虚拟现实技术在颅内静脉窦旁脑膜瘤手术的应用价值

李世清 宋增亮 张尚明 李军 洪景芳 王守森

(1南京军区福州总医院神经外科，福建 福州 350025; 2南昌市第三医院神经外科，江西 南昌 330009)

·脑肿瘤基础与临床研究·

虚拟现实技术在颅内静脉窦旁脑膜瘤手术的应用价值

李世清1,2宋增亮2张尚明1李军1洪景芳1王守森1*

(1南京军区福州总医院神经外科，福建 福州 350025;2南昌市第三医院神经外科，江西 南昌 330009)

目的探讨虚拟现实(VR)技术在颅内静脉窦旁脑膜瘤术前评估中的价值及其辅助手术的疗效。方法连续收集颅内静脉窦旁脑膜瘤患者47例，包括上矢状窦旁脑膜瘤28例、大脑镰脑膜瘤14例、横窦和窦汇区脑膜瘤4例和乙状窦脑膜瘤1例。术前构建VR图像，评估肿瘤对静脉窦的侵袭程度和静脉侧支循环等级，做手术模拟，并对手术相关资料综合分析。结果VR环境下，各组织结构均原位清晰显示，可全方位观察和手术模拟。静脉窦未受累9例、受压13例、狭窄13例、闭塞12例，形成侧支循环者分别占22.2%、23.1%、61.5%、100%。在VR技术指导下制订手术策略，肿瘤获得SimponⅠ级切除37例，Ⅱ级4例，Ⅳ级6例；随访4～18个月，45例恢复良好，远期生活质量评分(KPS)为(88.30±22.392)分，植物生存1例，肿瘤复发并死亡1例。通过统计分析，复发、术中出血及年龄仅影响患者短期预后，年龄不影响患者长期预后。结论利用VR技术对颅内静脉窦旁脑膜瘤与静脉窦、皮质静脉的关系进行术前评估，准确、全面、直观，术前应考虑患者年龄、手术史对预后的影响，对静脉侧支循环要尤其注意评估和保护，这是决定患者预后的重要因素。

脑膜瘤; 静脉窦; 显微手术; 疗效; 虚拟现实; 侧支循环

颅内静脉窦旁脑膜瘤与静脉窦关系密切，容易引起静脉回流障碍，与此同时，侧支静脉循环可能逐渐形成。如何在全切肿瘤的同时，又能在变异性较大的颅内静脉系统中保护脆弱的侧支静脉循环，提高治愈率和患者的生存质量，是值得探讨的问题[1]。术前若能准确评估肿瘤与颅内静脉系统的关系，必对手术大有裨益。虚拟现实(virtual reality, VR)技术可以将多模式影像资料进行融合，构建各解剖结构的虚拟模型，清晰、准确、立体、直观地还原手术相关的解剖信息，更能进行交互式手术模拟。本文收集我院47例VR技术辅助下颅内静脉窦旁脑膜瘤手术治疗的临床资料，旨在探讨VR技术的术前评估价值和手术指导意义。

对象与方法

一、一般资料

我院在2011年10月至2013年3月，连续手术治疗47例颅内静脉窦旁脑膜瘤患者，其中男19例，女28例，年龄22～80岁，平均53岁。肿瘤原发者36例，治疗后复发者11例。其中1例曾行2次肿瘤切除术，8例曾行1次肿瘤切除术，1例在肿瘤切除术后行X刀治疗肿瘤残余，1例曾单纯行X刀治疗。

二、临床表现

头痛26例，头晕16例，运动障碍10例，肢体抽搐7例，肢体麻木2例，视力障碍11例，精神障碍4例，语言障碍1例，恶心、呕吐3例。

三、影像学检查

采用Siemens Trio Tim 3.0T超导MRI扫描仪，根据常规正中矢状位定位片，从颅顶至颅底行三维对比增强磁共振静脉成像(3D CE-MRV)扫描。将扫描的影像数据刻录成光盘，输入Dextroscope手术计划系统(Volume Interactions公司，新加坡)，将预处理后的数据加载到虚拟三维环境中，对血管及其他感兴趣结构分别识别、分割和提取，并赋予各结构以伪彩，使之更直观，且易于区分，最后重新融合，形成逼真的立体图像，可全方位任意角度观测重建后的各解剖结构，特别关注静脉窦狭窄的程度、瘤周皮质静脉的分布和静脉侧支循环的建立情况，并拍照记录。

