摘要
背景 对于脑出血患者，微创颅内引流管置入是一种常见的神经外科急诊手术。本研究旨在回顾性分析常规徒手床旁穿刺置管的准确性，并在体模中前瞻性比较增强/混合现实引导、立体定向引导以及徒手穿刺三种技术的准确性。
方法 在一项单中心回顾性分析中，我们通过术后CT影像的视觉评估，评价了73例连续脑出血病例的引流管放置准确性。在一个模拟深部脑出血的头部模型中，五位神经外科医生分别使用立体定向、增强现实和徒手技术各进行了四次穿刺。比较了三种方法的针尖到目标点的欧几里得距离以及在目标点水平上实际轨迹与预定轨迹的横向偏差。
结果 临床病例分析显示，仅有46/73例（63%）的引流管位置达到最优。23/73例（32%）需要调整引流管位置。在体模研究中，增强现实引导的准确性显著高于徒手方法（欧几里得距离和横向距离的P值均<0.001）。使用增强现实时的欧几里得距离（中位数3毫米）与使用立体定向时（中位数1.95毫米）非常接近（P=0.023）。
结论 本研究表明，徒手穿刺技术的准确性较低，且术后常需调整引流管位置。在体模模型中，增强现实引导的引流管放置精度显著高于徒手方法。增强现实技术具有在床旁环境中提高急诊颅内穿刺精度的巨大潜力。
关于本主题的已知信息
增强现实正越来越多地被用于自由手床旁干预的研究。目前关于脑出血治疗的研究表明，及时的微创引流是有益的。
本研究的新发现
本研究证明了增强现实引导下引流管放置的高精度。为此，我们在一个体模模型中系统地进行了一项研究，并将其与立体定向和基于标志点的徒手方法进行了比较。
本研究可能如何影响研究、实践或政策
这些结果为将增强现实应用于临床实践提供了基础，不仅可用于精确和及时的深部脑出血引流，还可用于其他应用，例如脑室外引流。
引言
在临床神经外科中，急性颅内引流管置入对于多种情况都是必要的。自发性脑出血是引流的常见适应症，通常考虑用于血肿体积>30毫升的患者。虽然自发性脑出血的开颅手术清除未能显示出临床获益，但近期的研究表明，一些患者可能从及时和精准的微创血肿清除术中获益，例如“MISTIE手术”。
目前有多种微创技术用于颅内引流管置入，其中“高精度”手术可以与传统徒手引流区分开来。高精度手术包括目前的“金标准”——立体定向引导引流，这需要使用立体定向框架，随后进行影像采集并选择合适的轨迹。其他技术包括内窥镜血肿引流术和术中影像引导手术，这些通常在手术室环境中进行，显著增加了手术时间和成本。相比之下，目前的徒手床旁引流技术使用颅骨表面标志，如鼻根、冠状缝和外耳道。非手术室手术可以节省时间，但精度可能较低。改善床旁手术精度的尝试还包括使用超声引导；然而，据我们所知，目前尚缺乏在前瞻性环境中证明精度提高的数据。此外，血管造影平板探测器或CT引导也已显示出能提高准确性，并能在引流管置入后立即进行影像检查确认位置。据我们所知，关于床旁颅内穿刺手术准确性的数据很少。在一项对346名接受床旁脑室造口术患者的回顾性研究中，脑室外引流管放置被评为最优的占77%，出血并发症发生率为5%。
因此，我们回顾性分析了本中心对幕上脑出血患者进行的床旁徒手穿刺后引流管位置的数据。随着增强现实/混合现实技术的出现，新的应用正在涌现，在这些应用中，各向同性影像数据集可以与患者或模拟患者模型叠加，并用于指导手术。最近的硬件产品，如Magic Leap 1，易于携带，并且能够实时传输高分辨率影像数据集。与徒手基于标志点的方法相比，增强现实引导可用于更精确地执行三叉神经节射频热凝术。这些技术将更高的准确性与在“床旁手术环境”中使用的可行性结合起来，且时间花费合理。然而，这些方法尚未获准用于临床，因为其在临床环境中的精度和适用性需要进一步研究。由于这些新技术在颅内穿刺中的应用尚未得到充分测试，我们的研究旨在使用一个真实的颅骨模型，在模拟深部脑出血中，比较增强现实引导引流与临床既定技术（立体定向和徒手引流）的准确性。
方法
