神經外科3D外視鏡的研究進展

齊洪武,劉 碩,劉巖松,曾維俊

視覺儀器對于確保微創(chuàng)手術的高質量手術效果至關重要,并逐漸成為研究的焦點[1]。手術顯微鏡于20世紀50年代末首次引入臨床后,由于其能夠照明和放大術野解剖結構,因此成為神經外科術中可視化的金標準[2]。但手術顯微鏡在術中機動性、視野可及性方面存在局限。此外,手術顯微鏡的圖像只有術者和助手能夠實時觀看,而且手術顯微鏡某些特殊擺位容易導致手術人員疲勞[3]。近年來研發(fā)的三維(three-dimensional,3D)外視鏡規(guī)避了這些缺點,同時保留了手術顯微鏡的優(yōu)勢,3D外視鏡在多種神經外科手術中的應用表明,它是手術顯微鏡安全有效的替代工具[4]。3D外視鏡在優(yōu)化照明和放大特性的同時,兼顧了人體工程學[5]。通過3D外視鏡,手術室中的所有人員均可觀看術中高質量的可視化圖像,從而成為培訓教學的重要工具[6]。本文就神經外科3D外視鏡的技術參數(shù)、優(yōu)勢與不足、在神經外科疾病中的臨床應用進行綜述。

1 技術參數(shù)

3D外視鏡是由外視鏡光學系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、氣動機械臂、4K-3D視頻顯示器組成的新型顯微光學手術設備[7]。目前多款3D外視鏡適用于神經外科手術,主流產品包括ORBEYETM(Olympus, Tokyo, Japan)和VITOM? 3D (Karl Storz SE &Co. KG, Tuttlingen, Germany)[6]。ORBEYE 3D外視鏡光學部分由兩個攝像機組成,每個相機的分辨率(像素)為3840×2160;術區(qū)照明由光纖LED光源提供;觀察者佩戴圓偏振3D眼鏡觀看顯示器圖像;光學變焦和數(shù)字變焦可通過手動或腳踏開關調節(jié),放大倍數(shù)為1.1～25.8倍,具有1∶12的變焦比(光學變焦6倍,數(shù)字變焦2倍);外視鏡的焦距范圍為220～550 mm;視野范圍為7.5～171 mm[8,9]。VITOM 3D外視鏡包括4K傳感器系統(tǒng),能夠創(chuàng)建分辨率(像素)為3840×2160的圖像,顯示在兩個4K 3D顯示器上。該外視鏡具有200～500 mm的焦距和可調節(jié)的變焦范圍,能夠將視野放大8～30倍[10,11]。

2 優(yōu)勢與不足

2.1 優(yōu)勢 3D外視鏡最顯著的優(yōu)點是提供手術區(qū)域的3D視圖,視覺圖像質量上3D外視鏡具有4K分辨率或超-高清分辨率的能力,3D外視鏡系統(tǒng)已經具有與手術顯微鏡相同或更高的分辨率[12]。外視鏡LED光源比手術顯微鏡鹵素燈泡產生的熱量低,外視鏡的光源可以減少術區(qū)組織的熱損傷[13]。另外外視鏡的LED光源照明提供了更準確的術區(qū)顏色對比度,當術區(qū)微觀視圖和宏觀視圖相互轉換時,可以更容易地識別組織結構[14]。使用手術顯微鏡時,需要外科醫(yī)師頸部保持長時間固定在特定位置,但使用外視鏡時外科醫(yī)師(包括手術助手)在手術期間能夠采取任何位置或姿勢[15]。研究發(fā)現(xiàn)外視鏡系統(tǒng)通過改變外科醫(yī)師的手臂姿勢來減少前三角肌的活動,從而減少肩頸區(qū)域的不適[16]。外視鏡系統(tǒng)在清醒手術中外科醫(yī)師人體工程學優(yōu)勢尤其明顯[17]。

