影像融合技术在神经外科复合手术中的应用

高 鹏 胡 宙 何 俊 徐 强 王天佑 洪 泳

复合手术（hybrid operation）中的“复合”一词源自拉丁语hibrida，有“杂交”的意思，故又称为杂交手术。复合手术最早在20世纪60年代应用于血管外科[1]，随后在心脏外科得到长足发展，1996年Angelini等[2]首次提出复合手术概念并运用于多支血管病变的心脏搭桥术，相应的复合手术室（hybrid operating room）概念也在2002年被提出。

复合手术室被定义为一个能同时开展血管腔内及开放手术的手术中心[3]，在多种影像设备、临床信息系统的有机整合中，为外科医生提供复合手术操作平台，最终达到1+1＞2的效果。

在神经外科领域，随着科技的进步和理念的更新，疾病治疗模式也由单一的外科手术向微创介入，进而向融合外科和介入技术优势的复合手术转变。目前，全国真正意义上的复合手术室已超过200家，包括北京天坛医院、北京宣武医院、上海华山医院等全国顶级神经特色医院都已建立了神经外科复合手术室。

随着神经外科的微创化、复杂血管疾病的增多，治疗者对于影像信息的需求也愈发提高，可融合多个三维图像及多类影像资料（如DSA、CT、MR等）的多模态影像融合技术应运而生[4]。

方 法

1.一般资料

回顾分析2016年10月至2017年12月202例脑血管病相关介入手术，其中采用复合手术技术的132例。在这132例手术中，使用多模态影像融合技术辅助手术进行的，有45例。其中动脉瘤19例（普通动脉瘤7例，复杂动脉瘤12例）；BAVM11例（Spetzler-Martin分级[5]Ⅱ级3例，Ⅲ级4例，Ⅳ级3例，Ⅴ级1 例）；DAVF 6例（脊髓3例，前颅底1例，枕大孔区1例，天幕1例）；富血供肿瘤5例（脑干或颈静脉孔区实质性血管母细胞瘤2例，颈静脉球瘤1例，血管外皮瘤1例，血管瘤型脑膜瘤1例）；颈内动脉重度狭窄或闭塞开通2例；BAVM+MCA动脉瘤+鞍膈脑膜瘤同期手术1例；颅内异物取出1例。

2.设备及影像采集

2.1设备：复合手术室内数字减影血管造影机（GE Healthcare IGS730），后处理工作站（GE Healthcare AW4.6）， 后 处 理 软 件 包（Volume Viewer11.3），高压注射器（Medrad Incorporated Mark Ⅴ& Libel-Flarsheim LF6000），对比剂用非离子型碘克沙醇。

2.2 影像采集方法

患者取仰卧位，暴露股动脉区，常规消毒铺巾后Seldinger法穿刺股动脉，留置动脉鞘。从右侧股动脉将 5F 造影导管分别放置于左右颈总动脉，颈内动脉及椎动脉行正侧位全脑血管造影，设置参数：注射速率4ml/s，总量5～6ml，压力200psi，延迟曝光0.5s。随后根据实际手术情况，采取以下操作：①对怀疑或确定的血管性病灶的具体位置行三维高清CBCT检查，患者无需转移，在控制台主机选择Innova CT High Resolution-3DCT程序协议，并设置参数：注射速率4ml/s，总量20～24ml，压力200psi，延迟曝光1～1.5s，造影完成后的3D-ACQ图像自动传输至AW后处理工作站进行三维重建，可即刻与MR、CT、其他实时DSA影像资料融合，用以观察病灶与其他解剖结构的关系，或通过Two-Click、剪切等功能行三维导航或模拟手术入路；②选择同上程序协议，使用生理盐水1：10稀释对比剂，并设置参数：FOV 16cm，C臂旋转速率10o/s，注射速率4ml/s，总量60～64ml，压力150psi，延迟曝光3s，三维重建后用以观察支架贴壁情况及内漏与否。

3.图像制作及图像评价

在AW后处理工作站进行多模态重建融合，常用的操作有：①对于颅骨的三维图像与减影三维血管图像融合，使用剪切、模拟路径等功能进行手术模拟；②对含已栓塞的弹簧圈或支架的三维图像，使用剪切功能把多余的颅骨去掉，只留下弹簧圈或支架影像图；再把减影后血管图像进行容积重建，调整为空腔状态，两者行影像融合，这样可清楚观察弹簧圈或支架对载瘤动脉及周围毗邻血管的影响；③将减影后三维血管图像通过Two-Click功能处理后，与实时DSA图像融合，使用颅骨骨性标志进行配准后，进行实时三维导航；④将MR、CT图像通过颅骨骨性标志或脑组织形态等，与减影后的三维血管图像融合，用以判断脑功能区或出血缺血区与病灶的关系等临床应用。所有图像制作过程至少由1名主管技师制作，由 2名放射诊断的副主任医师及2名神经介入医师对最后的融合图像进行评价。

