低成本增强现实技术在高血压脑出血神经内镜治疗中的应用

谢国强 郭振宇 师蔚 左毅 肖三潮 雷振海 陈尚军 郝五记

(陕西省核工业215医院：1神经外科，2医学影像科，陕西 咸阳 712000；3西安交通大学第二附属医院神经外科，陕西 西安 710000)

·论著·

低成本增强现实技术在高血压脑出血神经内镜治疗中的应用

谢国强1郭振宇3师蔚3*左毅1肖三潮1雷振海1陈尚军1郝五记2

(陕西省核工业215医院：1神经外科，2医学影像科，陕西 咸阳 712000；3西安交通大学第二附属医院神经外科，陕西 西安 710000)

目的探讨应用低成本增强现实技术在高血压脑出血神经内镜微创治疗中的可行性和可靠性。方法采集17例高血压脑出血拟行神经内镜微创手术治疗患者头颅CT数据，运用3D-slicer免费软件进行虚拟现实重建并设置标记物后，将重建图片导入智能手机，应用相机功能程序进行头皮与重建图片准确融合，精确描画脑内血肿体表投影，实现增强现实技术，个体化选择手术入路，进而在神经内镜辅助下行脑内血肿清除手术。结果运用低成本增强现实技术17例高血压脑出血患者均可成功完成脑内深部血肿穿刺，并经神经内镜观察证实到达目标部位。结论低成本增强现实技术可以为高血压脑出血的神经内镜微创手术治疗提供准确可靠的定位指导。

高血压脑出血; 增强现实; 智能手机; 神经内镜

高血压性脑出血约占自发性脑出血的65%～70%，大部分位于基底节区和丘脑等脑组织深部，致残率及致死率均较高[1]。目前关于高血压脑出血的治疗方法国内外学者还存在诸多争议，但随着神经内镜技术及设备的不断发展和更新，神经内镜微创治疗高血压脑出血的技术优势逐渐被众多学者所认可[2-3]。相比常规开颅手术清除深部脑内血肿，神经内镜微创治疗对脑内血肿的准确定位具有更高的要求。陕西省核工业215医院神经外科对17例高血压性脑出血拟行神经内镜微创手术治疗的患者，应用低成本增强现实技术，指导术中脑内深部血肿穿刺，均取得满意疗效，现报道如下。

对象与方法

一、一般资料

收集我院神经外科2016年1月至2016年10月17例高血压脑出血住院患者拟行神经内镜微创手术治疗病例资料，其中男12例，女5例，年龄52～78(平均63.2)岁；发病时间6～17(平均10.5) h；17例出血均为幕上脑内血肿，出血部位位于丘脑基底节区15例，位于颞顶叶2例，其中出血位于左侧7例、右侧10例，破入脑室系统5例；出血量30～75 mL，平均45.7 mL。入院时意识状态：神志清楚2例、嗜睡状5例、意识模糊8例、浅昏迷2例。

二、影像学资料

将所有17例患者入院时急诊头颅CT(图1；飞利浦PNMS, MX16, 16排螺旋CT机, 荷兰)医学数字影像和通讯(digital imaging and communications in medicine, DICOM)格式原始数据，通过院内网HiNet-PACS软件系统传送至工作电脑。

图1 头颅CT平扫：右侧基底节区脑出血破入脑室系统(箭头)，出血量约57 mL

Fig 1 Emergency cranial CT scan showed the right basal ganglia hematoma broken into the ventricle (57 mL)

图2 分别于重建图像同侧外耳道、耳廓顶点、眼外眦处(箭头)设置参考点

Fig 2 Three reference points were located above the external auditory canal, the lateral canthal angle and the peak of the auricle on the right virtual skin surface

图3 调整头皮透明度至脑内血肿清晰显影后再次截图

Fig 3 Screenshot was made after the hematoma could be visible with adjusting the opacity of the virtual skin

图4 截图标记点与头皮标记点(箭头)校准

Fig 4 Adjusting the three markers accurately locating at the virtual skin and scalp

图5 在手机相机监视下精确描画脑内血肿体表投影

Fig 5 The scalp projection of intracranial hematoma was depicted accurately under the monitoring of iPhone5 smart phone

