【2013工博会】复旦研发增强现实神经导航系统 实现“虚”与“实”完美结合的颅内手术“引导员”

作者:张星宇 陶韡烁摄影: 视频: 来源:新闻文化网发布时间:2013-10-28

新闻中心讯 “通过ipad呈现的增强现实神经导航系统就像我们在抗战片中看到的地雷探测器,随着ipad在患者不同身体部位上方的移动,屏幕上也会随之产生出相应的图像,并最终锁定患者颅内肿瘤的具体位置,引导医生实现对肿瘤的‘精确手术’。” 复旦大学数字医学研究中心主任宋志坚教授这样概括他领导团队所开发的增强现实神经导航系统。

在即将举行的2013年中国国际工业博览会上,宋志坚教授将和他的团队展出他们的这一最新研发成果。在数字医学领域,这一成果在国际上尚属首创。

 
神经导航系统产品主机照片

神经导航系统:颅脑手术不可或缺的“引导员”

众所周知,脑肿瘤等脑部疾病严重危及患者生命安全,而颅脑手术是治疗该类疾病的最直接有效的方法,但风险极高、难度极大。颅脑它不仅要求术者将肿瘤完全切除,还要求对重要神经结构进行精确保护、免受损伤。临床实践表明,传统的手术方式很难完全实现这一目标。事实上,目前,约有20%的病例,在颅脑手术后存在肿瘤残留或引发偏瘫、失语等后遗症。

为了解决颅内精确定位、精确手术的问题,医生们急需一位兼具“透视眼”和“放大镜”功能的高超“引导员”,为手术刀精确“制导”,对肿瘤精确“打击”。而神经导航系统,就是基于这种需求逐步发展而来。

神经导航技术,又被称为无框架立体定向导航技术或影像导向外科。是立体定向技术、现代影像学技术、人工智能技术和微创手术技术结合的产物。神经导航系统能对虚拟的数字化影像与神经系统实际解剖结构之间建立起动态关系。换言之,他不仅能金精确扫描和定位神经系统内部的结构和情况,还能将这些数据通过直观、影像的方式在系统的显示器上实时反映给使用人员,建立颅脑内的三维空间定位和术中实时导航功能,从而不间断地给神经外科医生反馈手术过程,从而实现精确引导的目的。

然而,即使当前国际上最先进的神经导航系统,由于核心部件——光学定位仪自身精度很难掌控,导致导航系统存在定位误差,故不能真实反映开颅后病人脑组织形态随时间变化的情况。“人脑是一个活的器官,不像死的野外空间,神经导航不能仅像GPS那样光反映颅脑内的位置信息,还要随时能够反映各种不同功能传导束的位置信息,以及它们和脑功能和脑肿瘤间的相互关系,”宋志坚老师解释,“换言之,神经导航系统还应该是一全方位的用于颅内手术的脑功能监测仪,这样的大信息量才能满足临床需求。”

针对以上的缺陷,宋志坚教授率领其课题组在国家自然科学基金、上海市科委重大科技攻关基金的支持下历经8年艰辛,研制成功的高精度神经外科手术导航系统,并获得了2013年的国家技术发明二等奖。由宋志坚团队开发的系统具备了独特的三大“法宝”:

第一个“法宝”是一个能够对术中脑变形进行实时矫正的系统。该系统基于人脑动态模型,能够对手术中脑变形引起的误差进行实时模拟和矫正,从而使神经导航系统不仅能“定位”还能监控脑形态,从而大幅提高了导航系统的定位精度。第二个“法宝”是发明了一个可以在神经导航系统中准确显示脑白质传导束位置信息及示踪情况的技术,可在导航手术中实时告知医生当前操作是否会对脑白质传导束造成损伤,避免产生不良影响。第三,是宋志坚团队开发的系统具备了针对大范围、多目标的光学动态跟踪技术。这就好比使神经导航这位“引导员”拥有了神奇的“第三只眼”。该技术大幅提升了神经导航关键部件 —— 光学定位仪的跟踪精度与范围,其各项性能指标均优于国际上最先进的同类产品指标,已成为国内外公认的提升光学定位仪精度的有效方法,它为神经导航整体性能的提升奠定了基础。

 