4.疗效评价

所有手术患者按时随访，由术者根据随访结果判断疗效。随访时间9个月至1年。

结 果

所有45例手术患者均在全麻下顺利完成手术，包括造影、弹簧圈或支架植入、注入栓塞药物、开窗开颅等。术后未出现内漏、动脉瘤再破、脑疝等严重并发症，随访结果如下：32例（71.1%）术后随访一般情况好，症状改善，影像学复查无残留复发或再狭窄。2例（4.4%）术后一般情况好，影像学复查无殊，但自觉症状改善不明显。8例（17.8%）出现动眼神经麻痹，或肢体活动障碍，或单侧面部麻痹，或精细动作稍差，或单侧肢体握持力减弱等症状，影像学复查无殊。3例（6.7%）富血供肿瘤患者出现精细动作稍差，或面部轻微麻木感等症状，CT示有少量残留。无死亡及植物生存状态患者。

在19例动脉瘤患者中，按Raymond分级[6]栓塞标准评估：完全栓塞 11例（57.9%）即1级栓塞，次全栓塞5例（26.3%）即2级栓塞，不全栓塞3例（15.8%）即3级栓塞；该19例手术（100%）皆在影像融合实时导航、球囊导管辅助下进行，并在患者无需移动的情况下，术中使用CBCT实时评估支架或弹簧圈对载瘤动脉及周围毗邻血管的影响（图1A），以便观察支架形态，或及时发现内漏，其中2例（10.5%）术中通过CBCT扫描发现可疑内漏，及时修补完成；4例（21.1%）术中将DSA三维图像与MR图像融合（图1B），以观察脑功能区、病灶与治疗区的三维关系；2例（10.5%）进行了影像融合技术辅助手术模拟（图1C、D）。

在11例BAVM患者中，9例（81.8%）在影像融合实时导航、球囊导管辅助下进行（图2A）；5例（45.5%）术中将DSA三维图像与MR图像融合，以观察脑功能区与病灶的关系；3例（27.2%）接受了术中栓塞降级后手术切除（2例Spetzler-Martin IV级、1例V级），该3例手术全部进行了影像融合技术辅助手术模拟。

图1 A.35岁男性，术中CBCT实时评估支架形态和贴壁情况；B.65岁女性，右侧M2段蛇形动脉瘤，术中将DSA三维图像与MR图像融合，以观察脑功能区、病灶与治疗区的三维关系；C、D.37岁女性，左侧大脑中动脉M1段夹层动脉瘤，开颅及放置Bypass模拟辅助。

图2 A.42岁男性，颅内动静脉畸形，影像融合实时导航辅助下进行BAVM栓塞术；B.52岁男性，颅内异物（自行车把手），使用影像融合技术判断异物与双侧颈内动脉、椎基底动脉相对位置；C.67岁女性，将DSA三维图像与MR图像融合，制订手术计划；D.术中所见。

其余15例患者中，12例使用影像融合实时导航、球囊导管辅助；2例颈内动脉重度狭窄患者，使用CBCT实时评估支架形态及贴壁顶壁等情况；1例颅内异物取出患者，使用影像融合技术判断异物与颅内血管相对位置（图2B）；2例富血供肿瘤术前栓塞开颅患者，进行了影像融合技术辅助手术模拟（图2C、D）。

讨 论

随着更为先进的数字减影血管造影（DSA）、CT血管造影（CTA）、磁共振血管造影（MRA）、高效的三维重建及融合等影像技术、介入材料和手术技术的的综合发展，颅内血管性疾病的诊断和治疗手段得到了长足发展和明显进步。以颅内动脉瘤为例，可以经开颅夹闭或介入栓塞治疗，ISAT和BRAT两项临床试验比较了两者的优劣[7]。可以说，越来越多的治疗者选择使用介入栓塞的方法。同时，一部分宽径的动脉瘤、血管极为迂曲，以及部分特殊类型的动脉瘤[8]，例如假性动脉瘤、幼稚型动脉瘤等，单纯的介入栓塞治疗会面临无法根治或术中破裂风险高的问题。除了颅内动脉瘤，其他复杂的颅内血管疾病，例如高级别的BAVM、复杂的DAVF、富血供肿瘤、多种颅内复合疾病等，既需要高精度的介入治疗，也需要开颅手术技术。此时，复合手术室将两个平台的优势相结合，为治疗这些复杂疾病提供了两全其美的选择。

