基于智能手机的简易增强现实技术应用于幕上脑内血肿定位的精确性分析

(陕西省核工业215医院神经外科重症监护室，陕西 咸阳 712000)

【摘要】目的 评估基于智能手机的简易增强现实技术应用于幕上高血压性脑出血定位的可靠性和准确性。方法 回顾性分析42例高血压脑出血患者资料，将急诊头颅CT扫描数据通过院内网医学影像存档与通信系统（PACS）导入工作电脑，应用3D Slicer软件行脑内血肿及头面部皮肤三维结构重建，分别于同侧眼外眦、外耳道、耳廓最高点设置参考点，调整头皮透明度使头皮组织与脑内血肿同时显影后截图，将图像导入智能手机，调取智能手机相机程序（Sina），将截图作为背景，调整手机位置使参考点与头皮解剖标志校准，即实现简易增强现实技术，在手机屏幕监视下描画脑内血肿体表投影。为验证此项技术的精确性和可靠程度，在血肿上、下、前、后缘粘贴标记物（一次性心电图电极片）后再次复查头颅CT，将头颅CT数据再次导入软件，运用Ruler功能测量并分析各标记物与血肿实际边缘的距离偏差。结果 各标记点与脑内血肿实际边界的距离偏差平均为3.1±1.1mm，最大为7.2mm，最小为0.04mm，各部位标记点与血肿边缘距离偏差间无统计学意义。结论 简易增强现实技术操作简单，不需额外医疗花费，可为脑内血肿手术提供可靠及较准确的体表定位指导，可作为脑内血肿定位参考指标。

高血压脑出血（自发性脑出血）是导致卒中相关性死亡和致残的首要因素 ^[1]，微创手术治疗因其损伤小，并发症较少，逐渐被广大学者所接受。但相对于常规开颅手术，微创手术治疗对脑内血肿的精确定位要求更高。笔者自2017年10月至2018年10月基于智能手机将简易增强现实技术用于42例幕上高血压性脑内血肿体表定位，并将定位数据进行回顾性分析，尝试对该方法的准确性和可靠性进行对比分析。

1 对象和方法

1.1 研究对象收集2017年10月至2018年10月42例在本中心诊断为幕上高血压性脑出血患者病例资料，男性27例，女性15例，年龄（51～78）岁，平均61.5±11.3岁；发病时间（2～17）小时，平均8.3±2.6小时。血肿部位分别位于丘脑及基底节区37例，颞顶叶5例，左侧23例、右侧19例，5例出血破入脑室系统；血肿量为30ml～88ml,平均54.26±13.76ml。入院时患者意识状态：意识清楚2例（GCS15分）、昏睡32例（GCS13-14分）和浅昏迷8例（GCS9-12分）。

1.2 简易增强现实技术定位脑内血肿（图1）：

1.2.1影像数据的获取：将患者入院时急诊头颅CT扫描（层厚1.2 mm，视野250，矩阵512*512，窗宽85，窗位40，约200层）原始数据，通过院内医学影像存档与通信系统（Picture archiving and communication system，PACS）传输至工作电脑。

1.2.2脑内血肿及头面部皮肤组织三维结构重建：运行3D Slicer软件（4.8.0版本，美国哈佛大学），将患者急诊头颅CT扫描数据以原始DICOM（digital imaging and communications in medicine data）格式导入后，选择Editor模块，依次运行Threshold Effect、SaveIsland Effect、Make Model Effect功能分别进行头面部皮肤及脑内血肿三维结构重建，选择同时显示从而融合模型，于血肿同侧虚拟皮肤之外耳道（或耳屏）、耳廓最高点、同侧眼外眦设置标记点（Fiducials），再降低头皮透明度（Opacity）至1.0以下，使头面部皮肤、标记点与脑内血肿同时显影后进行截图并保存。