本文借鉴Sindou分级方法将静脉窦受侵犯的程度简化为4型：未受累型为静脉窦完全未受侵犯，与肿瘤仅为相邻关系，9例；受压型为瘤体与一侧窦壁外层附着，13例；狭窄型为瘤体侵入窦壁，但窦腔通畅，13例；闭塞型为瘤体侵入窦内，窦腔完全闭塞，12例。以肿瘤横径、竖径和矢状径之和的1/3为肿瘤平均直径，平均直径小于等于3 cm者15例，3～5 cm者22例，大于等于5 cm者10例。

四、手术治疗

所有病例术前均进行VR手术模拟，依此制订手术方案，实际手术时在全麻下按照预定方案进行手术。肿瘤位于上矢状窦(superior sagittal sinus, SSS)前1/3段者，取仰卧位，头稍抬高；中1/3段者，取仰卧位，头抬高并颈略前屈；后1/3 段者，取侧俯卧位，均用三钉头架固定头部。根据肿瘤位置、大小设计皮瓣和骨窗，使肿瘤位于骨窗的中心。若颅骨遭到严重破坏以及颅骨与头皮内存在明显侧支循环者，应特别准确规划皮瓣范围，尽量减少对这些侧支循环通路的破坏，重视识别和保护硬脑膜内以及瘤周软脑膜内的微小血管，颅骨缺损处使用钛网修补。所有患者均采用显微手术治疗，术中尽可能不使用脑压板，尽可能达到全切除。肿瘤仅侵犯静脉窦壁时，仅电凝静脉窦壁。肿瘤侵入静脉窦并导致窦腔狭窄、但未闭塞时，如侧支循环良好，则行根治性切除，重建或离断静脉窦；反之则仅电凝静脉窦壁，加强随访。肿瘤侵入静脉窦，导致静脉窦闭塞者，如侧支循环良好，则行根治性切除，离断静脉窦；反之则电凝静脉窦壁，加强随访。

本文肿瘤全切率达87.2%，次全切除(切除90%以上)率为12.8%，术前症状大部分缓解明显，术后新增运动障碍4例，康复治疗后明显改善，运动障碍加重1例。

五、预后影响因素收集、评估与统计分析

本文收集的颅内静脉窦旁脑膜瘤手术患者影响预后的因素有：①年龄、性别、术前癫痫史、基础疾病(如高血压、冠心病、糖尿病)；②肿瘤相关特征：位置、大小、形态(分为类圆形和不规则形)、质地、原发或复发、瘤周水肿、WHO病理分级、静脉窦受累程度、Simpson肿瘤切除分级；③术中出血量、术后血肿或水肿；④静脉侧支循环的分级[2]：Ⅰ级，侧支循环建立在原来的阻塞的静脉段；Ⅱ级，侧支循环建立连接不同的静脉但还在同一循环途径；Ⅲ级，侧支循环的建立连接不同的通路。分别于出院时及术后4～18个月随访，进行远期生活质量评分(Karnofsky Performance Scale, KPS)。统计分析应用SPSS 13.0统计学软件，影响因素分析采用多因素线性回归分析，两组之间比较采用t检验。

