多模态影像融合及神经导航技术在小儿神经外科教学中的应用

赵崇舜，王勇强，陈 民，王杭州

（苏州大学附属儿童医院 神经外科，江苏 苏州 215006）

小儿神经外科是一个具有较高难度的专业领域，与其他神经外科亚专业类似，需要从业医师具有扎实的医学知识和娴熟的专业技能，并具有良好的学习掌握能力。但不同于成人神经外科，小儿神经外科涉及婴幼儿和儿童的神经系统疾病，由于小儿的生理特点，其神经、血管等组织较成人更加纤细脆弱，手术操作空间也更为狭窄，因此需要医师详细了解并掌握婴幼儿和儿童神经系统的解剖结构，以便准确定位和处理病变，避免产生医源性创伤。同时，小儿的解剖结构相对成人复杂且处于不断生长变化中，许多体表标志或骨性标志不似成人般准确可靠，因此，训练并掌握全面的神经系统解剖知识和优秀的空间想象能力是小儿神经外科医师的培养中极为重要的一环。近年来，随着计算机及医学影像技术的发展，在全世界神经外科领域，多模态影像融合与重建技术和神经导航技术逐渐融入小儿神经外科的临床应用［1］，其特有的优势在于可以让医师直观地检视每个病人的三维图像，确认病灶位置与毗邻结构，并在无创前提下进行确认定位。这大大降低了神经外科医师的培养难度，优化了低年资医师的成长曲线。近年来，苏州大学附属儿童医院神经外科将多模态影像融合及神经导航技术应用于小儿神经外科的教学工作中，本文试探讨其应用效果及前景。

一、多模态影像融合技术

多模态神经影像融合技术是一种将不同类型的神经影像数据在计算机的辅助下进行整合和融合的技术方法，旨在提供更全面、准确和可靠的神经信息。多模态神经影像融合技术结合了不同的影像模态，如结构像、功能像和代谢像等，以提供更详细和全面的神经系统信息。多模态神经影像融合技术可以通过将不同的影像数据进行配准和对齐，然后将其进行叠加或叠加显示，从而实现影像数据的融合。借此，医师可以同时获得不同影像模态的信息，从而更全面地了解病变的位置、形态、大小和功能等特征。同时，计算机可根据医学影像数据实时重建患者的三维图像，并在此基础上进行进一步的影像后处理，医师可直观检视患者的病变区域与正常结构的位置关系，有助于精确定位病灶并规划手术。

二、神经导航技术

神经导航技术是一种利用影像学和计算机技术协助神经外科手术的方法，通过实时的图像引导和定位，可帮助神经外科医生在手术过程中准确地定位和导航到特定的神经结构或病变部位［2］。神经导航技术将获取的多模态影像数据进行处理和重建，生成更清晰和准确的影像，以提高影像质量和可视化效果。而后通过将患者的实际解剖结构与影像数据进行注册和配准，建立起影像和患者之间的空间对应关系。这样，医生可以通过实时的影像引导手术器械，在手术前及手术过程中，神经导航系统可以实时显示患者的解剖结构和病变位置，并将手术器械的位置和方向与影像对应，医生可以根据导航系统提供的信息准确地定位和导航到目标区域，避免误伤正常结构。此外，神经导航技术可以将导航信息以可视化的方式呈现给医生，如在手术显微镜或显示器上显示影像和导航路径，一些高级技术还可将虚拟图像叠加到实际视野中，实现增强现实的效果，提供更直观的导航指引。