图像技术方面，至今为止，DSA是诊断颅内血管疾病的“金标准”，而 3D-DSA则逐渐成为诊断颅内血管疾病的“黄金标准”[9]。随着手术难度、精度的提高，除了准确诊断出病灶、显示病灶的三维形态及空间关系的需要，治疗者对于术前模拟手术入路（具体操作为：在三维数字模型上提取滋养血管路径、剪切三维图像模拟开颅等）、术中导航（具体操作为：配准后三维自动匹配路径图）、实时检查植入物情况（具体操作为：术中使用CBCT）、术中保护颅内重要结构（具体操作为：将多个3D-DSA数字模型融合，或于颅脑MR图像融合）等多模态影像融合功能提出了新的需求。

举例来说，在高级别的BAVM病例中，血管形态常表现极为复杂迂曲，同时栓塞药物的投放位置又至关重要。使用Two-Click功能在三维数字模型上提取滋养血管路径，模拟导丝进入；利用此模拟路径，术中行配准后三维实时导航，辅助术者在迂曲的血管团中正确找到到达的路径，减少对比剂和放射剂量的同时，提高了手术精度。

又以颅内动脉瘤为例，行3D-DSA重建技术可以多方位、多角度观察动脉瘤栓塞情况，同时可以观察弹簧圈与载瘤动脉的关系及血流情况。但对于大型动脉瘤（直径＞ 1.0 cm）栓塞后，由于弹簧圈体积大，密度大，掩盖了对比剂的显影，比如大脑中动脉分叉处动脉瘤，即可能导致：①瘤体的对比剂与弹簧圈重叠；②如瘤体出现对比剂显影，很容易误以为是附近血管分支的显影。两者都将导致不全栓塞，大大增加动脉瘤复发的概率。对于此类特殊类型特殊位置的动脉瘤，放置弹簧圈或支架等操作完成后，建议行以下两种方法之一进行手术效果验证：①稀释对比剂后行CBCT扫描并三维重建（具体方法参考上文“影像采集方法”部分），大幅减低对比剂的密度，以突出弹簧圈或支架的形态；②双模态影像融合（具体方法参考上文“图像制作及图像评价”部分），将三维血管数字模型与弹簧圈或支架数字模型融合，清晰显示瘤体及瘤颈的栓塞情况，并且可以对融合图像进行360o的旋转以此来避开其他分支的干扰。运用3D-DSA及影像融合技术，进行复杂颅内动脉瘤等手术术中实时复查，减少术后并发症的发生，保证手术安全性，提高手术成功率，已成为该类手术常规步骤。

MR图像在表现脑组织解剖结构及某些病变方面，有着无可比拟的优势[10]。运用影像融合技术，将术中采集的三维血管数字模型，通过配准，与术前的二维MR图像融合，可在开颅手术中给予术者位置参考，以避开脑重要结构。以深部的富血供肿瘤或复杂动脉瘤为例，血管内介入栓塞术完成后，将栓塞术后的3D-DSA与MR图像融合，可指导后续开颅切除或夹闭手术，指引术者病灶的解剖位置及术中需注意保护的结构[11]；也可与功能MR图像融合，以保证术中锥体束等重要脑组织解剖结构不被侵犯。

另外，在某些特殊类型的颅内异物取出术中，需术前了解异物与颅内多支重要血管的三维位置关系，方能安全取出异物。单一的正侧位二维颅内血管造影，已无法满足手术需要。需运用3D-DSA与影像融合技术，将可疑受累的颅内血管（例如双侧颈内动脉、单侧锥基底动脉等）的三维数字模型融合，再与异物模型融合，判断异物与颅内血管相对位置，以确定相对安全的手术方案及入路。

本研究的不足之处在于，样本资料病例数较少，缺乏单一疾病的病例对照及定量数据。本研究基于新的影像技术于临床、于影像学上的指导意义进行探索。在融合图像辅助下进一步治疗，其带来的更多定量研究还有待于更多的术后随访、严格的统计学分析等进一步验证。总之，随着神经外科的微创化、复合化、以及复杂颅内血管疾病的增多，治疗者对于影像信息的需求也愈发提高。影像融合技术越来越多地运用于神经外科复合手术，起到了术前模拟、术中实时复查、术中保护、辅助导航等作用，具有重要应用价值。