2022年Neurosurgery focus杂志发表普及型低成本的定位神经外科机器人探索性研究-使用3D打印方式。本次研究主要针对脑室外引流定位这一术式，论文同时分析了通过精准定位技术提高最有可能先受益的国家和地区。
摘要
中低收入国家的紧急神经外科治疗面临着神经外科人员和基础设施的明显短缺。在创伤性脑损伤 (TBI)、脑积水和蛛网膜下腔出血的情况下，及时放置脑室外引流管 (EVD) 很大程度上决定了预后，并且可以在转移到可以进行神经外科手术的更高级别的治疗中心之前提供必要的稳定。因此，作者开发了一种廉价且便携式的机器人导航工具，允许没有接受过明确神经外科培训的外科医生放置 EVD。在本文中，作者旨在强调神经外科治疗中的收入差距，评估世界各地 CT的获取情况，并介绍一种用于 EVD 放置的新颖、廉价的机器人导航工具。
方法
通过将神经外科医生、CT 扫描仪和国内生产总值的全球分布与 TBI、脑膜炎和脑积水的发病率相结合，作者确定了开发廉价、被动机器人导航系统最有益和可行的地区和国家。机器人导航系统的原型是使用编码器、3D 打印组件、机加工零件和印刷电路板构建的。
结果
全球分析显示，黑山、安提瓜和巴布达以及塞舌尔是新型机器人导航系统实施和可行性测试的主要候选国。为了验证系统进一步开发的可行性，通过精度研究对其性能进行了分析，结果精度和重复性在 1.53 ± 2.50 mm 以内（平均值 ± 2 × SD，95% CI）。
结论
通过考虑世界上神经外科医生短缺和 EVD 安置率高的地区，作者能够分析在哪里优先开发机器人导航系统。随后，提供了原理验证原型，具有足够的精度来定位脑室以进行 EVD 放置。
关键词
神经外科导航; 全球健康；廉价的机器人；脑室外引流；创伤性脑损伤; 脑积水
脑室外引流管 (EVD) 可以为急性脑损伤患者提供挽救生命的稳定性，包括创伤性脑损伤 (TBI)、急性脑积水和颅内出血。 EVD 可以测量和管理因脑脊液流出受阻而导致的颅内压 (ICP) 升高。此外，当尚未放置永久性分流器时，EVD 放置适用于脑脊液的临时分流，例如急性脑积水；如果先前存在分流感染；或者在脑膜炎中，当重复腰椎穿刺不能提供足够的缓解时。EVD 还可用于鞘内给药。
在许多情况下，放置 EVD 是一个时间紧迫且必要的手术。在 TBI 中，EVD 会排出脑脊液和任何脑室出血，以迅速降低 ICP，然后充当 ICP 监测器，指导未来的药物治疗。 TBI 每年影响全球多达 6900 万人，其严重程度分为轻度、中度和重度。据估计，高收入国家 (HIC) 每年发生 160 万例需要神经外科手术的 TBI 病例，而中低收入国家 (LMIC) 每年估计有 450 万例。
EVD 还有助于治疗急性脑积水。高收入国家每年大约有 30,000 例需要接受神经外科手术的脑积水病例，中低收入国家每年大约有 740,000 例需要接受神经外科手术的脑积水病例。在中低收入国家，EVD 通常用于治疗中枢神经系统感染继发的急性脑积水，这已多次显示出益处。在婴儿中，获得性脑积水的最常见原因是脑室内出血，研究表明，早期（25 天或更小）使用 EVD 进行干预可以带来更好的神经系统结果。认知、沟通和社会功能的改善表明，及时放置 EVD 可以对结果产生深远的影响。
伴随全球及时放置 EVD 的需求而来的是神经外科医生的短缺。仅在美国，每 61,000 人中大约就有 1 名神经外科医生；然而，在 44 个州，每 10 万人中只有不到 2 名神经外科医生。此外，在美国，不仅神经外科医生短缺，预计到 2025 年，医生总数将短缺 130,600 名。在中低收入国家，寻求、到达和接受医疗服务的延误增加，加剧了医生和外科治疗的短缺。在这些地区，获得神经外科治疗的机会不足。例如，在撒哈拉以南非洲，每 3.1 至 640 万人就有 1 名神经外科医生。研究表明，中低收入国家仅满足 11.8% 的必要神经外科治疗要求。