图6 穿刺血肿成功后置入神经内镜观察穿刺情况

Fig 6 Endoscopy was inserted in the transparent sheath to observe the precision of the puncture

图7 术后复查头颅CT提示血肿清除满意(箭头)

Fig 7 The hematoma was evacuated clearly through the post-operative CT scan

三、虚拟现实重建

在工作电脑中运行3D-slicer软件：(3D-slicer 4.5.0-1，美国哈佛大学)，将患者头颅CT扫描DICOM格式数据(层厚1.2 mm，视野25.0 cm，矩阵512×512，窗宽85 Hu，窗位40 Hu，约200层)导入软件系统，依次应用Threshold Effect、Save Island Effect、Make Model Effect功能模块分别重建脑内血肿及头皮并进行图像融合，分别于患者同侧耳屏、耳廓顶点、眼外眦处设置校准点后截取图像(图2)，随后调整头皮透明度至脑内血肿清晰显影后再次截图(图3)。

四、手机辅助增强现实

将截图传送至iPhone5智能手机相册并保存。患者插管全麻后，采取仰卧位，分别于同侧眼外眦、耳廓定点及外耳孔处标记，使用手机重曝相机功能调取重建截图作为底片，调整其曝光度致重建图片及患者头皮同时显影，分别校准标志点使3点全部重合(图4)，在手机屏幕监视下准确描画脑内血肿体表投影(图5)，实现增强现实技术。

五、神经内镜辅助下脑内血肿清除术

插管全麻后，常规小骨瓣(直径约2.5 cm)开颅，“十”字形切开硬膜，一次性组织导引扩张器依据软件重建测量参数穿刺血肿远端(穿刺靶点为血肿最远端前5 mm)，注射器抽吸闭孔器通道确定血肿成功后，置入透明工作鞘，拔除内芯，神经内镜(Karl Storz 0°观察镜, 4.0 mm×175.0 mm，德国)深入透明工作鞘观察血肿与脑组织边界(图6)。在神经内镜监视下，吸引器清除脑内血肿，并逐步旋转工作鞘角度，清除周边血肿后可靠止血。术后留置引流管，缝合硬脑膜，并骨瓣复位。

结 果

17例患者术前头颅CT数据三维重建平均用时约3.5 min，依据重建结果及血肿部位，手术入路根据出血部位及血肿情况个体化选择：15例丘脑基底节区血肿选择经额入路、2例颞顶叶血肿经顶间沟入路，术中依照术前三维重建结果及血肿体表投影，均成功穿刺血肿预设位置及在神经内镜辅助下顺利完成脑内血肿清除，对于术中发现活动性出血点均在神经内镜监视下予以止血。术后复查头颅CT提示血肿清除满意(图7)，未发现再出血。本组17例患者术后均取得随访，其中门诊随访15例，电话随访2例，随访1～10月，平均随访时间为3.7月。根据GOS评分进行预后评价，13例患者恢复良好，4例患者轻度残疾。

讨 论

高血压脑出血(自发性脑出血)系神经外科常见危急重症，全球每年因脑出血死亡人数超过100万[4-5]，关于高血压脑出血的外科手术治疗策略国内外学者尚存在广泛争议[6-7]。

随着神经内镜设备及神经外科微侵袭手术技术的不断发展，神经内镜辅助下高血压脑内血肿清除手术优势逐渐显现。与常规开颅手术相比[8]，神经内镜可以为术者提供清晰的手术视野，明显提高脑内血肿清除率，术中较小的医源性损伤可在一定程度上改善患者的预后；并与立体定向下脑内血肿穿刺术相比[9]，神经内镜监视下的清晰视野可以为术者术中及时发现出血点及可靠止血提供保障，脑内血肿的清除率也明显高于立体定向下血肿穿刺[10]。

高血压脑出血多发生于基底节区和丘脑等脑组织深部，而神经内镜辅助下脑内血肿清除术采用小骨瓣开颅(直径约2.5 cm)，操作空间有限，如何精确穿刺深部血肿达目标位置成为神经内镜手术成功的关键。很多学者[11]根据自身经验进行深部脑内血肿穿刺，但稳定性及可靠性均较差；也有报道[12]采用神经导航辅助深部脑内血肿定位，因术前需要头皮粘贴标志物并再次头颅CT扫描及术中导航信息注册，费时费力，且神经导航设备及软件系统价格昂贵，经济欠发达地区及广大基层医院难以配置，故不适用于高血压脑出血的术前计划。