氣動支架系統(tǒng)將3D外視鏡懸掛于術區(qū)上方,術者在手術過程中操作手術器械更為舒適。因為能夠面對面交流,所以術者與助手和器械護士的溝通更為容易。3D外視鏡體積和重量較小,可移動性強,不會阻礙手術區(qū)域布局和手術參與人員的視線[18]。外視鏡可以直接進行消毒,無需像手術顯微鏡在術中套無菌顯微鏡罩,可節(jié)省無菌顯微鏡罩的成本[19]。3D外視鏡具有更好的教學培訓和教學潛力,包括醫(yī)學生的所有手術室參與人員均可通過顯示器觀摩手術,術者可在操作時講解解剖結構和手術步驟[20]。一項對手術室人員使用外視鏡的調查表明,與使用手術顯微鏡相比,手術室人員在整個手術過程中感覺更投入,并在整個手術過程中能提供更多的協(xié)助[21]。雖然手術顯微鏡亦可連接顯示器呈現(xiàn)顯微外科操作,但觀摩者難以看到手術的3D視圖,使用手術顯微鏡過程中,由于直視顯微鏡目鏡,術者和助手難以與手術室的其他環(huán)節(jié)實時溝通,可能不知道周圍培訓人員是否關注,從而錯過寶貴的教學機會。此外,手術區(qū)域被手術顯微鏡所遮擋,觀看顯示器的培訓人員無法同時觀察術者如何操作顯微器械。

在新型冠狀病毒流行時期,疫情防控要求廣泛使用個人防護裝備,在急診手術中,護目鏡、面罩或眼鏡等屏障預防措施導致使用手術顯微鏡困難,因為術中顯微操作時必須摘下眼睛遮擋物。3D外視鏡所需的3D眼鏡可改裝為個人防護護目鏡,在保持個人防護裝備合規(guī)性和最大屏障預防措施的同時,可以觀看絕佳的手術視圖[22]。

2.2 不足 鑒于3D外視鏡先進的視覺圖像,如圖像質量和3D視覺,3D外視鏡的技術缺點是微乎其微的。最初臨床引入2D外視鏡時,其顯著局限性是缺乏深度感知或立體視覺,而3D外視鏡使用3D眼鏡可獲得極好的深度感知。但外科醫(yī)師在手術過程中長期使用3D眼鏡可能會出現(xiàn)頭暈、頭痛和較重的眼部疲勞[19]。此外,外視鏡系統(tǒng)的LED光源距離術區(qū)較遠,有時需要額外的照明來保持最佳分辨率[12]。雖然經驗豐富的神經外科醫(yī)師可能具有出色的手眼協(xié)調能力,但在不直視運動平面的情況下協(xié)調這些動作增加了操作的復雜性,需要學習曲線方能熟練,所以初期應用會導致手術時間延長[20]。外視鏡需要精確的旋轉調整,目前重新調整外視鏡位置比調整手術顯微鏡更復雜、更耗時,因為手術顯微鏡配備了更先進的機械系統(tǒng),可以進行舒適的單手重新定位。然而,隨著機器人外視鏡系統(tǒng)的引入,目前這一劣勢正在不斷縮小[23]。