结 果

一、术前模拟与术中符合率

根据术前制订的个体化手术方案，术野显露良好，因肿瘤边界锐化、光滑等预处理操作过度，1例SSS受侵犯程度术前被低估，与术中存在偏差，其余46例术前评估与术中实际情况均符合，符合率97.9%。本文观察静脉窦受累程度与侧支静脉循环形成的关系，发现：①36例原发性肿瘤中，形成侧支静脉循环者为16例(44.4%)，而11例复发性肿瘤中则有8例(72.7%)，说明侧支静脉循环的形成与起病缓急有关，在24例产生了侧支静脉循环的患者中，仅1例为Ⅰ级循环，其余均为Ⅲ级；②随着静脉窦受累程度不断升级，无侧支静脉循环者逐渐减少，由静脉窦未受累时7例无侧支静脉循环(77.8%, 7/9)逐渐下降为0(0, 0/12)，形成侧支静脉循环者逐渐增多；当静脉窦完全闭塞时一定会产生侧支静脉循环，而且方式和途径逐渐多样化；本文12例静脉窦完全闭塞者中，均存在侧支静脉循环，共有18支侧支静脉循环；③通过单侧或双侧Trolard静脉，交通外侧裂浅静脉，向海绵窦引流，是最常见和重要的侧支静脉循环途径，占各型静脉循环总数比分别为50%(1/2)、66.7%(2/3)、80%(8/10)、66.7%(12/18)；④静脉窦狭窄或闭塞时，通过SSS和下矢状窦之间的交通引流，或向颅外的侧支静脉途径引流，如导静脉和头皮下静脉，也是重要的循环途径。

二、肿瘤切除程度

按照Simpson脑膜瘤切除程度分级标准，SimpsonⅠ级切除37例(78.7%)，Ⅱ级4例(8.5%)，Ⅲ级0例，Ⅳ级6例(12.8%)，Ⅴ级0例。随访4～18个月，无失访病例。1例术后病理为间变型脑膜瘤患者，4个月后复发，拒绝再次治疗，死亡。术前头痛、头晕、恶心、呕吐、精神障碍、语言障碍者，均症状消失或明显好转。7例肢体抽搐者中，6例未再发作，1例较前好转。2例肢体麻木者，1例麻木消失，1例好转。10例运动障碍者，7例好转，2例无明显变化，1例较前变差。术后新增运动障碍的4例患者，均明显好转；11例视力障碍患者均明显好转。6例残余肿瘤患者，1例在一般情况恢复后即进行X刀治疗，其余5例选择加强随访。

三、多因素线性回归分析

1.短期预后的影响因素：肿瘤为复发性、术中出血量及患者年龄均与患者出院时的KPS呈显著负相关(Plt;0.05)，具有统计学意义(表1)。其中肿瘤为复发者，对患者出院时KPS影响最大，年龄的影响最小。

表1 短期预后影响因素的统计分析
Tab 1 The analysis of factors affecting the short-term prognosis

VariablesUnstandardizedcoefficient(β)Standardizedcoefficient(β)95%confidenceintervalofβLowerUpperPvalue Recurrenttumor-16．117-0．519-23．197-9．0370．000 Intra⁃operativebloodloss-0．008-0．352-0．014-0．0030．005 Age-0．281-0．253-0．547-0．0140．039

表2 长期预后影响因素的统计分析
Tab 2 The analysis of factors affecting the long-term prognosis

VariablesUnstandardizedcoefficient(β)Standardizedcoefficient(β)95%confidenceintervalofβLowerUpperPvalue Recurrenttumor-25．128-0．480-36．841-13．4140．000 Intra⁃operativebloodloss-0．017-0．435-0．026-0．0080．000

2.长期预后的影响因素：肿瘤为术后复发者、术中出血量多少，均与患者的长期KPS呈显著负相关(Plt;0.01)，具有统计学意义(表2)，年龄不是患者长期预后的影响因素。

3.预后的改善情况：出院时KPS为(68.72±13.289)分，随访时KPS为(88.30±22.392)分，两者具有统计学差异(Plt;0.001)。

四、典型病例介绍

例1：男性，43岁，头顶部胀痛1个月。术前VR图像判断肿瘤位于SSS中1/3段，平均直径为6.2 cm，受累SSS完全闭塞，侧支循环Ⅲ级，术中肿瘤与受累SSS及大脑镰被一并切除(图1)，肿瘤全切后一期钛网颅骨修补，肿瘤切除Simpson Ⅰ 级。患者神志清楚，四肢肌力5级，灵活性欠佳，出院，出院时KPS为80分。5个月后随访四肢肌力正常，仅一侧下肢背曲力量稍差，KPS为90分，18个月随访KPS为100分。