增强现实(augmented reality, AR)技术是把虚拟世界套在现实世界并进行互动。随着电子产品运算能力的提升，增强现实技术的用途越来越广，尤其对于医学领域更为重要。为了提高深部脑内病变手术的准确性和精确性，多种增强现实技术已逐渐应用于神经外科手术部位的精确定位[13]。笔者将3D-slicer软件结合iPhone5智能手机应用程序实现低成本增强现实技术应用于高血压脑出血手术中，经多次操作证实，即可为深部脑内血肿穿刺及神经内镜微创手术提供较为客观、准确的定位指导。3D-slicer软件是由哈佛大学和麻省理工学院联合开发的一个免费开源的图像分析处理平台，对计算机硬件要求不高，操作简单，并且支持功能扩展和改进[14]。利用患者入院时头颅CT扫描原始DICOM格式数据，通过运行3D-slicer软件即可在较短时间内完成颅骨、头皮和深部脑内血肿的三维重建并设置多个标记点。截取重建图像后导入iPhone5智能手机，使用手机重曝相机功能调取重建截图作为底片，调整其曝光度致重建图片及患者头皮同时显影，将标记点与患者体表解剖标志准确融合后，即可实现增强现实技术，进而可以在手机屏幕监视下准确描画脑内血肿的头部体表投影，为术中深部脑内血肿的穿刺提供客观、准确定位指导。

本研究对17例高血压脑出血患者的术前头颅CT数据资料应用3D-slicer软件进行三维重建，均在较短时间内完成，并无需粘贴头皮标记物及二次进行头颅CT扫描、导航信息注册等操作，在一定程度上优于神经导航。根据重建后具体脑内血肿部位及形态，个体化选择经额入路或经顶间沟入路成功穿刺血肿，避免了脑功能区及重要血管结构的再次损伤；同时术中无需开放脑室、蛛网膜池释放脑脊液，脑内血肿位置相对固定，17例患者均成功穿刺至理想位置。神经内镜辅助下脑内血肿清除手术操作在透明工作鞘内进行，可人为创造操作空间，清晰显示血肿与正常脑组织边界，不仅提高了血肿清除率，而且可以在神经内镜监视下有效止血，降低了术后再出血发生率，改善患者预后。

低成本增强现实技术也存在一定的局限性：首先，相比神经导航系统，此项技术无法在术中进行实时互动及错误校正，且位置相对固定(一般选择侧位头皮体表投影)；其次，因本组病例数量较少，此项研究的精确性尚需多中心、大样本的病例研究进一步证实。

总之，术前通过应用3D-slicer软件及iPhone5智能手机实现低成本增强现实技术，可以为高血压脑出血的神经内镜微创手术提供较为准确可靠的定位指导，对于提高高血压脑出血手术的疗效大有裨益。

1KEEP R F, HUA Y, XI G. Intracerebral hemorrhage: mechanisms of injury and therapeutic targets [J]. Lancet Neurol, 2012, 11(8): 720-731.

2FIORELLA D, ZUCKERMAN S L, KHAN I S, et al. Intracerebral hemorrhage: a common and devastating disease in need of better treatment [J]. World Neurosurg, 2015, 84(4): 1136-1141.

3RENNERT R C, SIGNORELLI J W, ABRAHAM P, et al. Minimally invasive treatment of intracerebral hemorrhage [J]. Expert Rev Neurother, 2015, 15(8): 919-933.

4SACCO S, MARINI C, TONI D, et al. Incidence and 10-year survival of intracerebral hemorrhage in a population-based registry [J]. Stroke, 2009, 40(2): 394-399.

5QURESHI A I, TUHRIM S, BRODERICK J P, et al. Spontaneous intracerebral hemorrhage [J]. N Engl J Med, 2001, 344(19): 1450-1460.

