【中国声音】头戴式全息混合现实神经导航系统：技术可行性及临床应用 - 脑医汇 - 神外资讯

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2021年08月17日发布 | 3478阅读

【中国声音】头戴式全息混合现实神经导航系统：技术可行性及临床应用

祁子禹

解放军总医院第一医学中心

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李晔

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第一作者：祁子禹

其他作者：李晔，徐兴华，张家墅，李昉晔，干智超，熊若楚，王群，张世宇

通讯作者：陈晓雷

作者单位：解放军总医院第一医学中心神经外科医学部

【Ref：Qi Z, Li Y, Xu X, Zhang J, Li F, Gan Z, Xiong R, Wang Q, Zhang S, Chen X. Holographic mixed-reality neuronavigation with a head-mounted device: technical feasibility and clinical application. Neurosurg Focus. 2021 Aug;51(2):E22. doi: 10.3171/2021.5.FOCUS21175. PMID: 34333462.】

研究背景

神经导航可在术前准确定位病变并确定边界，使手术尽量精准和微创。然而，系统硬件设备常常大而笨重，且配置需要大量的资金投入和高端技术设备，例如红外摄像头、导航工作站等昂贵组件，成本通常超过200万元。此外，术者使用中必须在术区和显示屏之间反复切换视线，并在脑海中做2D图像到3D模型的转换。种种不便限制了商品化标准导航系统的广泛使用，因此急需开发低成本、使用简便的导航技术和设备，例如增强现实导航、混合现实导航，来辅助病变定位。中国人民解放军总医院第一医学中心神经外科的祁子禹和陈晓雷等报道了基于头戴式设备（HoloLens）的全息混合现实神经导航（Mixed-Reality Neuronavigation，MRN），用于颅内病变患者的术前快速定位，并与标准神经导航系统进行对比，证实了该技术的可行性及准确性。其研究结果发表于2021年8月的《Neurosurgical FOCUS》上（Journal of Neurosurgery子刊，影响因子4.047）。同时，该文还被选为8月特色文章（Feature article），由通讯作者录制了视频摘要（Video Abstract），在杂志网站供读者线上浏览（https://vimeo.com/575320559，也可参见下方视频）。

患者一般资料及方法

研究共纳入37例颅内病变患者，病变具有明确的影像学可识别边界，详细资料见表1。所有患者在术前均进行1.25mm层厚CT或1.5T的MRI扫描，扫描前头部粘贴标记物。将患者DICOM数据导入3D Slicer软件，神经外科医生使用个人电脑（PC）进行病变、标记物和头部解剖标志的三维重建。所有虚拟模型以“.obj”格式输出并导入Unity软件，生成与MRN兼容的3D全息模型，并通过自主开发的Unity模块上传至专用服务器。使用另一个自主开发的基于HoloLens的软件（MR Neuron）下载3D全息模型。刚性固定患者头部后，神经外科医生佩戴HoloLens，使用可3D打印的定位工具执行基于基准点的注册，即可观察投射于患者真实头部的全息模型。随后，在患者头皮上分别标出用混合现实导航（MRN）和标准导航（SN）观察到的病灶边界的投影（图1、图2）。通过测量在前、后、内（上）、外（下）4个方向上MRN和SN轮廓之间的距离，评估MRN的准确性（图3）。记录并分析MRN流程所额外耗费的时间，作为临床可行性的评估指标之一。

表1. 37例患者的详细资料及MRN的偏差

图1. MRN的注册组件及使用。A：一次性CT标记物（1）和MR标记物（2），可嵌入标记底座中（3-5）。术前替换为带凹槽的注册底座（6）；B：3D打印的定位工具尖端对准注册凹槽，用于按次序添加注册点；C：虚拟的定位工具图像叠加于真实的工具之上。

图2. 数据后处理过程概述。A：DICOM格式的术前核磁数据；B：3D Slicer软件三维重建病变（绿）、右耳（紫）和注册点（蓝），输出“.obj”模型；C：模型导入Unity软件，转换为HoloLens兼容格式。D-E：HoloLens的可视化效果。

图3. 全息定位过程及与SN比较。A：51岁右枕病变患者；B：扫描前在患者头部粘贴标记物；C：麻醉前在相同位置使用注册底座替换标记物。D：神经外科医生佩戴HoloLens执行MRN注册。E,F：测量病变内侧界（E）和前界（F）的偏差（MRN：绿色全息图；SN：黑色虚线）G,H：SN注册后，术者将导航棒置于病变前界，探针方向平行于正中矢状面，垂直于正中矢状线。I,J：术者将导航棒置于病变内侧界。K,L：SN显示屏上选择“inline 1”模式，导航棒（绿色实线）垂直于头部表面，延长线相切于病变前界（K）和后界（L）。M,N：SN显示屏上选择“inline 2”模式，导航棒（绿色实线）垂直于头部表面，延长线相切于病变内侧界（M）和外侧界（N）。