1.2.3应用智能手机相机实现简易增强现实：将截图导入智能手机相册，于患者脑内血肿同侧眼外眦、耳廓最高点及外耳道（耳屏）处标记，调用智能手机重复曝光程序（安卓系统-Sina相机，苹果系统-重曝相机）功能调取截图作为底片，调整曝光度致底片及患者头面部皮肤同时显影，调整手机位置使解剖标记点与标志点全部重合，然后在手机相机监视下描画脑内血肿形态或体表投影，即实现简易增强现实技术。

1.2.4定位精确性的验证：分别于所描画血肿的前、后、上、下缘粘贴4个标记物（一次性心电图电极片）后（图2），尽快复查头颅CT，并将CT检查结果再次通过院内网PACS系统导入工作电脑，运行3D Slicer软件，利用Ruler模块测量各标记点距离血肿实际边界的距离偏差。

1.3 统计学方法据采用SPSS20.0软件进行统计学分析，计量资料采用均数±标准差（±SD）进行分析，采用配对t检验进行组间比较，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

应用简易增强现实技术对42例患者共粘贴标记物168个，标记物与血肿实际上缘、下缘、前缘、后缘的平均距离分别为（2.90±1.19）mm、（3.02±1.31）mm、（2.66±1.27）mm、（2.43±1.41）mm，距离偏差最小为0.04mm，最大为7.20 mm，平均（3.10±1.10）mm，对比头皮的标记物与脑内深部血肿实际上缘、下缘、前缘、后缘的距离偏差，其偏差程度无统计学意义（所有P＞0.05），说明位于前、后及左、右的标记物与实际血肿边界的距离偏差程度基本一致，大多为1～4 mm（图2） 。

3 讨 论

高血压性脑出血（自发性脑出血）系神经外科常见危急重症，30天死亡率高达30%以^[2]，目前国内外关于高血压脑出血的治疗策略尚存在诸多争议 ^[3]。国际脑出血外科治疗试验（Surgical Trail in Intracerebral Hemorrhage，STICH）II期试验结果亦未得到早期外科手术治疗明显优于内科保守治疗的确凿证据 ^[4]，归其原因可能与手术治疗对正常脑组织的损伤有关。随着医疗技术的不断改进和医学装备的快速发展，神经内镜辅助下脑内血肿清除术和立体定向下脑内血肿穿刺引流联合纤溶酶原激活剂等微侵袭神经外科手术技术优势逐渐显现 ^[5]。而微侵袭手术治疗因手术或穿刺通道空间狭小，准确到达脑内血肿必须有较为精确的术前定位指导。立体定向技术、神经影像导航系统无疑可以为脑出血微侵袭手术治疗提供较为准确可靠的定位参考 ^[6]，但因操作步骤繁琐、价格相对昂贵及技术门槛较高，加之不同程度增加脑出血患者经济负担，严重限制了其在经济欠发达地区及广大基层医院普及应用。

3.1 简易增强现实技术简介 3D Slicer软件是由美国布莱根妇女医院（Brigham and Women’s Hospital，BWH）外科手术计划实验室（Surgical Planning Laboratory，SPL）和麻省理工学院（MIT）人工智能实验室（Artificial Intelligence Laboratory，AIL）1998年设计开发的免费医学影像可视化平台，可自由下载及安装，在普通计算机（内存4G以上）即可顺畅运行，且功能强大、操作相对简单^[7]。增强现实（Augmented Reality，AR）技术是虚拟现实技术的一种补充和增强，是将虚拟事物与现实世界叠加并进行互动，较多应用于智能手机游戏功能，目前在医学领域尤其是神经外科专业方面也得到了广泛关注 ^[8]。本研究利用脑出血患者入院时头颅CT扫描数据，导入3D Slicer软件后在较短时间内完成头面部皮肤和深部脑内血肿的三维结构重建。根据“三点决定一面”的原理，在出血同侧头面部解剖标志明显处设置3个参考点，调整头皮组织透明度使皮肤及血肿同时显影后截图并导入智能手机，调用手机相机，将截图作为底片，应用二次曝光功能使截图及患者头皮同时显影，即实现简易增强现实技术。调整手机屏幕位置校准参考点与患者实际体表标记后，描画脑内血肿体表投影即可在手机屏幕监视下完成。