6MORGENSTERN L B, HEMPHILL J C, ANDERSON C, et al. Guidelines for the management of spontaneous intracerebral hemorrhage: a guideline for healthcare professionals from the American Heart Association/American Stroke Association [J]. Stroke，2010, 41(9): 2108-2129.

7STEINER T, AL-SHAHI SALMAN R, BEER R, et al. European Stroke Organisation (ESO) guidelines for the management of spontaneous intracerebral hemorrhage [J]. Int J Stroke, 2014, 9(7): 840-855.

8NAGASAKA T, TSUGENO M, IKEDA H, et al. Early recovery and better evacuation rate in neuroendoscopic surgery for spontaneous intracerebral hemorrhage using a multifunctional cannula: preliminary study in comparison with craniotomy [J]. J Stroke Cerebrovasc Dis, 2011, 20(3): 208-213.

9CHO D Y, CHEN C C, CHANG C S, et al. Endoscopic surgery for spontaneous basal ganglia hemorrhage: comparing endoscopic surgery, stereotactic aspiration, and craniotomy in noncomatose patients [J]. Surg Neurol, 2006, 65(6): 547-555.

10黄毅, 黄纯真, 赵霞. 高血压脑出血内镜手术治疗进展 [J]. 中华神经外科疾病研究杂志, 2014, 13(5): 472-474.

11OCHALSKI P, CHIVUKULA S, SHIN S, et al. Outcomes after endoscopic port surgery for spontaneous intracerebral hematomas [J]. J Neurol Surg A Cent Eur Neurosurg, 2014, 75(3): 195-205.

12YAN Y F, RU D W, DU J R, et al. The clinical efficacy of neuronavigation-assisted minimally invasive operation on hypertensive basal ganglia hemorrhage [J]. Eur Rev Med Pharmacol Sci, 2015, 19(14): 2614-2620.

13BESHARATI T L, MAHVASH M. Augmented reality guided neurosurgery accuracy and intraoperative application of an image projection technique [J]. J Neurosurg, 2015, 123(1): 206-211.

14EGGER J, KAPUR T, FEDOROV A, et al. GBM volumetry using the 3-D Slicer medical image computing platform [J]. Sci Rep, 2013, 3: 1364.

Applicationoflow-costaugmentedrealitytechniqueinminimallyinvasiveneuroendoscopictreatmentofhypertensivecerebralhemorrhage

XIEGuoqiang1,GUOZhenyu3,SHIWei3,ZUOYi1,XIAOSanchao1,LEIZhenhai1,CHENShangjun1,HAOWuji2

1DepartmentofNeurosurgery;2DepartmentofMedicalImaging,NuclearIndustry215thHospitalofShaanxiProvince,Xianyang712000;3DepartmentofNeurosurgery,SecondAffiliatedHospitalofXi'anJiaotongUniversity,Xi'an710000, China

ObjectiveThe feasibility and reliability of the low-cost augmented reality (AR) in minimally invasive endoscopic treatment of intracranial hemorrhage (ICH) were discussed.MethodsA total of 17 ICH patients treated with minimally invasive endoscopic surgery were recruited. After brain computed tomography (CT) scan, the digital imaging and communications in medicine data (DICOM) were loaded into free software 3D-slicer. The hematomas and the scalps were reconstructed by the software respectively before the screenshots with markers on the virtual scalp were transmitted to an iPhone5 smart phone. Augmented reality based on an iOS app of camera allowed a projection of the hematoma to be seen on the patients scalp to facilitate selection of the best endoscopy approach. An obturator and transparent sheath was used to establish a working channel, and the surgical evacuation of the hematomas was performed with endoscopy.ResultsThe hematomas of 17 ICH patients were punctured successfully with the low-cost augmented reality technology, and the target locations were verified by the endoscopy.ConclusionThe application of low-cost augmented reality in ICH can provide the reliable and accurate direction for the minimally invasive endoscopic treatment of intracranial hemorrhage (ICH).

Hypertensive hematoma; Augmented reality; Smart phone; Neuroendoscopy

1671-2897(2017)16-221-04

谢国强，硕士研究生，副主任医师，E-mail: 522802876@qq.com

*通讯作者： 师蔚，教授、主任医师，E-mail: sweins@21cn.com

R 651.1

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2016-11-26；

2017-02-20)