脑出血引流管位置的临床研究 在一项对2010年1月至2012年12月期间（36个月）一家三级转诊中心患者数据的回顾性分析中，我们识别出所有接受徒手引流管置入并进行了术后CT检查的幕上脑出血患者。由一名认证神经放射科医生根据以下标准对引流管位置进行分类：引流管尖端完全位于高密度血肿成分内；引流管尖端位于血肿边缘；引流管尖端位于血肿区域外；引流管尖端穿过血肿区域但突出到邻近脑实质。此外，在病例层面评估了需要调整引流管的次数。
体模研究：比较立体定向、增强现实和徒手技术 我们使用一个X射线致密的骨骼颅骨模型和一个模拟的深部脑出血模型构建了一个头部模型。血肿模型是一个手术手套，内填充浸泡在稀释后的造影剂中的海绵，中心放置了一个铁片作为目标点。对模型进行了CT扫描。将DICOM图像传输至神经外科规划工作站，由一名经验丰富的功能神经外科医生确定最佳引流管放置轨迹，并将其叠加到3D数据集中。然后将包含最佳轨迹的3D模型传输至增强现实头显。出于实用原因并保持模型完整性，我们进行了大面积右额开颅术，而不是钻取单个骨孔。五名接受过立体定向神经外科训练的神经外科医生独立地使用立体定向、增强现实和徒手方法各进行了四次穿刺。立体定向手术使用Leksell G型框架和立体定向弧进行。对于增强现实，将模型的3D数字全息投影手动与颅骨模型对齐。一旦充分对齐，操作者尝试复制叠加的虚拟轨迹，以放置临床上常规使用的硅胶引流管。徒手穿刺是使用术前的3D各向同性扫描在影像存储与传输系统多平面重建插件中规划的。穿刺点根据从鼻根开始的体表距离、目标点与中线的横向偏差以及穿刺深度确定。外耳道被用作体表标志来确定中线并估计穿刺角度。每次引流管放置后，进行CT扫描以记录针尖位置和轨迹。为了消除学习效应和习惯化，手术技术的顺序是随机化的。每次针尖放置后的CT图像被传输至规划工作站，分析针尖到达位置与目标点之间的欧几里得距离，以及在目标点水平上实际轨迹与最佳轨迹之间的横向偏差。临床研究遵循1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修正案，并获得了当地伦理委员会的批准。体模试验无需伦理批准。
统计学 使用Shapiro-Wilk检验正态分布。非参数值以中位数和四分位距表示。使用重复测量的非参数方差分析和Durbin-Conover成对比较检验，比较立体定向、增强现实和徒手引流管放置的欧几里得距离和横向距离。所有统计分析均使用R统计软件4.0版进行。箱线图使用CRAN.R包计算。
结果
脑出血引流管位置的回顾性临床数据 在36个月内，71名患者发生了73次幕上脑出血并需要引流。在这些病例中，术后引流管位置被评为最优的占46/73例，边缘占23/73例，位于出血区域外的占4/73例。值得注意的是，有31/73例的引流管尖端最初超出了出血区域。总共有23/73例需要调整引流管位置，其中两例需要不止一次修正。但影像学上未发现超出出血量的出血性并发症。
体模研究：比较立体定向、增强现实和徒手技术 在欧几里得距离和横向偏差方面，三组之间存在总体差异。成对比较显示，增强现实引导的欧几里得距离显著低于徒手技术。同样，增强现实引导的横向偏差也显著低于徒手技术。作为金标准的立体定向，其精度最高，中位欧几里得距离为2.0毫米，中位横向偏差为0.9毫米。一次穿刺的最大欧几里得偏差为23.5毫米，最大横向偏差为18.2毫米，均来自徒手技术。描述性数值见表1，分布见图2。
表1 使用立体定向引导、增强现实引导和徒手技术时的欧几里得距离和横向偏差的描述性数值
图2 使用立体定向引导、增强现实引导和徒手技术时，测量到目标点的欧几里得距离和在目标点水平上实际轨迹与预定轨迹的横向偏差所达到的技术精度。
讨论
现有文献表明，自发性幕上脑出血患者可能受益于微创血肿引流；然而，需要更多数据来评估早期微创引流的效果。即使在初级医疗中心，当前的微创技术如立体定向、神经导航或内窥镜技术也并非24/7随时可用。相反，我们机构对73例幕上脑出血的回溯性分析表明，常见的床旁穿刺技术可能不准确，需要调整引流管位置。因此，我们认为需要一种易得且易于操作的技术，以便进行精确的导管置入。