三、利用多模态影像融合技术及神经导航技术在小儿神经外科教学中的应用实践

（一）术前规划与教学

以某男性患儿为例，术前影像学检查提示松果体区占位，梗阻性脑积水，计划行神经内镜下第三脑室底造瘘及纵裂—胼胝体—脉络膜裂入路肿瘤切除术。在传统教学方法中，带教医师通过单纯二维影像对住院医师进行术前影像学讲解，由于年轻住院医师缺乏手术经验或临床解剖学知识基础较浅，可能无法通过二维图像正确定位病变并了解周围组织的解剖学关系，导致教学效果欠佳。在应用了全新技术后，术前利用多模态影像融合技术对患儿的计算机断层扫描图像（computerized tomography，CT）和磁共振图像（magnetic resonance imaging，MRI）进行配准后融合并进行三维重建，利用计算机对脑室、肿瘤，以及周围重要结构进行重建并高亮显示（如图1）。由一名高年资带教医师结合三维图像对住院医师进行教学，讲解该例患儿的肿瘤位置、解剖结构、计划的手术入路及术中需重点关注和保护的组织等。由于学员可直观地从各个方向观察目标结构和区域，并自主调整视角和观察目标，因此可以在脑海中快速构建手术区域的解剖结构，掌握相关知识，加深解剖学知识印象。此外，对于神经内镜手术，术前穿刺点的定位是手术顺利进行的重要基础，过去对此部分的教学仅限于带教医师的演示示范，低年资住院医师常缺乏实际操作经验。例如，在患儿体表进行模拟定位需要患儿和家长的理解和配合，且难以重复和验证，在应用多模态影像融合技术重建后，利用重建显示的头皮及颅骨图像，带教医师可结合三维图像讲解关键骨性标志物如冠状缝、顶结节等的定位方法，并让学员在计算机上模拟定位，而后进行验证和考核（如图2）。这大大提高了低年资住院医师的学习效率，也有助于量化学习进度，考核学习效果，且有助于快速提高临床操作能力。

图1 肿瘤与脑室相对位置三维重建图像

图2 肿瘤定位及体表标志重建图像

（二）术中定位与教学

在传统教学方法中，低年资住院医师在手术过程中往往通过观看手术视频和上级带教医师指导和点评进行学习，一方面缺乏直观体会，另一方面教学效果依赖于带教医师的教学水平和讲解能力，难以规范化评价教学效果。引入术中神经导航技术进行教学后，学员在手术中可通过计算机定位手术器械，并在显示屏上直接观察手术器械与目标病变、关键结构的相对位置关系并实时矫正调整。在确认了术中的精确位置和毗邻解剖学关系后，学员能够更加简单直接地将术前影像资料和术中所见结合联系起来，并可借助计算机辅助反复重复相关步骤，直观地掌握手术相关知识要点，在该例患儿的神经内镜下第三脑室底造瘘手术中，准确恰当地选取穿刺点是手术要点之一，也是既往教学的重点和难点。传统教学方法中，学员通过观察二维影像资料很难想象三维结构中脑室在体表的投影位置。而上级带教医师示范后也难以给学员留下深刻印象。在借助术中神经导航技术进行教学后，可在上级医师指导下学员自行标记穿刺点位置，而后借助神经导航进行验证，观察穿刺点选取是否合适及应当如何进行调整，学员借助三维重建图像，可以清晰地观察到自己选取的标记点和脑室的相对位置关系，以及在调整后穿刺道的变化情况，这不但简化了教学步骤，降低了教学难度，也显著提升了教学效果。在该例患儿之后进行的经纵裂—胼胝体—脉络膜裂入路肿瘤切除术中，如何让低年资住院医师学习掌握纵裂—胼胝体—脉络膜裂这一手术入路的解剖学位置和毗邻神经结构一直是教学的难点。传统教学方法依赖主刀带教医师在显微镜下暴露相关解剖学结构，并逐一进行详细讲解，学员往往无法形成深刻认识，同时有可能延长手术时间，效率较低且无法重复；而引入术中神经导航技术后，带教医师通过导航器械可以实时地指出当前操作区域的位置，并在未暴露的情况下对周围毗邻关键结构进行指出和讲解，学员可以在显示屏上直观地看到手术过程的推进及重要结构的位置关系并自行调整观察角度，选择显示特定结构，达到模拟手术的效果，且可借助计算机辅助不断重复，加深印象，强化学习效果。