在世界许多地方，神经外科医生和 CT 扫描仪的获取都受到限制。在撒哈拉以南非洲地区，只有 20.3% 的人口居住在距离配备 CT 扫描仪和神经外科医生的设施 2 小时以内的地方。在东亚和太平洋地区，这一比例下降至 17.4%。研究表明，在中低收入国家，每 227,000 人拥有 1 台 CT 扫描仪，而在低收入国家，每 1,694,000 人拥有 1 台 CT 扫描仪。这一比例与高收入国家有很大不同，高收入国家每 25,000 人就有 1 人。 CT 扫描对于快速确定是否需要急性神经外科干预并为手术提供视觉指导至关重要。虽然 EVD 的放置通常采用盲徒徒手技术进行，但错位率高达 20% 至 40%，并且结合神经外科导航技术（例如 CT 或超声引导）可以显着提高 EVD 放置精度。此外，机器人手术装置的发展已被证明可以提高某些手术的准确性，例如脑室分流器放置。Lollis 和 Roberts 展示了机器人成功放置脑室造口导管，使用术前成像来规划放置的最佳导管轨迹。机器人放置为更广泛地应用 EVD 放置提供了独特的机会，特别是在神经外科医生接触机会有限的地区。然而，为了让没有接受过神经外科培训的外科医生能够放置 EVD，必须采用额外的技术和技术，这可能依赖于CT 成像。
在本文中，我们的目的是强调神经外科治疗方面的差异，评估世界各地 CT 成像的获取情况，并介绍一种新颖、廉价的机器人导航工具，该工具有可能在这些服务不足的地区提供紧急的救生手术。
方法
热图
为了直观地了解世界上哪些地区的设备最有利于全球神经外科辅助治疗，我们使用热图比较了报告的神经外科医生的地理集中度、CT 扫描仪、EVD 适应症的发生率以及国内生产总值 (GDP)。
为了构建一个热图，叠加神经外科医生的地理集中度、CT 扫描仪、TBI 相关死亡、脑膜炎和儿童先天性脑积水的发生率，我们从之前的研究中提取了统计数据。有关每个国家神经外科医生数量的数据来自世界神经外科学会联合会发布的 2016 年世界神经外科劳动力数据。各国的国内生产总值也被考虑在内，因为这种神经外科导航技术旨在为无力改善其神经外科基础设施的国家提供救济。这些来源的数据经过汇总，所列来源中没有指标的任何国家都被排除在进一步分析之外。
数据库被聚合，最小和最大统计数据从 0 到 1 缩放。由于本研究旨在为神经外科资源匮乏的地区实施基于图像的神经外科导航系统，尽管 EVD 指示疾病的发病率很高，但区域密集比较了 CT 扫描仪和疾病适应症的情况以及神经外科手术机会的稀少。
这项研究的关键挑战之一是开发一个统一的指标来指示机器人导航策略，其中包括 CT 可用性、神经外科医生的联系以及 EVD 放置的适应症。（统计方法及修正略）
需要度量
为了考虑哪里最迫切需要机器人导航，我们通过将 CT 和 GDP 的权重设置为空来更改指标。虽然 CT 扫描对于我们设备的实施很重要，但导航的需求取决于神经外科医生的集中程度和 EVD 放置指征的发生率。在未来的技术中，可能会探索克服 CT 扫描仪的需求，真正满足全面的需求。因此，我们对机器人导航的需求和我们特定设备的指示进行了重要区分。
机器人实施
由于神经外科医生可用性的限制以及中低收入国家 CT 成像的必要性最低，设计了一种经济高效的被动导航机器人，允许未接受过神经外科培训的外科医生为急性或先天性脑积水患者放置紧急 EVD（图.1A）。该导航系统由四个 14 位旋转编码器组成，具有 4 个自由度，角度分辨率为 0.022°（CUI AMT22 系列）。配合适配器采用 Fusion 360 (Autodesk) 设计，并使用 Ender 5 3D 打印机 (Creality) 在聚乳酸中进行 3D 打印。适配器通过支撑滚珠轴承连接到每个编码器，并与机加工铝杆结合，形成每个机器人关节之间的机械链接。机器人底座包括一个穿过底座编码器孔的不锈钢螺栓，用于将导航系统牢固地连接到患者的头骨上。
