基于智能手机相机双重曝光功能的增强现实技术在老年幕上脑出血引流术前穿刺路径规划中的应用

高海晓 张卫民 张兰 库洪彬 张向辉 周西广 薛振生 贾云飞

脑出血是一种老年人群常见的急性卒中类型,具有病残率和病死率较高的特点[1]。随着医学技术和理念的不断进步,国内指南对于中小量脑出血更加推荐应用引流术等微创术式治疗[2]。由于引流手术术中无法在直视下修正手术路径,因此,只有术前精准的规划手术路径,术中确保真实路径与规划路径完全吻合才能保证手术成功[3]。近年来,在医学科学和全息数字影像技术深度融合的浪潮推动下,许多神经外科医师将增强现实(augmented reality, AR)等全息数字影像技术应用于脑组织深部病变微创手术的路径规划中,明显提高了手术的精准度,取得了良好的手术效果[4]。但是,由于目前大部分AR技术在临床应用过程中,需要一整套复杂的抓取临床影像数据并建立3D模型的软件,以及昂贵的将模型投照到术野的医疗装备,严重限制了其广泛应用。为了给广大基层神经外科医师提供一种便捷的脑出血引流术前手术路径规划方法,本研究对基于智能手机相机双重曝光功能的AR技术辅助脑出血引流术前手术路径规划的方法进行了探讨,报道如下。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选取2020年2月至2023年2月我院收治的152例老年高血压脑出血病人进行回顾性分析,病人年龄60～87岁,平均(67.1±5.3)岁;其中男83例,女69例。纳入标准:(1)年龄≥60岁;(2)血肿位于幕上脑实质内,血肿量20～50 mL;(3)术前行颅脑CT血管造影(CTA)检查,在CTA原图上“点征”呈阴性,经评估引流术后再出血风险低,且除外血管畸形及颅内动脉瘤出血[5];(4)病人知情同意后选择AR辅助或立体定向仪辅助血肿引流手术。排除标准:(1)凝血功能明显异常,有手术禁忌证;(2)脏器功能衰竭终末期,经评估不能因手术获益;(3)出血原因为脑梗死后出血转化、抗凝治疗、肿瘤卒中;(4)既往有影响术后神经功能评估的脑卒中病史。

将应用AR技术辅助路径规划脑内血肿引流术的78例病人纳入研究组,应用立体定向仪辅助路径规划的74例病人纳入对照组。

本研究符合2013年修订的《赫尔辛基宣言》伦理学要求,并已通过医院伦理委员会审核(批号:2022-KY-04)。

1.2 研究方法

1.2.1 研究组:给予病人基于智能手机相机双重曝光功能的AR技术辅助路径规划脑内血肿引流术。术前先于病人颅脑CT片上选择血肿面积最大的矢状位像层面,测量此层面距离中线垂直距离x,以血肿中心为预设靶点,规划无功能区及大血管自额部至靶点的穿刺路径A线并标识,同时测量此路径上穿刺点至靶点的距离y,完成路径规划。然后在智能手机上调出双重曝光模式,拍摄已规划好穿刺路径的矢状位CT片作为图片模型(图1A)。病人仰卧位,在头部额顶枕部皮肤标记中线,并在血肿侧距离中线x处标记中线的平行线B(图1B),此线即为通过预设穿刺路径的矢状位影像在头颅表面的投影线,穿刺点也将在该线上。调整病人头部为侧位,出血侧朝上,保持中线与床面平行,俯拍手机支架固定手机,在手机双重曝光模式下调用第一次曝光拍摄的图片,此时手机显示屏上将同时出现调用的CT图片及病人的真实头颅侧位影像,在手机监视下将两者相叠加,调整手机与病人头部距离及角度,直至手机屏幕上调用的CT图片中头皮轮廓线与病人实际头颅标记的B线完全重合,完成图像注册。在手机监视下,在病人头皮上用直尺标记穿刺路径规划A线在头皮上的投影位置(图1C)。沿直尺边缘在病人头皮画出路径规划A线的投影线,并延长与B线相交,此交点即为穿刺点(图1D)。病人改为仰卧位,局麻后切开头皮,颅骨钻孔,穿刺针刺破硬膜,应用带硬芯引流管按标记的路径方向且在矢状位面内平行B线进行穿刺,按术前测定的y深度将引流管置入靶点(图1E),抽吸血肿,完成引流手术。术后复查引流管位置准确,血肿清除满意(图1F)。

A:在距离中线x的矢状位片上规划穿刺路径A线并标识,同时测量此路径上穿刺点至靶点的距离y。B:病人仰卧位在头部额顶枕部标记中线,并在血肿侧额顶枕部距离中线x处标记中线的平行线B。C:在手机监视下,调整病人CT图片中头皮轮廓线与病人实际头颅标记的B线完全重合,在病人头部皮肤上用直尺标记预先规划的穿刺路径线。D:延直尺边缘在病人头皮画出规划的穿刺路径线的投影并延长,与B线相交,此交点即为穿刺点。E:应用带硬芯引流管按标记的路径方向且在矢状位面内平行B线进行穿刺,按术前测定的y深度将引流管置入靶点。F:术后复查的矢状位CT,可见血肿清除彻底。

