视频光学透视增强现实手术系统(VOSTARS)引导开颅术的精度评估：体模与人体尸体研究

《Brain Sciences》：Accuracy of Video Optical See-Through Augmented Reality Surgical System (VOSTARS) to Guide Craniotomy: A Phantom and a Human Cadaver Study

　　

背景：增强现实（Augmented Reality，AR）可通过在术者视野中直接显示患者特异性解剖信息和手术计划来支持神经导航。虚拟内容与患者解剖结构之间的可靠配准仍是一项关键要求。患者特异性模板提供了一种非侵入性配准策略，但面部支撑处的定位误差可能传播至手术靶点。方法：研究人员利用基于患者特异性模板的配准，对视频与光学透视增强现实手术系统（VOSTARS）——一种用于手术导航的头戴式AR平台——进行了临床前可行性评估。使用两具新鲜冷冻人尸体头部的CT数据集规划了六个开颅术，并由相同数据集生成了两个相应的颅骨体模。首先在体模上评估了可视化精度（以目标可视化误差TVE_3D报告）和轨迹描绘性能。随后在相应尸体标本上评估了完整的AR引导“规划到执行”工作流，通过评估AR描绘的开颅轨迹在对应±1.5 mm容差的患者特异性检查窗口内的包含情况。结果：在体模实验中，六个计划开颅术中的五个计算的平均TVE_3D为1.64 mm，各平均值的范围为1.33至1.91 mm。开颅1的平均TVE_3D为6.92 mm；较高的误差被归因于体模装配不正确。在AR引导下于体模上描绘的六条开颅轨迹中，四条与相应虚拟轨迹完全重叠。另外两条的轨迹重叠率为62.5%和67.0%，两种情况下与计划轨迹的平均偏差均为0.79 mm。在尸体实验中，六个计划开颅术均完成了完整的AR引导“规划到执行”工作流。六条AR描绘的开颅轨迹中的两条完全包含在对应预定义±1.5 mm容差的检查窗口内。在其余四条轨迹中，两条部分包含，一条最小限度包含，一条未包含在检查窗口内。结论：本研究支持患者特异性AR工作流在不同解剖颅部入路的开颅引导中的技术可行性。在这项探索性临床前研究中，VOSTARS能够将患者特异性术前计划直接转化到术野，并在颅骨手术的初始阶段提供AR引导。尸体研究结果还强调模板贴合和定位是工作流性能的重要决定因素。在临床实施之前，需要进一步的定量和比较验证。

增强现实（Augmented Reality，AR）通过将虚拟解剖信息和手术计划叠加至术者视野，有望弥补传统神经导航在显示方式和注意力切换方面的不足。开颅术是术前计划向患者转化的第一步，其位置和几何形状直接影响可视化角度和器械轨迹，尤其对于微创和解剖受限入路，微小偏差即可能导致术中计划变更。传统导航系统依赖光学或电磁跟踪，其注册精度受术中空间关系变化影响，且信息显示于独立监视器，迫使术者反复切换注意力。AR神经导航的临床价值取决于虚拟内容与患者解剖结构之间配准的准确性和稳定性。患者特异性模板（patient-specific template）是一种非侵入性配准策略，但模板面部支撑处的定位或角度误差可能向远处手术靶点传播。此前文献报道AR神经导航的平均目标注册误差约为2.5 mm，与传统红外导航（2.6 mm）相当，但各研究间注册方法和评估指标差异较大。研究者前期工作显示，视频与光学透视增强现实手术系统（VOSTARS）在可控条件下可实现1.3±0.6 mm的平均三维目标可视化误差，且97%的描绘轨迹位于计划轨迹1.5 mm以内；然而该研究未评估完整手术工作流，也未涵盖多个解剖位置不同的颅骨入路。因此，有必要在体模和人体尸体模型中系统评估VOSTARS工作流在多种开颅入路下的技术可行性。