例2：男性，51岁，左眼视力下降伴反复头痛1年余。术前VR图像判断肿瘤位于SSS后1/3段，平均直径为4.8 cm，受累SSS完全闭塞，侧支循环Ⅲ级，术中见肿瘤侵犯大脑镰及SSS，窦腔完全被肿瘤填塞，其内无血流，肿瘤连同受累的SSS、大脑镰一并切除。肿瘤切除为SimpsonⅠ级(图2)。术后一般情况良好，神志清楚，左眼视力较前好转，四肢肌力、肌张力正常出院，出院时KPS为90分，18个月随访时左眼视力完全正常，KPS为100分。

图1 病例1的图片资料
Fig 1 The pictures of case one
A: The plan of the bone window was formulated, and the tumor resection process was being simulated; B, C, D: The overall effect of the model was built and in the actual surgery the cortical vein in left front and left behind of the tumor was fully consistent with pre-operative simulation (arrows); E：The tumor and the affected venous sinus and cerebral falx had been removed completely; F：After the surgery, thrombus formation could be observed behind the ligated SSS segment on VR picture (arrow).

图2 病例2的图片资料
Fig 2 The pictures of case two
A: The rebuilded figure of VR. SSS was occluded completely and two cortical veins were packaged by the tumor; B: The sinus was amputated and sutured intra-operative (white arrow); C: The amputation stump of sinus was strengthened in the use of gelatin sponge and biogel (white arrows) and the section of the falx cerebri (black arrow); D: Coronal enhanced MRI at the second day after the surgery showed there was no obviously hematoma.

讨 论

一、VR图像的可靠性和实用性

颅内静脉窦旁脑膜瘤的手术，关键在于处理肿瘤与瘤周静脉结构的关系。数字减影血管造影一直被认为是颅内血管评估的金标准，但其为有创性操作，费用高，逐渐不被首选用于颅内血管评估。磁共振静脉成像操作方便，价格低廉、无创，但此类二维影像重建数据丢失较多，图像生硬，而且是通过二维平面介质观测的，观测方位和角度有限，存在严重的重叠现象，同时，因其不具备可交互操作性能，无仿真手术模拟效果。VR技术可以导入多模式原始影像，根据各影像数据的最佳显示结构，扬长避短，各结构分色显示，并可在虚拟环境下进行交互式手术模拟，制订手术方案[3]。在VR环境下，术者可以任意角度、清晰、准确地观察肿瘤位置及其与周围血管的关系，尤其与静脉窦、静脉侧支循环的关系，掌握静脉窦受侵犯程度，设计手术切口和手术方法，并可进行手术模拟，熟练操作，增强术者信心，具有重要的手术指导价值。本文利用VR技术判断静脉窦受侵犯程度准确性高，肿瘤周围静脉侧支循环均清晰显示。本文的肿瘤全切率为87.2%，较Raza等、Sughrue等分别报道的81%、62%有明显提高[4,5]。

二、瘤周静脉侧支循环评估的意义

颅内静脉窦旁脑膜瘤在侵犯静脉窦的过程中，导致新的侧支静脉循环形成或原有的侧支循环通路增强，从其他途径引流颅内静脉血出颅[4]。本文观察到最常见的途径为通过单侧或双侧Trolard静脉交通外侧裂浅静脉，向海绵窦引流，这可能是机体解决静脉窦出口梗阻最简单、直接的方式。本文发现，起病缓急和静脉窦受累程度是侧支静脉循环形成的两个决定性因素。这与Stolz等[6]的意见相同。这预示着在侧支静脉循环不良时，若患者情况允许，可继续观察，加强随访，等待侧支静脉循环改善时再行手术。

