增强现实导航在颅内活检和脑室外引流中的应用

数字神经外科学包括神经外科有限元分析、神经影像后处理、神经外科数字解剖(三维重建)、神经外科虚拟仿真手术、神经外科快速成型技术、神经外科逆向工程技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术、术前规划、计算机辅助神经外科导航手术、神经外科远程手术及神经外科机器人手术等。

在这项研究中，我们提出并评估了用于颅内活检和EVD植入的ARSN系统。本研究的目的是测量ARSN系统与目标或计划路径的偏差（以毫米为单位）的技术精度。该篇文章发表于《NEUROSURGICAL FOCUS》。

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增强现实导航在颅内活检和脑室外引流中的应用

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Simon Skyrman, MD,Marco Lai, MSc,Erik Edstr?m, MD, PhD,Gustav Burstr?m, MD, PhD,Petter F?rander, MD, PhD,Robert Homan, BSc,Flip Kor, MSc,Ronald Holthuizen, MSc,Benno H. W. Hendriks, PhD, Oscar Persson, MD, PhD,and Adrian Elmi-Terander, MD, PhD

关键词

手术导航· 图像引导手术·增强现实·脑活组织检查·脑室外引流

背景

在现代神经外科中，手术导航在提高准确性和减少侵袭性方面发挥了重要作用，被认为是各种神经外科手术的标准操作。在颅内肿瘤手术中，导航的使用可以降低并发症发生率，最大限度地切除肿瘤，改善患者预后。与基于框架的立体定向技术相比，无框架颅内活检术已被用于改善患者的舒适度和临床工作流程。

在过去的十年中，增强现实（AR）已经成为外科导航领域一项有前景的重大技术进步。AR已成功应用于多种类型的神经外科手术，包括基于框架的颅内活检。AR可以定义为计算机生成的视觉信息在真实世界上的叠加。通过将解剖对象作为三维虚拟模型叠加在手术视野上，可以实时显示手术目标或危险器官。导航数据可以直接投影显示在手术视野上，可以显示在单独的屏幕上，也可以显示在头戴式显示器（HMD）上。

然而，最近对AR技术的回顾表明，大多数文献都关注在基于显微镜的AR系统。理想的AR导航系统应避免复杂耗时的设置和注册，易于使用，并且在外科手术需要时具有独立于显微镜的AR显示。它还应该具有可视化和增强解剖效果，同时不会分散外科医生的注意力或导致手术区域模糊。最后，该系统必须精确，并提供通过术中成像确认结果的可能性。

为了满足这些要求，我们对一种新型AR手术导航（ARSN）系统进行了改造和评估。该系统已成功应用于脊柱手术，并正在开发用于颅底内镜手术的应用程序。ARSN系统依靠术中CT（CBCT）和实时视频系统，结合术中放置的皮肤标记物进行注册和追踪。增强视频信息显示在单独的显示器上。作为将该系统应用于神经外科的第一步，已经开发了用于颅内活检和脑室外引流（EVD）的AR导航应用程序。这些是常见的、高度标准化的神经外科手术，对精确度要求很高，因此适合于评估导航系统的性能。

在这项研究中，我们提出并评估了用于颅内活检和EVD植入的ARSN系统。本研究的目的是测量ARSN系统与目标或计划路径的偏差（以毫米为单位）的技术精度。此外，从成功植入导管的时间和手术流程方面评估了这些手术的AR导航概念。

研究方法

ARSN系统

本研究中使用的ARSN系统已在前面介绍过。这是一个基于杂交手术室的导航系统，天花板上安装了机器人C形臂（飞利浦医疗保健公司Allura FlexMove），具有术中CBCT功能（图1A）。

图1.A.基于杂交手术室的ARSN系统，天花板上安装的机器人C臂，用于CBCT采集和注册。带有4个光学摄像机的OTS嵌入C形臂的平板探测器中，用于仪器和患者的光学跟踪。注册完成后，可以移除C形臂，在手术过程中将跟踪切换到一台式OTS。B：3D打印颅骨模型和真实的胶质脑模型，包括充气的脑室和2mm球形活检靶。C：用于活检和EVD植入的针。圆柱形光学元件由黑白相间条纹组成的标记附着在针头的近端，以便于追踪仪器。

活检和EVD植入

所有植入操作均由一名具有10年神经外科经验的高年资神经外科医生完成。头骨模型用Mayfield头架固定。用于光学跟踪的扁平粘性皮肤标记附着在颅骨和头架上。CBCT用于注册和规划。使用ARSN系统的专有软件，将胶质脑模型中直径为2mm的轴承球指定为靶点，并规划活检路径。一根188mm长、直径1.5mm的锋利不锈钢活检针被追踪到3D导航系中。为了实现光学跟踪，在针头近端周围安装了一个长30mm、直径5mm的圆柱形光学标记，由5mm黑白相间的条纹组成，并用导航系统进行校准（图1C）。使用标准的手持式外科骨钻在颅骨模型上钻一个直径为3mm的孔。钻孔的入口点和角度，以及针的穿刺过程由ARSN系统识别引导（图2A）。