3 在神經外科中的臨床應用

3.1 腦腫瘤 一項回顧性研究統(tǒng)計了177例多形性膠質母細胞瘤的患者資料,其中144 例僅使用顯微鏡進行手術,33例僅使用4K-3D外視鏡進行手術,收集所有臨床和放射學數(shù)據(jù),評估了兩組的無進展生存期和總生存期,調整潛在的混雜因素(例如,性別、年齡、Karnofsky功能狀態(tài)評分、全切除術、MGMT啟動子甲基化及操作者的經驗),通過Cox回歸模型進行分析。結果表明,使用顯微鏡手術患者的中位無進展生存期為8.82個月,而使用外視鏡手術患者的中位無進展生存期>12個月。多變量Cox模型分析結果顯示,使用外視鏡進行手術的患者無進展生存期更長,但使用顯微鏡和外視鏡手術的患者之間總生存期無統(tǒng)計學差異[24]。基底節(jié)腫瘤存在較多穿支動脈且位置較深,在腫瘤切除過程中,穿支動脈的解剖至關重要,因為這些動脈深深嵌入大腦中,所以手術極具挑戰(zhàn)性。Kijima等[25]使用4K-3D外視鏡系統(tǒng)對涉及基底節(jié)的多形性膠質母細胞瘤進行了手術切除,3D外視鏡拓寬了手術視野,可視化下成功地切除腫瘤,降低了術后梗塞的風險,同時神經功能缺損最小。外視鏡是5-氨基乙酰丙酸熒光引導切除高級別膠質瘤的有效工具,在藍色濾光片下,外視鏡在淺表和深部手術野的血管、腦實質和手術器械的顯像上明顯優(yōu)于手術顯微鏡,熒光引導下的高級別膠質瘤手術中使用外視鏡在術野可視化和手術流程方面具有明顯優(yōu)勢[26]。Witten等[27]使用ORBEYE外視鏡在5-氨基乙酰丙酸熒光引導下對9例多形性膠質母細胞瘤進行了切除,ORBEYE外視鏡系統(tǒng)配備了藍光濾光片,光強度對腫瘤熒光沒有顯著影響,然而焦距顯著影響相對熒光強度(P=0.007)。在220 mm的焦距和最大約75%的光強度下始終可以看到最大平均熒光。將焦距從400 mm減小到220 mm顯著增加了可視化熒光(P=0.0038)。ORBEYE藍色濾鏡在較短的焦距和中等光強度下表現(xiàn)最佳,與顯微鏡系統(tǒng)類似,減小焦距會影響熒光可視化。

鞍結節(jié)腦膜瘤是前顱底中線腫瘤,約占所有顱內腦膜瘤的10%～15%,鞍結節(jié)腦膜瘤的臨床表現(xiàn)主要表現(xiàn)為視交叉受壓或視神經管受侵導致視力障礙。de Andrade 和Recinos[28]對1例中年女性鞍結節(jié)腦膜瘤使用3D外視鏡進行了微創(chuàng)眶上入路手術,成功實施了全切腫瘤、視神經管減壓。Sumisawski等[29]對3D外視鏡應用于經蝶竇顯微外科手術治療庫欣病進行了研究,對共計388例庫欣病患者進行了回顧性分析,研究發(fā)現(xiàn)3D外視鏡組患者抗利尿激素異常分泌綜合征/尿崩癥的發(fā)生率較低(P=0.0164),緩解率較高(P=0.0422),手術時間較短(P<0.0001),但術后垂體功能不全及術中腦脊液漏發(fā)生率與手術顯微鏡組沒有統(tǒng)計學差異。前庭神經鞘瘤的顯微外科切除術極具挑戰(zhàn)性,尤其涉及Koos分級3級和4級的腫瘤。Veldeman等[30]評估了3D外視鏡在前庭神經鞘瘤切除術中的性能并和手術顯微鏡進行比較,研究發(fā)現(xiàn)腫瘤大小、是否沿內聽道延伸、囊性成分是手術持續(xù)時間的主要決定因素,但相同條件下使用外視鏡手術病例的手術時間較顯微鏡明顯減少,而且外視鏡和顯微鏡在聽力保護和面神經功能方面沒有差異。Chu等[31]報道了1例數(shù)字機器人3D外視鏡系統(tǒng)的輔助下成功實施了枕下乙狀竇后入路手術切除右側橋小腦角區(qū)三叉神經鞘瘤,經過 30 個月的隨訪,患者恢復良好,MRI顯示腫瘤完全切除,結果表明機器人外視鏡系統(tǒng)可以改善術中照明和圖像分辨率。