研究结果

2名神经外科医生顺利完成37例MRN。整个流程的平均额外时间为36.3±6.3分钟，其中MRN注册的平均时间为 2.6±0.9分钟。总耗时随着病例数的增加而呈缩短趋势。与SN定位相比，总体中位偏移量大小为4.1mm（四分位距3.0-4.7），其中81.1%的病例MRN定位与SN定位具有高度一致性（偏差<5.0mm）。偏移量大小在仰卧位（3.7±1.1mm）和俯卧位（5.4±0.9mm）之间的差异具有显著性（p=0.001）。偏移量大小与病变体积（p=0.126）或深度（p=0.128）无关。2名医生之间的额外操作时间差异不具有显著性。（37.4±4.8与34.6±4.8分钟，p=0.237）偏移量大小的差异不具有显著性（3.7±1.0与4.6±1.5mm，p=0.070）（图4、图5）。典型病例见图6。

图4. 偏移量大小。A：37例患者偏移量大小的散点图，阴影标出第1,3四分位数；B：病变体积（x）和患者偏移量大小（y）的散点图；C：病变至脑表面距离（x）和患者偏移量大小（y）的散点图。

图5. 基于点全息注册系统的学习曲线。A,B：医生A和医生B注册额外耗时与病例序号的二次回归分析。

图6. 典型病例。A：66岁双枕病变患者的轴位MR图像；B：术前MRN注册全息图像于患者头部；C：硬膜切开后暴露病变；D.HoloLens下全息模型叠加后的视觉效果。

讨论

注册过程是MRN定位的关键步骤，通过开发的半自动配准程序，只需要一个简易3D打印的定位工具即可实现基于基准点的注册，与手动拖拽放置全息模型的注册方法相比，该方法具有减少人为操作误差的潜在优势，术者无需从各个角度调整模型的位置。与SN相比，MRN不受红外摄像机的束缚，也无需笨重的工作站等硬件系统，硬件成本价格低廉。经过简化，MRN系统使用便捷，术者可以通过手势或语音控制设备，而无需其他成员控制工作站。此外，MRN系统提供了全息叠加显示的视觉体验，术者视线无需离开患者，即可直观了解目标病灶的位置和形状。其他团队成员可以通过局域网收看Hololens使用者的实时视图，也有助于教学培训。

局限性

MRN系统工作流程可能具有以下局限：第一，HoloLens空间追踪及全息显示的误差可能会导致全息模型的微小漂移，影响系统精度。理论上术者从执行注册的方位观察时误差最小。第二，全息模型可能阻碍术者到术区的视线，引起注意力分散或不适感。术者需要调整显示亮度及不透明度，以清楚地看到全息模型和患者。第三，借助免费开源软件3D-Slicer的模型三维重建为整个工作流程主要的耗时步骤。事实上，我国已有相当数量的神经外科医生关注并能熟练使用3D-Slicer软件。随着流程的进一步简化，MRN系统将更容易使用。

结论

研究提供了完整的基于头戴式设备的混合现实神经导航系统的工作流程，证明了其技术可行性和准确性。

（中国人民解放军总医院第一医学中心神经外科徐兴华博士编译，陈晓雷教授审校）

GUIDE

通讯作者简介

陈晓雷教授

中国人民解放军总医院

解放军总医院神经外科医学部副主任

解放军总医院神经外科主任医师，教授

北京医学会神经外科学分会第六届青年委员会副主任委员

中国医师协会内镜分会神经内镜专业委员会委员

中国医师协会脑胶质瘤专业委员会委员

中国医师协会神经修复专业委员会委员

从事神经外科临床工作25年，有丰富的临床经验。擅长术中磁共振和多模态神经导航下的脑重要功能区手术以及神经内窥镜手术。2009年在国内率先开展高场强术中磁共振和多模态神经导航的临床工作，所带领团队是该方面国内手术数量最多，经验最丰富的小组。2004年自德国归国后，积极开展了神经内镜手术。2008年在国内较早地开发了高血压脑出血神经内镜治疗的完整临床工作流程，并研发了相应的器械（获国家发明专利及医疗器械注册证，已在国内200余家医院临床常规使用）和定位技术

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