（三）术后回顾与教学

手术后回顾手术效果及将术后影像资料和术中所见进行比对也是手术教学的重要环节。传统教学中通常依靠术后二维CT或MR图像，结合手术视频录像进行讲解教学。传统教学的优点在于让低年资住院医师可以跟随主刀带教医师的思路进行回顾学习，建立相关知识体系，通过当场提问的方式解答相关疑问；缺点在于传统方式依赖带教医师的教学水平和教学时长，效率较低，难以调动学员的自主学习热情并形成系统性的教学体系，且不具有可重复性。而在利用多模态影像融合技术及神经导航技术辅助教学后，学员可以自主利用术后复查影像资料进行三维重建并多角度观察，且学员基于术后影像重建的三维结构得以直接观察手术穿刺造瘘点与手术入路的空间位置和周围结构的毗邻关系，结合手术视频录像，对术中涉及的关键结构和区域进行直观系统的学习，避免了因为缺乏相关手术经验和空间想象能力而造成的学习效果不佳。在遇到难点和疑问时，可利用计算机系统截图或录屏，带教医师进行重点答疑和讲解，由此激发学员自主学习热情，锻炼其空间想象能力，巩固解剖学和手术学基础。

四、讨论

神经外科被誉为外科学中的王冠，而小儿神经外科更被比作王冠上的明珠，小儿神经外科专科医师的教学培养是全国各个神经外科医师培训基地中的重点任务［3］。由于小儿处于不断发育中，神经系统具有极其复杂又脆弱的特点，对于从业医师的专业素养和临床经验都有极高的要求，使得小儿神经外科医师的教学工作一直是神经外科教学任务中的难点。如何在保证医疗安全的前提下，规范、高效、准确地教授小儿神经外科医师专业知识，培养其临床能力是相关教学研究的永恒主题。

不同于基础医学教育，外科学的教育模式更注重于手术方式的讲解及手术经验的传授，尤其是神经外科领域，大量的手术操作皆在显微镜下由主刀医师和一名助手完成，低年资医师常无法获得直观的手术经验，因此成长曲线相对较长。传统的小儿神经外科教育模式中，常依赖于学员自主阅读影像资料、上级带教医师讲解、观看手术录像并自主学习相关知识的模式。其优势在于对设备水平要求较低，便于在各地医院及医学院校开展，但缺点是高度依赖于学员的自主学习能力和带教教师的教学水平及教学医院的手术开展数量，难以达到教学流程的标准化和教学成果的均质化。

近年来，随着计算机图像处理能力的不断进步，多模态影像融合技术和神经导航技术逐步融入神经外科的临床工作并发挥着越来越大的作用［4］。新技术的优势在于帮助缺乏手术经验的神经外科医师快速掌握相关知识并提高手术能力与技巧，这与神经外科医师培训教学的目的是一致的。在小儿神经外科领域，由于小儿神经系统疾病的特殊性和复杂性，教学难度相较其他神经外科领域更高，多模态影像融合技术和神经导航技术很好地弥补了现有小儿神经外科教学工具的不足。通过计算机辅助直观地观察病灶及周围的解剖结构，使得低年资的小儿神经外科医师可以快速地掌握相关知识；而在神经导航的辅助下，低年资医师可以独立完成病灶部位、手术区域的定位并加以验证，形成良好的学习反馈闭环。在我们的教学经验中，合理地运用这些技术可以大幅度地提高相关教学工作的效率。

然而，也必须认识到，神经导航技术和多模态影像融合技术也并非万能，依然存在技术上的缺陷和不足，在深部和涉及脑室和脑池的操作中，有发生偏移导致定位准确度下降的问题［5］。其次，在教学工作中，这些新技术暂时只能起到辅助教学的作用，仍然需要上级带教医师进行耐心细致的指导方能有良好的教学效果。总体来说，神经导航技术和多模态影像融合技术为小儿神经外科医师的教学工作引入了新思路，在良好的使用模式和一定的经验基础上，可以发挥事半功倍的作用，为培养合格的小儿神经外科医师提供强有力的帮助。