Bertolini等[32]報道了1例翼點開顱經海綿竇入路切除表皮樣囊腫的手術經驗,病變累及中顱窩前內側,侵犯腳間池并壓迫腦干,采用外視鏡和內窺鏡聯(lián)合輔助切除,切除徹底且術后未發(fā)生神經功能缺損,證明了這種混合技術的有效性和安全性。Li等[33]在外視鏡和內鏡全程聯(lián)合下切除了17例顱內表皮樣囊腫,認為該項技術是一種安全、有效的顱內表皮樣囊腫手術輔助,視野開闊,操作方便。Shibano等[34]對1例76歲復發(fā)的嗅神經母細胞瘤女性患者進行了再次手術,同時使用 4K 3D外視鏡經顱和內鏡鼻內入路手術,成功進行了腫瘤全切。Watanabe等[35]回顧了34例連續(xù)病例,探討聯(lián)合外視鏡和內鏡微創(chuàng)鎖孔入路對各種類型腦膜瘤手術的適用性,研究發(fā)現(xiàn)術中失血量和手術時間方面均優(yōu)于既往手術。

3.2 腦和脊髓血管病 Rossmann等[36]對同一名血管神經外科高級職稱醫(yī)師實施的 52次連續(xù)顱內動脈瘤夾閉手術進行了分析,手術使用口控開關的手術顯微鏡(25例患者27個動脈瘤,13例破裂)或腳踏開關的3D外視鏡(27例患者34個動脈瘤,6例破裂),從手術視頻中提取主要手術階段的持續(xù)時間、設備調整次數(shù)、動脈瘤夾重新調整和置入動脈瘤夾的數(shù)量,研究發(fā)現(xiàn)在動脈瘤夾閉中,3D外視鏡在手術持續(xù)時間、安全性和神經功能結果方面與手術顯微鏡相當。Quach和Almefty[37]通過對3D外視鏡輔助下44例顱內動脈瘤手術的回顧性研究分析,也證實了3D外視鏡有可能成為血管顯微手術中除手術顯微鏡之外公認的可視化工具。在顱內動脈瘤夾閉術中,使用內鏡改善了動脈瘤周圍解剖結構的可視化,但同時使用內鏡和顯微鏡的缺點是外科醫(yī)師必須在顯微鏡目鏡觀察手術視野和觀察內鏡顯示器之間頻繁移動視線,外科醫(yī)師很難將內鏡安全地置入最佳位置。Cho等[38]提出了一種使用內鏡和外視鏡的畫中畫系統(tǒng)觀察手術區(qū)域的新方法,可以克服多鏡手術的缺點,當僅用外視鏡不能觀察到動脈瘤周圍的解剖結構時,使用內鏡,來自內鏡的圖像被移入外視鏡顯示器中,術者能同時兼顧雙鏡,采用此法成功進行了3例動脈瘤夾閉術。Murakami等[39]在3D外視鏡輔助下采用枕下后正中開顱成功夾閉1例椎動脈-小腦后下動脈起始部動脈瘤,術中獲得了相較手術顯微鏡更好的體驗。Litts等[40]報道了1例3D外視鏡用于遠外側入路切除腦橋延髓海綿狀血管瘤的經驗。

脊髓動靜脈畸形是一種罕見的病變,它們可能表現(xiàn)為髓內出血或水腫,通常會誘發(fā)嚴重的神經功能缺損,術前影像學對動靜脈畸形血管特征的預測是成功手術治療的先決條件,而高分辨率3D外視鏡下對解剖結構的辨識則是手術的關鍵。Acha等[41]應用3D外視鏡成功實施了1例枕葉海綿狀血管瘤、1例硬腦膜動靜脈瘺和1例硬脊膜動靜脈瘺手術,證實3D外視鏡可以安全有效地進行血管顯微外科手術。