增强现实2.0版神经导航系统:使虚拟图像与真实情况的合一

尽管第一代高精度神经导航系统已经达到国际先进水平,但宋志坚对此并不满足。“由于系统终端设备的设置问题,在传统的神经导航系统(IGNS)中,电脑虚拟图像与患者的真实情况在位置和时间上还是分离的”,宋志坚告诉记者,“这种‘虚’与‘实’的分裂,造成了三个问题:一是进行颅脑手术是,主刀医生被迫要在电脑屏幕与患者之间转头甚至来回跑来跑去以切换视野,从而影响了手术精度;二是固定显示屏的设置容易增加医生的疲劳感,从而增加了手术失误几率;第三延长了手术时间。”

针对这些问题, 宋志坚课题组提出了“增强现实”的概念。“为什么要实现增强现实?因为在第一代神经导航系统中,由电脑生成的虚拟图像与患者的真实图像是分离的。简单来讲,‘增强现实’就是把虚拟图像与真实场景重叠后呈现出来。”然而,这一融合的难题,不仅是摆在宋志坚团队面前的难题,同时也是国际上数字医学领域的共同议题。针对这一难题,国际上大致有两种研究路径:第一种是以德国的研究为代表的头盔显示器式,另外一种是以美国研究为代表的悬吊式显示方案(Slice Image Overlay)。

头盔式显示方案,就是将一个头盔显示器固定在医生头部,并通过前方的半透明屏幕将医生看到的实际场景与电子屏显示的虚拟图像重合起来。但是,头盔式的设计虽然解决了“虚实”分离的问题,不过同样带来新的不便——沉重的头盔又闷又热,这对医生本身就是一个负担。宋志坚团队也曾尝试研发过类似的仪器,不过在临床医生试用中并不受一线医生的欢迎。

而美国学者研发的悬吊式方案似乎更为可行。该方案,在患者脑部上方的悬挂固定一个电子仪器发射光束,在患者身体上的病患部位直接用激光束绘制出虚拟图案(即直接把导航图像打在患者身上)。但是这一方案的负面效用同样明显,“在患者身体表面绘制的图像是二维的,这并不能满足外科手术的需求。同时,悬挂在患者上方的仪器,在一定程度上仍然会干扰医生进行手术。”

有鉴于此,宋志坚团队独辟蹊径,想到了一个现在已经司空见惯的数码产品——平板电脑。最终,宋志坚团队将神经导航系统“移植”到ipad上,开发出了2.0版的增强现实神经导航系统。


图为复旦研发增强现实神经导航系统,能大幅提升颅脑肿瘤手术的成功率。

“平板电脑的摄像头能够将患者的真实图像采集到屏幕上,随后电脑模拟的数字影像会重叠在真实图像表面。当平板电脑在患者的不同部位移动时,外接设备会实时更新位置信息,令屏幕上的数字影像随之而发生改变”宋志坚介绍道。

宋教授打了一个比方,“平板电脑就像一把无形的刀,无论移动到身体的哪个部位,都会将这个区域‘切’开,显示在平板电脑屏幕上,从而可以显示出病患部位的不同的脑部截面图像和相关临床所需的信息。”

 

应用前景广泛:颅脑肿瘤患者迎福音

据悉,宋志坚团队开发出的国产高精度神经外科手术导航系统,已经取得了令人满意的临床效果。至今全国有近40家医院推广应用该系统,并在该系统的协助下,成功实施了包括胶质瘤、脑膜瘤、血管瘤、骨纤维结构不良、齿状突畸形等在内的高难度神经导航手术逾1万例。临床实践证明,该系统可提高脑肿瘤的影像学完全切除率86.7%,降低术后并发症12.1%,这一成果已经使我国神经外科学技术一举跻身于国际先进行列。

而作为2.0版的“增强现实神经导航系统”至今也已有20余例临床试验案例,并获得了良好的手术效果。在谈到未来数字医学的发展趋势时,宋志坚表示“数字医学应用非常广泛,有很好的前景。神经导航是其重要的研究路径之一。增强现实神经导航系统虽然仍处于试验阶段,但我相信它肯定会有非常广泛的临床应用前景,为颅脑肿瘤患者手术治疗、延续生命送去福音。”

制图:实习编辑:责任编辑:

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