我们的数据还显示，边缘引流管位置比异位位置更常见，我们推测调整也是出于功能原因。然而，引流管尖端在引流管轴向上超出血肿体积的情况也很常见。这些数据与Kakarla等人的床旁脑室造口术研究结果相似。
根据我们在逼真的体模模型中的结果，与传统床旁技术相比，增强现实提高了精度。在几乎所有穿刺中，我们实现了小于1厘米的精度，并且在20例中有15例甚至小于5毫米，而对于大多数常规穿刺则未达到。实际上，增强现实辅助的引流管放置精度非常接近立体定向引导。这种优越的精度能否转化为临床获益，以及能在多大程度上获益，仍有待解答。然而，提高脑出血床旁穿刺精度的必要性也可以通过以下考虑来支持：如果按照当前指南，考虑对体积≥30毫升的血肿进行引流，假设为球形，这将对应1.93厘米的半径。在非常规球形的日常临床病例中，期望更高的精度。
在我们的研究中，增强现实穿刺之前进行了基于视觉的配准。我们预计很快会有进一步改进，可能包括半自动表面配准，这不仅可能导致更快的穿刺，而且精度更高。作为一种模拟未来临床场景的展望，所应用的实验设置示例性地转移到了重症监护室中的模拟穿刺。在床旁环境中的应用将主要具有更快的可行性和潜在减少昂贵手术室使用的优势。这就是为什么一些中心将其作为床旁手术的原因。
先前的研究表明，自发性幕上脑出血的血肿清除有可能改善3至12个月的功能预后和死亡率。在这方面，早期引流管置入，最好使用微创技术，似乎最有希望。在MISTIE III试验中，手术治疗在症状出现后平均58.3小时开始，首次阿替普酶给药的平均时间为72.6小时，治疗完成平均时间为123小时。这一情况与研究设计有关，也与先前关于早期清除时再出血率增加的证据有关。然而，在MISTIE III中，血肿体积的减少与改善临床结局的可能性更高相关。未来的研究一方面应考虑基于当前证据的再出血潜在风险，另一方面应旨在实现早期、微创的引流管置入，并实现有意义的血肿体积减少。
我们的研究存在局限性。遗憾的是，许多中心在床旁用于脑室穿刺等的便携式无框架导航技术，并未包含在我们的研究中。未来有必要将这些技术与混合现实应用进行比较，特别是在可达成的精度方面。我们使用的体模模型经过了优化，可以一次进行多次不同方式的穿刺。所使用的模型是逼真的，因为大脑软组织由凡士林模拟，从外科医生的角度来看，创造了一种真实的穿刺手感。此外，凡士林相较于琼脂等材料，其优点是先前穿刺通道会完全自发闭合，或在轻微重塑后闭合，之后在视觉和触觉上都不可察觉。然而，由于颅骨材料对多次穿刺的稳定性有限，以及可能受到先前穿刺的偏倚，没有进行单个骨孔开颅。所使用的模型未考虑在钻取单个骨孔时可能发生的潜在误差。未来，可以通过为每次穿刺使用新的骨瓣来改进此模型，以纳入钻取骨孔的潜在误差。不过，所使用的影像数据可以被认为是真实的。此外，仅使用了一种纹状体出血模型；尽管如此，这可以被认为是临床常规中一个常见且逼真的场景。
需要更精确、易于获得的微创技术来引流脑出血。与传统技术相比，增强现实技术将更高的颅骨穿刺精度与床旁环境中的适用性相结合，因此具有巨大的未来潜力，可以在大多数情况下取代高精度但资源密集型的术中技术。此外，增强现实还有令人感兴趣的应用潜力，例如在侧脑室狭窄患者的EVD置入、疼痛治疗手术的应用或开颅手术的规划，以及在脑肿瘤手术中，这些可能使该技术成为神经外科的多功能工具。
结论
根据我们的临床分析，用于脑出血引流的徒手床旁穿刺技术是不准确的。在一项关于深部脑出血的模拟研究中，增强现实可以显著提高引流管放置的准确性，并且几乎达到了更繁琐的立体定向手术的精度。增强现实技术有望即使在床旁环境中也能精确执行颅内穿刺。
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