3.3 脊柱疾病 一項Meta分析納入了1項前瞻性隊列研究和4項回顧性隊列研究,共計349例患者,其中3D外視鏡組154例,手術顯微鏡組195例,研究發(fā)現(xiàn)3D外視鏡對于頸椎前路手術同樣安全有效,且與手術顯微鏡相比,可以減少術中出血[42]。姚志鵬等[43]對接受前路頸椎間盤切除融合術(anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)治療的脊髓型頸椎病患者進行了回顧性研究,其中15 例行 3D 外視鏡輔助 ACDF,18 例行常規(guī) ACDF。3D 外視鏡在 ACDF 的應用中,能夠提供良好的照明和放大效果,且在工作距離和人體工程學等方面具有優(yōu)勢,3D 外視鏡輔助 ACDF 治療脊髓型頸椎病的近期療效與常規(guī) ACDF 相當。一項研究評估了3D外視鏡和手術顯微鏡輔助微創(chuàng)經椎間孔入路腰椎椎間融合術的臨床結果、優(yōu)勢和局限性,共有22例接受了3D外視鏡輔助手術,25例接受了手術顯微鏡輔助手術,研究發(fā)現(xiàn)3D外視鏡輔助的手術操作時間較短,與手術顯微鏡相比,外視鏡在設備操作、人體工程學和培訓實用性及圖像質量方面表現(xiàn)出優(yōu)勢,但是部分外科醫(yī)師提出佩戴3D眼鏡時感覺不舒服[44]。Giorgi等[45]總結了外視鏡輔助下胸腰椎爆裂骨折的微創(chuàng)手術治療經驗,證實外視鏡技術是一種安全有效的胸腰椎爆裂性骨折脊髓減壓工具,3D 圖像提供的立體視覺對手眼協(xié)調至關重要,3D外視在機動性、視野寬、焦點深、姿勢更舒適等方面具有明顯優(yōu)勢。

3.4 其他疾病 Chiari畸形Ⅲ型主要表現(xiàn)為小腦組織由枕骨大孔向枕后膨出,嚴重者甚至可包括腦干及腦實質部分組織[46]。Gorgoglione等[47]對1例Chiari畸形Ⅲ型男嬰進行了手術修復,術前磁共振顯示枕骨正中骨缺損,硬膜囊與小腦延髓池和第四腦室相通,中度腦積水,顱后窩容積縮小,小腦半球、蚓部結構和胼胝體發(fā)育不全?；純涸诔錾蟮?天使用 4K-3D外視鏡進行了分離神經結構和修復神經皮膚缺損的手術,并在出生第12天進行了腦室腹腔分流術。Hines等[48]對接受標準前顳葉切除術治療藥物難治性顳葉癲癇的20例連續(xù)患者進行了回顧性分析,研究發(fā)現(xiàn)顯微鏡和外視鏡輔助下的平均海馬切除率分別為(61.1±13.1)%和(76.5±6.5)%(P=0.0037),在前顳葉切除術期間使用外視鏡為毗鄰中線結構的切除提供了良好的可視化效果,并為海馬切除的安全性提供了有力保障。

三叉神經根出腦干區(qū)解剖的可視化對于為三叉神經痛患者成功實施微血管減壓術至關重要,3D外視鏡提供了與雙目手術顯微鏡相當?shù)臉蛐∧X角和三叉神經根出腦干區(qū)清晰的圖像,外視鏡的優(yōu)點包括良好的光學質量、所有觀察者的圖像景深明顯,以及優(yōu)越的外科醫(yī)師人體工程學[49]。Yano等[50]報道,22例采用內鏡輔助外視鏡手術,其中微血管減壓術14例,腫瘤切除8例,所有實施微血管減壓術患者的癥狀均消失,腫瘤均全切除。外視鏡屏為4K-3D,內視鏡屏為4K-2D,手術可同時觀察兩種顯示器。由于外視鏡與手術野之間有較大的空間,因此在外視鏡下操作內鏡更安全、更容易。

3D外視鏡是神經外科手術顯微鏡的技術繼承者。目前3D外視鏡在神經外科領域的發(fā)展迅速,近兩年國外已有多項研究報道3D外視鏡的臨床應用,涉及腦腫瘤、腦和脊髓血管病、脊柱疾病、三叉神經痛等疾患,而國內相關研究甚少。3D外視鏡的優(yōu)點包括改進了手術視野放大、分辨率、照明、人體工程學、團隊凝聚力、教學和顯微外科培訓。當然,熟練使用3D外視鏡是需要時間和學習曲線的,特別是對于高級顯微神經外科醫(yī)師。另外佩戴3D眼鏡可能需要適應過程。隨著3D外視鏡技術的不斷完善,機器人、自動化、增強現(xiàn)實和實時神經導航的無縫集成有望實現(xiàn),對未來的神經外科手術將大有裨益。