图1 机器人导航系统的原型，为了可见而移除了线束。B：机器人导航系统连接并注册到分段头颈 CT 时，由 ROS 生成的用户界面。
导航系统中的电气组件基于 Raspberry Pi 0 WF 微控制器（Raspberry Pi Foundation），集成了通过定制印刷电路板连接的 4 个旋转编码器。电路板在EasyEDA（EasyEDA）中设计，如图2所示，并使用墨粉转印方法制造。用于编码器引脚的27 个接头连接器被焊接到电路板上，线束由 28 号铜线制成，带有标准端子，用于连接编码器、电路板和微控制器通用输入/输出 (GPIO) 接头。
图2 定制印刷电路板接线图。A：第五个编码器带有扩展端口的引脚分配接线图。B：印刷电路板布局，使用墨粉转印方法印刷。
在操作过程中，微控制器读取编码器位置，并通过无线传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 连接将值连续发送到装有 Ubuntu 版本 20.04 (Canonical Ltd.) 操作系统的单独笔记本电脑。该笔记本电脑通过机器人操作系统 (ROS) Noetic（开放机器人技术）协调机器人功能，该操作系统封装了自定义 Python 3.8（Python 软件基础）脚本，从而实现了 EVD 放置的实时手术导航。这些功能包括管理患者成像、临床设置说明以及手术期间使用的实时导航显示（图 1B）。所有使用的软件均从开源包中获取，以方便在资源匮乏的环境中使用。
对于基于轨迹的导航系统，准确性和可重复性对于安全有效的操作至关重要。为了验证机器人的初始性能，对末端执行器位置进行了准确性和可重复性评估（末端执行器是机械臂末端的交互装置）。机器人底座牢固地固定在精密光学面包板上（MB4545/M，Thorlabs），带有五个 3D 打印的校准支架，旨在确定所有编码器的零位置（图 3A）。校准后，六个 3D 打印目标被放置在距机器人底座不同距离的位置（图 3B）。这些目标被设计为与机器人末端执行器刚性配合，并且当放置在面包板上的已知位置时，用作测量机器人精度的地面真实位置。对于每个目标，机器人从任意姿势移动到目标，并记录机器人笛卡尔坐标。对 6 个目标中的每一个目标重复总共 5 次，产生 30 个单独的测量结果。笛卡尔位置的差异是根据观察到的机器人测量值和预期的地面真实位置计算得出的。每个笛卡尔方向（X、Y、Z）的最终精度计算为给定方向的平均误差，重复性计算为 95% CI（即平均值 ± 2 × SD）。整体系统精度计算为测量的机器人位置与预期机器人位置之间的平均欧几里得距离误差，重复性计算为 95% CI。
图3 光学面板测试设置。A：校准工具，使用光学面包板设置 4 个编码器的“零”位置。B：用于机器人重复性和准确性测试的光学面板目标。
结果
热图结果
我们对上述数据库的查询产生了可用于 169 个国家/地区的统一结果。神经外科获得医疗服务普遍改善的前 25 个国家（表 1和图 4）是一个排名，考虑了全国神经外科医生的数量以及上述 EVD 安置指征的发生率。特定机器人导航排名前 25 的国家（表 1和图 5）是考虑了国家神经外科医生数量、CT 扫描仪、GDP 以及上述 EVD 放置适应症发生率的排名。我们认为，这一指标强调了具有资本和基础设施的环境，以支持机器人导航开发的明显需求；排名前三的国家是黑山、安提瓜和巴布达、塞舌尔。表 1还显示了根据需求指标对国家/地区进行的排名。该需求指标总结了神经外科发展有关 EVD 放置的一般需求。
