将手术室变成混合现实环境: 对颅内动脉瘤夹闭术的前瞻性临床研究
将手术室变成混合现实环境：前瞻性临床研究用于脑动脉瘤夹闭手术
对脑动脉瘤的手术处理是神经外科中一个高度复杂且精细的过程。为了改善手术效果，研究人员不断探索新的技术和方法。近年来，混合现实（Mixed Reality, MR）技术的发展为手术室（Operating Room, OR）带来了新的突破。尤其是在使用头戴显示器（Head-Mounted Display, HMD）的情况下，外科医生可以在患者的实际解剖结构上叠加虚拟的三维（3D）图像，从而提高空间定位和操作的直觉性。
研究背景和目标
本研究旨在评估一种新型的混合现实头戴显示器（MR-HMD）在脑动脉瘤夹闭手术中的应用潜力，特别是对外科医生空间定位的帮助。传统的手术导航系统通常依赖于二维（2D）显示器，而外科医生需要将其手部操作在3D现实环境中进行转换，这对其空间感知能力提出了较高要求。然而，MR技术通过提供沉浸式、全息的患者特定解剖结构模型，有助于外科医生更好地理解复杂的解剖关系和空间布局。因此，本研究将通过比较MR-HMD导航与标准监视器导航来探讨混合现实技术的优势。
论文来源
这篇研究由Matthias Gmeiner等人共同撰写，作者分别来自Kepler University Hospital和Johannes Kepler University的医学系，以及Cortexplore GmbH。这篇文章发表于《Journal of Neurosurgery》，在线发表日期为2024年6月7日。
研究方法
实验装置和工作流程
本次研究首次在手术室环境中应用了一种新型的多摄像头导航技术，以对比MR-HMD导航和标准监视器导航。研究对象为14名未破裂的中脑动脉瘤患者。在这个过程中，研究团队设计了五种不同的视觉导航条件来评估手术工具的直观性和有效性。
手术计划：利用多模态影像数据（如CT、MRI和数字减影血管造影，DSA）进行手术计划。使用Cortexplore Med软件将患者的影像数据读取、格式化并合并，并生成包含血管、脑、颅骨和皮肤层的3D数字模型。
术中神经导航：在手术室内安装了10个红外摄像头用于监控手术场景。这些摄像头发射和捕捉红外光，通过附着在手术工具上的球形反光标记来确定工具的位置和方向。通过该技术，外科医生可以实时更新和可视化工具相对于患者解剖模型的位置。
临床调查：在临床调查中包含了14名患者，他们中有10名女性，4名男性，平均年龄为51.3岁（标准差为9.1岁），中脑动脉瘤的尺寸范围为3至11毫米。研究在Johannes Kepler大学伦理委员会和国家主管机构的批准下进行。
五种视觉导航条件
这五种视觉导航条件分别是： 1. 无视觉辅助导航：外科医生不使用任何视觉辅助工具（显示器或MR-HMD），完全依赖解剖和空间定位技能来对准指示器。 2. 虚拟解剖结构的混合现实导航：使用MR-HMD在患者身上叠加虚拟的脑、血管和动脉瘤解剖模型，但不显示预定义的手术轨迹。 3. 虚拟解剖结构和计划的混合现实导航：与条件2相同，但显示预定义的手术轨迹。 4. 监视器导航：外科医生在2D导航计算机上对准指示器，显示3D数字复制解剖模型和预定义的手术轨迹。 5. 多平面监视器导航：与条件4相同，但从轴向、矢状面和冠状面三个不同的角度显示解剖层和预定义的手术轨迹。
实验结果
预临床和术中跟踪精度
在实验室条件下对系统进行了两项测试：使用金属杆和肿瘤模型评估系统精度。金属杆测量中，系统的误差为67±46微米，表明多摄像头跟踪技术对进入临床调查前的可行性。此外，在术中，当所有患者和手术段的均方根（Root Mean Square, RMS）配准精度为0.72±0.19毫米，显示出亚毫米的生物精度。
不同导航策略的比较
通过视觉辅助工具（MR-HMD或监视器）进行的动脉瘤定位更加准确可靠（误差在2.3至2.6毫米之间），与无视觉辅助条件明显不同（误差为10.5毫米）。具体来说，当使用预定义的手术轨迹时（条件3-5），形成了显著更小的角度偏差，与手术计划一致。
混合现实导航的高效性和直觉性
条件2和3的混合现实导航在速度上明显优于监视器导航（条件4和5）。混合现实视觉的平均导航时间（19.2秒）是监视器导航的一半以上，且两者在精准性上并无显著差异。
研究结论
混合现实技术的引入标志着神经外科领域的显著进步。MR-HMD的应用使得术中空间定位更加直观和准确，有望优化复杂手术的执行过程。
本研究展示了一种新型的多摄像头导航系统与混合现实技术结合的应用，证明了其在临床环境中的可行性和高效性。该研究的结果表明，通过这项创新的技术可以显著提升手术速度和直觉性，同时保持与传统监视器导航相当的精度水平。这项技术的整合有望进一步改善神经外科手术的执行和患者的手术结果。