多种影像数据，如CT、CTA、MRI、MRS、MRA、ECT、PET、弥散张量成像 (DTI) 等进行立体三维重建并融合一体，变空间想象为现实;可对同一病人的单种影像数据及多种影像数据融合图像进行处理工作，融合后可从水平面、冠状面、矢状面任意观察二维图像、平面三维图像及真实立体三维图像[4]，由此搭建放射科与临床外科的影像桥梁，有利于临床医师分析和研究病理解剖关系，对病例进行进一步确诊。

　　2.2.2 支持个体与整体的工作： VR技术可提供多种形式的模型观察研究，这有赖于各种软件包的应用。神经外科手术计划软件包的应用可提供多种注册方式融合、图像分割、组织提取、测量报告等先进的应用工具，也可供术前方案的模拟预设，及病例讨论分析等。

　　2.2.3 三维虚拟现实物体的交互作用： 通过6D自由度图像控制器、处理器对真实立体三维图像进行互动操作工作，可以模拟手术的真实过程，既有虚拟性又有交互性。虚拟性表现在计算机技术可以个体化三维还原每个病例的实际脑部解剖，摆脱千篇一律的解剖图谱和手术图谱，使术者对该病人的病变大小、形状与周围血管、骨骼、神经有充分、直观、立体、动态的了解;交互性主要体现在系统可以按操作者的意图去执行，即按手术步骤进行操作，类似于真实的手术过程，并能产生及时可见的结果[5]。其最大优势在于可逆性，我们可以在术前无数次修改并确认哪种模拟手术计划为最佳手术方案。

　　2.2.4 提供交流平台： 通过PACS连接和DICOM网络功能即可获取图像，为神经外科医师和放射科医师提供高效、便捷的交流平台，同时便于医疗会诊和教学等信息交流。

　　3 神经外科VR手术计划环境要求

　　影像扫描要求如下：①8 排以上CT，螺旋扫描模式及容积扫描 (薄层连续扫描) 效果更优;1.5 T 以上磁共振，梯度回波，三维数据采集。最小矩阵256 × 256。②所有影像资料原始数据以DICOM 格式输出至光盘，不同序列应严格区分;每个病例如有CT、CTA、MR、MRA 4种数据，即可提供最佳解剖影像。③同一病人在扫描时所有影像资料的扫描区域 (FOV) 应一致，才能获得精确融合。④ CT与CTA、MR与MRA扫描要求一致。⑤场地要求： 房间周边不能有产生电磁场的设备，以免影响操作效果。

　　4 神经外科VR手术计划的应用方法和操作程序

　　全世界已有许多研究机构和公司在从事手术虚拟及计划系统的研发，但进入临床应用的并不多，VI公司的RadioDexter系统采用了一种建立在CT、MRI、DSA及B超原始资料基础上对三维影像资料进行重建、融合、分割等处理，可以进行图像分析并应用各种模拟手术器械对图像进行任意处理，具有广阔的临床应用前景[6]。RadioDexter是将先进的VR技术与实时体积测量和三维透视相结合的医学成像软件。神经外科手术模拟系统的工作流程如下：

　　4.1 影像资料的选择和收集 记录该病例的术前资料，收集数据并输入，可以选择1~4种医学影像资料，包括CT、CTA、CTV、MRI、MRA、MRV、PET等，以采取多种影像融合为最佳选择。影像采集通常在术前3 d内进行，扫描前安放8~10个体表标志，保持到其他影像采集结束，以备与MRI等资料融合。CT应获得连续1.5 mm薄层断层扫描资料 (FOV 24 cm，距阵256 × 256)，以保证重建的高质量;MRI检查通常采用快速梯度回波序列，对整个脑组织进行对比增强扫描及T1加权磁化快速梯度回波扫描序列，层厚2 mm;MRA检查采用三维时间飞跃法，层厚1.2 mm、层距0.6 mm，距阵512 × 512;必要时选取时间飞跃法MRV检查，以备重建静脉系统与病灶的关系。以上影像资料经以太网调入安装的右旋镜设备中，计算机产生的立体图像显示在1 024 × 768像素的监控器上，通过一面镜子发射进入操作者的视野中，操作者坐在一个固定的位置上，头戴液晶眼镜，即可同步看到镜后浮动的虚拟立体图像。

　　4.2 虚拟界面的观察和输出 观察虚拟界面必须具有虚拟立体高级成像软件包，具备二维数据导入功能，并可导入多种形式的数据格式。虚拟界面输出功能主要包括：①三维立体影像显示功能。显示立体解剖实体图形与三维平面立体图形并可转换为操作系统，同时显示矢状位、冠状位及轴位图像。可选人体解剖大体显示，提供手术体位参考，也可选择显示或隐藏，使图像处于透明状态以观察其内部细节。②虚拟控制面板显示功能。通过数码变焦调节显示的大小影像，具有图像灰度校正功能，在图像上加注、编辑并删除这些注解;具有三维立体影像分割功能，可保持原始数据的完整性;能够做到表面分离、核心提取、不规则形状的处理、保持图形“收缩”和“透明”等。采用符合人体工学超低磁场虚拟现实互动型操作平台和互动式显示屏幕以显示三维互动效果。③ 6D自由度图像旋转控制器和6D自由度拉动切割图像激光处理器。可进行操作切换和界面工具切换，一般要求控制范围≥30 cm，具有三维立体成像显示系统功能;专业设计的高分辨率显示器，分辨率≥0.24 mm，水平分辨率为30~110 kHz，垂直频率为50~160 Hz，刷新率≥100 Hz，实现与控制台的显示器内容一致并同步的高清晰立体显示。④配备高端视频显卡处理器并配置双图形加速接口 (AGP)。该屏幕可将设备的主要功能及应用得以显现，以确保更多的人可以浏览并参与讨论;红外信号发射范围≥16英尺的远红外线发射功能器，覆盖角度水平≥140°;三维立体接受装置，即立体液晶眼镜LCD尺寸为1.83平方英寸，视野为62°。⑤远红外线发射功能。与专业三维立体接收装置及立体成像软件包一起提供实时图像，无需任何媒介转换。