图2.A.在颅骨模型钻孔期间，ARSN系统显示的屏幕截图。在计划路径的轴线（左上）上显示靶心视图，以及轴面、冠状面和矢状面的增强图像，以在手术过程中指导外科医生。在本例中，目标位于患者右侧颅底部。B:ARSN监视器屏幕截图，显示EVD在脑模型的脑系统中处于良好位置。EVD导管沿着计划路径，角度偏差最小，位于同侧侧脑室额角内，其尖端位于Monro孔区。

研究结果

模拟活检（n=30）的中位准确度为0.8mm（范围0.1–1.6mm；平均值0.8±0.43mm），如图3A中的方框图所示。沿计划路径穿刺的平均导航时间为149s（范围87-233s）。平均路径长度为39mm（范围16-105mm），与准确度无关（p=0.15）（图3B）。EVD植入（n=10）的中位精度为2.8mm（范围2.0-4.5mm；平均2.9mm±0.8mm），尖端角度偏差为0.7°±0.5°。EVD植入的结果如图4所示。所有EVD的脑室内位置良好（图2B），导航时间中位数为188s（范围135-400s）。

图3.箱形图显示AR引导活检程序的准确性（n=30）。目标误差定义为从活检针尖到活检目标中心的距离，单位为mm，活检目标是一个2mm的钢制轴承球。B：散点图，每个活检靶点误差（y轴）作为路径长度（x轴）的函数，结果显示两个参数之间没有相关性（p=0.15）。

图4.A：表示EVD放置精度的箱形图，定义为从计划路径末端到插入针尖的距离，在插入后的CBCT图像上测量。B：展示EVD的箱形图放置精度定义为与预先计划的角度偏差EVD路径以度为单位。角度误差，定义为穿刺针的预定义路径和对称轴，在穿刺平面上测量。

研究结论

讨论

精准度

在这项研究中，我们介绍了一种用于颅内活检和EVD植入的ARSN系统。该系统在一个颅骨模型和一个真实的凝胶状大脑模型上进行了测试。模拟颅内活检的精确度达到亚毫米级，EVD也被验证与计划路径的差异不大。本研究中获得的平均精度为0.8mm，与之前描述的无框架立体定向装置的结果相当（表1）。EVD植入的准确度稍低（2.9mm），这可能是因为脑室内靶区的定义不如轴承球清晰。在临床中，活检需要亚毫米精度，而EVD植入的耐受性要大得多。

ARSN设置的优点

该系统是基于杂交手术室的使用方案，可提供多种好处。在天花板安装的C形臂中集成摄像头简化了注册过程。完成初始CBCT扫描后，患者将自动重新注册。与其他无框架技术相比，ARSN系统对于深部病变可能具有优势，因为依赖于解剖表面结构注册的导航系统可能会随着与面部距离的增加而降低精确度。这种现象可能是由基于表面共配准中的小角度误差导致，这将导致目标距离共配准表面越远，绝对误差越大。另一方面，ARSN系统使用的基于CBCT的注册协议具有均匀分布的精度，与目标深度或头部固定无关（图3B）。

此外，虽然ARSN系统的术中CBCT功能用于患者成像和共注册，但如果需要，它还可以为外科医生提供完全更新的术中图像。可进行对比增强的CBCT检查可在活检后立即定位和排除术后早期出血。这种术后早期CBCT可以替代其他术后放射学检查，使手术更加有效。一个CBCT的平均辐射剂量为大约50%（1mSv）的标准诊断性CT扫描（2mSv）。因此，即使进行两次CBCT检查以进行计划和验证，总辐射剂量也不会超过一次常规术后诊断性CT扫描。此外，术中使用CBCT有可能补偿大脑移位造成的误差，以解决当前导航系统的主要限制问题。

无框架立体定向技术

立体定向活检可以在清醒或轻度镇静的患者中使用局部麻醉进行，避免了有合并症患者接受全身麻醉的风险，并缩短手术时间。然而，目前的解决方案需要将头部固定在立体定向框架中，即便使用局部麻醉剂，这也可能是一个痛苦的过程。在这项研究中，头骨模型用头架固定在手术台上。然而，ARSN系统不依赖头部的刚性固定，因为系统的摄像机可实时追踪患者的位置，并补偿患者的运动。在不牺牲准确性的情况下减少患者的不适感，缩短手术时间，这可能是ARSN系统的潜在优势。

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