表格1.按国家/地区划分的改善获得神经外科发展和定位需求的情况
图4 热图显示了需要神经外科医生的国家和脑室外引流适应症。通过结合神经外科医生的全球分布以及 TBI、脑膜炎和脑积水的发病率，该地图显示了对机器人导航系统的需求最高的地方，0 表示需求低，1 表示需求高。
图5 神经外科医生的密度、CT 扫描仪、GDP 以及 TBI 相关死亡、脑膜炎和小儿先天性脑积水的发生率来显示设备试验的适应症。分数范围从 0 到 1，按国家/地区依次评估设备的获益。
机器人导航结果
使用光学面包板精度测量系统测量机器人的笛卡尔位置精度（X、Y 和 Z 平移）和整体精度。整体导航系统位置精度为 1.53 ± 2.50 mm (95% CI)。X 方向的位置精度为 -0.21 ± 2.04 mm (95% CI)。Y 方向的位置精度为 0.12 ± 1.43 (95% CI)。Z 轴位置精度为 -0.71 ± 2.78 mm (95% CI)。这些结果如图 6所示。
图6 显示 30 个样本的整体机器人精度，并具有笛卡尔（X、Y 和 Z）坐标精度以进行比较。
讨论
图 4被设计为观察改善全球神经外科治疗机会的必要性的最低指标，并作为用于生成图5模型的基础。旨在比较与此处提出的机器人导航系统相关的治疗适应症和患病率。该设备最适合在具有 CT 可用性、缺乏神经外科治疗以及放置 EVD 的普遍指征的地区使用。GDP 较低的国家也被选中，因为我们预计这些国家获得医疗服务的机会增长较慢，因此将在较长时间内受益于此类导航系统等技术。
虽然没有一个国家/地区在所有描述的指标上都与我们的设备完美匹配，但有些国家/地区非常接近。例如，黑山拥有相当发达的医疗系统，拥有许多 CT 扫描仪；然而，尽管外流的迹象并不严重，但该国的神经外科医生数量却处于最低水平。因此，黑山将是一个可以从实施这一用于救生外引流定位的导航系统中受益的国家，以及我们的热图突出显示的其他几个国家。
该分析表明，在 EVD 指征较高的地区，CT 扫描仪很少。此外，即使在低收入国家，CT 扫描仪也更有可能出现在高收入地区。鉴于当前 CT 需要确定用于导航机器人的参考图像，该分析表明了实施的关键限制和限制，这可以推断到任何用于 EVD 放置的导航辅助技术。
由于必要的 CT 扫描仪充足、缺乏神经外科治疗以及急性 TBI 发病率高，这些地区显然需要辅助技术来实现挽救生命的治疗。为了满足这一需求，所提出的导航系统设计了临床工作流程，这是对当前治疗标准的适应（图7）。该过程从术前 CT 扫描开始，随后使用开源 3D Slicer 程序进行分割，以识别用于机器人 CT 配准的头骨和用于生成目标轨迹的脑室。然后，外科医生使用集成骨螺钉在机器人附着的 Kocher 点（眼睛后 10-12 厘米，中线横向 2-3 厘米）处放置一个钻孔（图 1A）。将机器人牢固地固定在患者身上后，在定制软件中进行严格配准，以将机器人和术前 CT 坐标空间关联起来。注册完成后，用户界面将显示机器人和所连接的 EVD 的实时位置，提供 EVD 相对于分段脑室的轨迹的连续视图，以用于手术指导。按照工作流程，患者将受到监测，并最好转移到可以更好地管理其原发神经系统疾病的治疗团队。