1.2.2 对照组:在立体定向仪辅助路径规划下行血肿引流术。术中先应用头架螺钉将立体定向仪头架固定于颅骨外板,并在头架上安装测量板,然后将病人送至CT室,进行CT扫描,在轴位像上以血肿最大层面的中心为穿刺靶点,测量血肿相对于头架的空间坐标。病人返回手术室,按测量坐标设定定向仪适配器参数,调整适配器头弓角度,将穿刺点标定于额部,局麻后钻孔,将引流管送至靶点,抽吸血肿,完成引流手术。

2组病人术后根据情况必要时给予尿激酶血肿腔注入,促进残余血凝块溶解引流,并根据情况拔除头部引流管。拔除头部引流管指征:残余血肿量<15 mL[6]或头部带管时间已满72 h[7]。

1.3 观察与评价

1.3.1 路径规划时间:研究组路径规划时间为颅脑CT扫描时间(因为颅脑CT扫描为路径规划获取数据的步骤之一)加上应用AR技术完成路径规划并确定穿刺点位置、方向、深度的时间。对照组路径规划时间为从安装立体定向仪头架,至CT扫描获取靶点空间坐标,并通过适配器确定头皮穿刺点位置、方向、深度的时间。

1.3.2 血肿清除率:测量拔除引流管前颅脑CT片所示的残余血肿量,血肿清除率=[(术前血肿量-残余血肿量)/术前血肿量]×100%。

1.3.3 治疗有效率:2组病人均于术后90 d再次评估Barthel指数(Barthel Index, BI)以评价术后生活自理能力恢复情况,与术前比较,BI增加20分以上定义为治疗有效[8]。治疗有效率=(治疗有效例数/本组病人总例数)×100%。

1.3.4 神经功能评估:术后90 d时根据改良Rankin量表(modified Rankin scale, mRS)进行神经功能预后评估,mRS评分1～3分定义为预后良好,4～5分定义为预后不良[9]。

2 结果

2.1 2组基线资料比较 2组性别、年龄、出血量及昏迷量表评分等基线资料比较,差异均无统计学意义(P>0.05),见表1。

表1 2组基线资料比较

2.2 2组路径规划时间及手术效果比较 研究组路径规划时间和对照组比较,差异有统计学意义(P<0.05)。研究组和对照组血肿清除率、带引流管时间、治疗有效率、预后良好率等比较,差异无统计学意义(P>0.05),见表2。2组病人均无术后再出血、颅内感染、死亡病例。

表2 2组路径规划时间及手术效果比较

3 讨论

目前随着神经外科手术理念和技术的不断发展,老年脑内血肿的外科治疗微创化的趋势更加明显,多中心的对照研究表明,血肿引流术等微创手术较传统开颅手术有更好的治疗效果[10-12]。为了进一步提升手术的精准度,各种全息数字化影像技术被应用于术前路径规划中,应用比较成熟的主要有3D-slicer软件联合Sina软件[13]、混合现实技术[14](mixed reality, MR)和3D打印手术导板[15]等。应用上述这些数字影像技术进行路径规划,需要复杂的软件建模流程和昂贵的投照装备,仅少数高级神经外科中心可顺利开展,其应用受到极大限制。广大基层医院尚缺乏一种便捷、准确且无需专业软件和医疗装备的术前手术路径规划的工具。

我们通过病例资料的回顾性分析发现,基于智能手机相机双重曝光功能的AR技术是解决这种难题的新思路。AR技术是一种将计算机生成的虚拟模型显示到现实物体上,并与现实的物体实时比对,以增强对现实物体认知的全息数字化成像技术[16]。本研究应用智能手机相机的双重曝光功能,拍摄已标记好规划路径的头颅矢状位CT片,无需抓取数据建立3D模型,直接将此二维图片作为模型,通过双重曝光模式与病人真实的头颅侧位注册匹配后比对,将规划好的路径标识在病人真实头颅表面。这种以二维图片模型进行路径规划的方法与其他应用全息数字化成像技术路径规划比较,仅需颅脑CT平扫即可,对原始影像数据无特殊要求,省略了建立3D模型的复杂流程,且无需专业医疗装备进行投照,其应用极其便捷。本研究中,研究组路径规划时间明显低于应用立体定向仪的对照组(P<0.05)。2组手术效果和病人预后无明显差异(P>0.05)。这种路径规划方法对提升广大基层医院脑出血手术治疗水平将产生有益的影响。

应用这种简化AR技术进行脑出血引流术术前路径规划的适应证为:(1)无活动性颅内出血者。(2)中等量(20～50 mL)伴有神经功能缺损的幕上脑出血,且未发生脑积水及脑疝者,不包括硬膜下、硬膜外及颞叶皮层内薄层血肿(这些部位血肿因颅骨曲度较大,不适合本研究应用的方法穿刺)。上述适应证尽管有一定的局限性,但适合手术的部位涵盖了临床常见的大多数脑出血部位,故可满足大多数临床需要。

本研究所应用的技术由于无法在手术过程中进行模型与现实的实时交互,存在着不能实时修正穿刺路径的问题,因此在实施应用手机相机双重曝光功能将二维图片模型与病人头部真实影像注册匹配环节中,应使用手机支架固定手机,避免单纯手持手机导致图片晃动增加注册匹配难度,同时应保证CT图片中头皮轮廓线与注册标志线(文中所命名的B线)完全重合,以完成精准注册匹配。这样就能将术前规划的路径准确标识于头部体表,且在手术操作时,严格按病人头部体表所标识的角度和深度进行穿刺,确保实际穿刺路径与术前规划完全吻合,保证手术的精准性。