　　数据加载到VR环境中，与传统影像检查最大的不同在于可介入性、可操作性，而不仅仅是分析二维平面上的影像。其硬件平台为一种在个人工作站上运行的允许多个外科医师同时浏览图像数据的系统，利用分割工具将不同组织从体积对象中分离出来，并进行手术切除与处理等操作。如VR系统利用Dextroscope平台，用户取坐位，双臂置于类似于脑外科手术中的托盘上，与实际手术中双眼到切口的距离相当 (约30~40 cm)。操作者左手控制对象的位置，可随意移动、旋转，右手进行各种细致、精确的操作，模拟器械的阻力感和细致性可以增加手术者在显微镜下操作的感觉，提高年轻医师的显微手术技巧。佩戴专用的眼镜即可对三维图像进行观察，其立体感和景深感可使术者产生身临其境的感觉，图像漂浮在屏幕之外，有可以用双手捧住病人的虚拟头颅的真实感。最后输出每个病例的图片、视频资料及HTML文件的报告数据，并可在网络上共享与研究。

　　4.3 手术计划的制定 手术计划的制定有赖于对多种技术融合性资料进行体积探查的工具。模拟手术者头戴液晶眼镜显示器，采用镜后的双手进入计算机产生的三维立体物像中，并用“三维手”的运动对其进行实时移动操控。每个病人的多种影像技术资料被记录后经融合处理，可显示为一个三维立体物像，系统内含有一套三维处理工具，可用来记录数据、切割、测量图像;也可以模拟术中情景，如打开颅骨，分离软组织，夹闭动脉瘤，切除病灶组织等。在设计难以到达部位的神经外科手术步骤时，如处理颅底和大脑深部的肿瘤或血管时，术中情况与虚拟的三维情境是十分吻合的，VR技术可为颅内解剖结构及异常空间关系提供更快、更好的理解，模拟颅骨切开术及一些必要的颅底骨处理工作，同时模拟术中情景。在实施过程中，采用以下工具进行操作：①色彩调节台：对所有显示的结构进行颜色和透明度的调整。②切割工具盒：能去除物体容积内需调整的部分，从而提供一个混合性的正交立体观。③剪辑工具：可控制反映体积大小的6个正交表面的位置。图像资料或其分割出来的亚部分，能以三维物体的形式被显示出来，并通过“接触”和“滑动”使之移动。④虚拟笔：可以任意三维分割图像，着色和调整其透明度，可以显示多平面相互垂直和等体积画面分割图像。⑤虚拟叉：提取所需要的任意对象，进行近距离多方位观察;采用手柄或夹子观察6个相互垂直的边界面，立体切割各个部位的图像，同时观察其周边结构。⑥测量器：可对任意的空间距离及曲线长度进行测量。⑦体素编辑工具：可适时改变三维像素的大小，模拟电钻、吸引器等手术器械，切除虚拟图像的任意部分或改变其颜色，在CT数据上切除颅骨或在MR图像上切除病灶，也可以模拟手术显微镜，对手术入路中的结构进行旋转、放大观测等。

　　5 VR技术展望

　　VR技术的应用让我们看到了电子计算机技术的发展对传统临床医学的巨大推动作用，受益的不仅仅是病人，还有医师。但VR系统远远还没达到完美的境界，目前为止，还不能将术前计划和术中适时导航有机结合。因此，对虚拟手术系统还有很多工作需要完成：①脑神经等结构超出了目前的MRI或CT技术分辨率，故不能作为三维结构被分割和显示;脑干、基底核、基底池或外侧裂虽在MRI上可以显示，但由于其几何复杂性，与周边分界不清，难以进行半自动化分割。②需要更加丰富的手术工具，如利用笔杆式力反馈器模拟手术刀和电凝器、小头电钻的旋转、振动感。另外，其他常用器械如显微剪刀、剥离子、取瘤钳等也应该在模拟手术中得到体现和应用。工具应多元化，可以模仿手术过程，有些工具的控制需要用脚来操作。同时，有些操作可以配以声音和震动觉，切割的过程要曲面化分块、分层进行等。③仪器的小型化：用带液晶屏的眼镜直接将图像传输，使每个医师均有操作的真实体验，甚至多人同时操作，以模拟主刀与助手的配合过程。④建立解剖和手术资料模板 (专家库系统)：将典型资料收集整理、编辑、处理，在模拟过程中随时调用。也可将其标准化后对每例病人的实际资料进行校正，虚拟出手术的动态过程，使其更利于临床工作。⑤将术前VR资料与手术导航资料有机结合，以适时指导手术。

　　【参考文献】

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