从机器人收集的初始准确性和可重复性测量结果表明，机器人神经外科手术的低成本方法是可行的。此前有研究发现，胎儿侧脑室的平均脑房直径为7.6毫米，且脑室大小只会随着年龄的增长而增大。导航系统的整体精度为 1.53 ± 2.50 毫米 (95% CI)，即使在先天性脑积水等具有挑战性的儿科侧脑室中，也能够成功引导 EVD 放置。该机器人应用的一个限制是目前需要在颅骨中使用骨螺钉，这将使其在婴儿中使用变得更加困难。据报道，凹陷性颅骨骨折、硬膜外和硬膜下血肿以及脑脊液漏是 10 岁以下儿童使用时的潜在并发症。为了避免过度风险，当前的机器人实施将用于 10 岁或以上的患者，并且需要研究使用替代固定方法以在年轻患者中使用该技术。
精确的低成本机器人由于其简单的机械设计和开源软件而易于修改，因此可以轻松扩展应用程序以包括其他基于导航的程序。例如，导航对于访问大脑深处的病变或囊肿很有用，因为在这些情况下，表面标志可能不那么准确。它还可能有助于某些神经系统疾病的深部脑刺激手术，例如帕金森病、肌张力障碍、慢性疼痛和立体脑电图诊断癫痫病，其中需要成像来确定电极引线放置的目标位置。准确、低成本的机器人也可用于放置其他类型的脑脊液分流器，例如脑室腹膜腔和脑室帽状体分流器以及脑室通路装置。被动导航机器人扩展到神经外科之外，还可用于深层结构（例如肺、肾或肝脏）的经皮活检、为脊柱手术放置椎弓根螺钉等手术，甚至可以作为提供连续轨迹的手术训练设备给新手外科医生的反馈。
热图的局限性
热图中总共包含 169 个国家。数据中未代表的国家/地区在热图上以灰色表示。此外，虽然 Ind指标每个组成部分的相对权重是先验选择的，但缺乏神经外科手术机会、CT 可用性、GDP 以及 EVD 放置综合适应症的值的基本原理取决于基于讨论的主观因素与设计和实施团队一起了解该设备。这造成了可行性分析中出现偏差的可能性。
机器人导航系统的局限性
导航系统受到多个因素的限制：编码器的精度、3D 打印部件的刚性以及组件的成本。根据编码器的规格，理论上估计最坏情况误差< 2.44 mm。如果零件是机加工或铸造的，而不是 3D 打印的，它们可以变得更加坚硬，从而进一步减少与 3D 打印固有的弯曲和公差问题相关的观察到的误差。最后，与该机器人相关的成本被有意最小化，以使该技术在资源匮乏的环境中更可行。原型成本为 249.46 美元，包括所有电子设备和原材料，不包括生产中使用的任何工具以及 Codman Bactiseal EVD (Integra LifeSciences) 和光学面板（如图2所示） 。通过按比例制造系统，可以进一步降低成本。
未来发展方向
虽然这项研究揭示了机器人技术在全球 EVD 导航中的可行性，但该导航系统的实施仍存在重要障碍。尽管验证了机器人的准确性并证明其符合 HIC 所用技术的治疗标准，但该系统必须部署在具有代表性的临床模型中以验证临床使用。首先，尸体研究将有助于量化该原型机器人用于人类导航的功效和工作流程。这项尸体研究将使用 Thiel 的防腐方法对脑内、脑室注射福尔马林的标本进行处理，该方法已被证明对 EVD 模拟有效。在尸体测试之后，将进行原型设计改进，包括最大限度地减少外部接线、创建一次性无菌套管、电池供电的无线实施等，以最终确定最小可行产品。
还可以研究用于导航和成像的其他方式，包括电极放置、脑活检和其他基于轨迹的钻孔手术。此外，还将探讨军事或紧急医疗服务创伤环境。需要使用CT；然而，正在进行的低成本、无创侧脑室成像研究可能会成为我们提出的导航系统的一个有价值的补充，为 EVD 放置提供参考成像。
结论
无法获得外引流可能会导致患者无法接受任何类型的脑积水治疗。虽然中级从业者在某些情况下执行救生措施也取得了类似的成功，但导航系统可以大大提高从业者在高压力情况下的信心。我们试图创造一种设备，为那些没有接受过明确神经外科培训的外科医生弥补紧急神经外科手术中与技能相关的重要障碍。使用该设备的用户界面，外科医生将拥有安全执行 EVD 放置的工具和指导。在这项可行性研究中，我们发现实施这样的设备是可行的，并且可能对特定国家产生影响。