三、手术方法与疗效

为了减少不必要的出血和对正常脑组织的损伤，本文基本上不使用脑压板，以避免无意中的牵拉过度。对于被肿瘤侵犯的SSS前1/3段的处理，普遍认为，不管管腔是否完全闭塞，均可将肿瘤与受累静脉窦一并切除。但也有学者[7]报道，这会产生迟发性静脉性脑梗死。本文认为，在该部位手术时，也应尽可能保全SSS和相应桥静脉的畅通。对于侵犯SSS中、后1/3段的肿瘤，由于此区域功能重要，但在侧支静脉循环良好的情况下，可将肿瘤与闭塞的静脉窦一并切除。肿瘤部分侵入窦腔时，采用边切除肿瘤边缝合静脉窦破口的方法，效果较满意。对于静脉窦重建术，虽然技术上是可行的，但诸多学者报道[4,5]迟发性血栓发生率高达50%。本文没有使用静脉移植修补业已牺牲的静脉窦或重要皮质静脉的经验，认为价值不大，吻合口处可能存在较高的血栓风险。

四、预后影响因素分析

肿瘤为术后复发者、术中出血量较多者，均预后较差，提示复发性静脉窦旁脑膜瘤往往具有更高的手术风险，在组织血管已遭受一次破坏和重建的情况下，谨慎小心地处理颅内静脉结构，减少术中出血是改善患者预后的有效途径[8]。这可能有以下三种原因：①在术中大量失血的情况下，微循环血流量减少，而使脑组织缺血缺氧加重；②脑微小动脉痉挛，使脑组织微循环持续呈低灌注状态；③大量失血、输血引起的脑血管缺血再灌注损伤，甚至血管自动调节功能麻痹，导致术中恶性脑膨出，术后瘤腔血肿、脑梗死等[9]。通常认为高龄患者不适宜手术，但本文结果提示年龄只影响患者短期身体状况，对患者长期预后没有影响[10]。

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Theapplicationvalueofvirtualrealitytechnologyinthepara-duro-sinusmeningiomas

LIShiqing1,2,SONGZengliang2,ZHANGShangming1,LIJun1,HONGJingfang1,WANGShousen1

1DepartmentofNeurosurgery,FuzhouGeneralHospital,NanjingCommandofPLA,Fuzhou350025;2DepartmentofNeurosurgery,TheThirdHospitalofNanchang,Nanchang330009, China

ObjectiveThe value of virtual reality (VR) technology in the pre-operative evaluation of para-duro-sinus meningiomas and the surgical outcomes is discussed.MethodsA total of 47 patients with para-duro-sinus meningiomas were collected continuously, including parasagittal meningiomas (28), falcine meningiomas (14), transverse sinus and torcular region meningiomas (4), and sigmoid sinus meningioma (1). VR images were built pre-operatively for all the patients, and then the degree of sinus invasion and venous collateral circulation grade were evaluated, and surgery simulating was performed on the VR computer. The relevant surgical data would be analyzed.ResultsWith the help of virtual reality, the structures were displayed clearly, and the operating area could be observed and surgery simulation could be done. The sinus uninvolved occurred in 9 cases, compression in 13, stenosis in 13, and occlusive in 12. The formation of collateral circulation were 22.2%, 23.1% and 61.5%, 100%, respectively. By the guidance of VR technology to formulate surgical strategy, Simpon grade Ⅰ, Ⅱ and Ⅳ resection were achieved in 37, 4 and 6 patients, respectively. During 4 to 18 months' follow-up, 45 cases got good recovery with Karnofsky Performance Scale (KPS) score of 88.30±22.392. One patient was vegetable, and one was dead because of recurrence. According to statistical analysis, the short-term prognosis of the patients was affected by recurrence of tumor, intra-operative blood loss and age, but the long-term prognosis was not affected by age.ConclusionThe pre-operative VR evaluation of the relationship among the para-duro-sinus meningiomas, sinus and draining veins is accurate and reliable. The effect of age and history of surgery on patients with para-duro-sinus meningiomas should be considered. The assessment and protection of venous collateral circulation should be paid attention to, which is a key factor in determining the prognosis of patients.

Meningiomas; Dural sinus; Microsurgery; Treatment effect; Virtual reality; Collateral circulation

1671-2897(2016)15-012-05

R 739

A

福建省科技计划重点基金资助项目(2010Y0043，2014Y0036)

李世清，医师，E-mail: lishiqing0001@163.com

*通讯作者：王守森，博士生导师，E-mail:wshsen@126.com

2015-02-15;

2015-04-10)