3.2 精确性评估 利用3D Slicer软件联合智能手机辅助脑内血肿定位国内已有报道^[9-11]，本研究旨在客观验证该项技术的可靠性及准确性，以期为临床应用提供参考。42例脑出血患者共使用标记物168个，经统计分析，标记物与血肿实际边界的距离偏差平均为3.1mm±1.1，最大为7.2mm、最小为0.04mm，且各个方向的距离偏差无明显统计学差异。

3.3 技术优势 ⑴简易增强现实技术成本低廉：3D Slicer软件及智能手机重曝相机或Sina相机功能完全免费，可自由下载安装，无需额外购置器材设备，适合于广大基层医疗单位应用；⑵简单易行：基于脑出血患者急诊头颅CT扫描原始数据即可在短时间内完成脑出血三维结构重建，加之智能手机轻巧便携、辅助定位操作简单，尤其适用于高血压性脑出血紧急手术的定位指导；⑶准确可靠：脑出血微创手术治疗中通常不需要开放脑池及脑室系统，脑脊液丢失较少，脑内血肿位置一般不会出现大的偏移，3mm左右距离偏差完全在可以接受的范围内；⑷个体化指导：根据脑内血肿体表投影的具体形态，指导个体化选择手术入路穿刺血肿，避免了脑功能区及重要血管结构的再次损伤;⑸用途较广：基于简易增强现实的准确性，可以考虑进一步协助制定颅内肿瘤切除、囊性病变穿刺及颅脑损伤手术的术前计划。

3.4 不足之处 ⑴相比于神经导航系统，简易增强现实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）；⑵本研究对象为幕上稳定性脑内血肿，不适用于幕下及活动性脑内血肿定位；且采用侧位体表投影，手术入路需平行或垂直于矢状面，但在垂直方向无法提供深度信息，对于手术入路与矢状面存在角度者，可考虑采用3D Slicer软件中Gyroguide模块制定手术计划^[12]；⑶因入组病例数量较少，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。

综上所述，术前通过应用3D Slicer软件及智能手机实现简易增强现实技术，可以为高血压脑出血的微创手术治疗提供较为准确可靠的定位指导。

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图1 简易增强现实技术准确性验证

1A入院急诊头颅CT扫描检查提示：左侧基底节区、丘脑及额颞叶脑内血肿形成，量约88ml。

1B 运用3D Slicer软件进行脑内血肿、头部皮肤三维重建，于同侧眼外眦、耳廓最高点、耳屏处设置参考点后，调整透明度使脑内血肿显影后截图。

1C 运用iPhone5手机重曝相机功能在手机屏幕监视下将重建图像参考点（红色球）与患者头皮解剖部位融合后，描画脑内血肿体表投影边界（绿色球）。

1D 复查头颅CT证实在轴位上标记点距离血肿前缘为3.26mm、血肿后缘3.35mm.

1E 复查头颅CT提示：在冠状位上标记点距离血肿上缘2.79mm、血肿下缘为4.48mm。

图2 脑内血肿体表投影描画及血肿边缘标记

2A 在手机屏幕监视下描画脑内血肿体表投影。

2B 根据描画血肿边界，分别于前、后、上、下界粘贴一次性使用心电电极，并复查头颅CT以验证定位准确性。

图3 标记物与血肿前、后及上、下边界的距离偏差散点图 横坐标代表病例数（n），纵坐标代表距离偏差（mm）。各方向偏差分布均匀，无明显差异性，且大部处于1～4mm区间。

[1] 谢国强，医学硕士，副主任医师，E-mail：522802876@qq.com