研究人员利用两具新鲜冷冻人尸体头部的CT数据集规划了六个开颅术，分别对应右眶上、双额、左颞、右旁正中央前、右乙状窦后和左旁正中枕部入路，并由相同数据生成了两个对应的颅骨体模。体模实验首先量化了AR可视化的目标可视化误差（Target Visualization Error，TVE_3D）以及AR引导下的轨迹描绘性能；尸体实验则评估了从术前规划到实际开颅的完整AR引导流程，并使用患者特异性检查窗口（对应±1.5 mm容差）判断AR描绘的开颅轨迹与计划轨迹的吻合程度。该研究为探索性临床前研究，所有六种入路均成功完成，初步证明该工作流在不同解剖区域中的技术可行性；同时，尸体实验也揭示模板贴合和定位是影响工作流性能的关键决定因素。

关键技术方法集中于以下环节：样本为两具新鲜冷冻人尸体头，CT扫描各向同性体素为0.4 mm。使用EndoCAS分割流程（基于ITK-SNAP）重建颅骨和皮肤表面模型，并在Blender 4.2.1中进行三维手术规划。患者特异性面部配准模板由ABS材料经熔融沉积建模（FDM）制成，集成三个直径为12 mm的荧光球形标记物，由VOSTARS头戴式显示器（Head-Mounted Display，HMD）的RGB相机跟踪。体模实验使用带1 mm尖端的标记笔在AR引导下描绘轨迹，并通过视频帧分析计算TVE（利用标记物直径将像素转换为毫米）。尸体实验在消毒标记后使用超声骨刀完成开颅；患者特异性检查模板（4 mm宽窗口）用于评估轨迹包含程度，对应±1.5 mm容差。研究仅采用描述性统计，每种入路执行一次。

研究结果分为三个部分。3.1 体模可视化精度：通过分析体模实验视频帧，除开颅1因体模装配错误导致平均TVE_3D高达6.92 mm外，其余5个开颅术的平均TVE_3D为1.64 mm，个体均值范围1.33–1.91 mm，表明在正确装配条件下，AR引导的可视化精度可达到毫米级。3.2 体模中AR引导轨迹描绘性能：通过比较体模上AR引导描绘线与虚拟轨迹带，6条轨迹中4条完全重叠；另外2条重叠率为62.5%和67.0%，但超出虚拟带部分的平均偏差均为0.79 mm，表明不完全重叠不一定对应大尺度空间偏移。3.3 尸体评估：在2具尸体头上，6个开颅术均完成了完整AR引导工作流。通过患者特异性检查模板评估，2条轨迹完全包含在±1.5 mm容差窗口内，2条部分包含，1条最小限度包含，1条未包含；不完全包含多与模板贴合或定位问题、解冻导致的解剖变形有关，提示模板与解剖表面之间稳定、准确的物理耦合是工作流性能的关键前提。

讨论部分指出，体模与尸体性能的差异主要源于软组织变形、解冻相关解剖变化、模板定位和固定稳定性等因素，尸体模型提供了刚性体模无法复现的转化评估环境，能够暴露真实工作流中额外的不确定性。解剖变异也是AR辅助神经外科的重要挑战，应纳入培训体系以提升术者适应能力。该工作流的临床意义在于辅助开颅手术初始阶段，尤其适用于微创和解剖受限入路，但不应视为传统导航的替代，而应作为整合导航流程的一部分。体模精度与文献报告的毫米级水平一致，但TVE_3D基于图像空间测量转换，不应等同于常规三维目标注册误差。研究限制包括样本量小、每种入路仅执行一次、未与传统导航直接比较、尸体阶段采用定性分类、皮肤切口轨迹未定量评估、±1.5 mm容差为研究特定标准等。未来需扩大样本、重复测量、系统评估模板定位/固定/标记构型/距离等因素，开发无标记配准策略，并加入术中配准验证。

结论部分：这些发现支持VOSTARS作为患者特异性颅骨手术规划和术中引导工具的潜力，能够将术前规划的皮肤切口和开颅轨迹直接转移到术野。体模和尸体实验证明了该工作流的技术可行性，同时也识别了在更真实解剖条件下配准模板贴合和稳定性相关的局限性。鉴于标本数量有限且每种入路仅执行一次，这些发现应被解释为技术可行性评估，而非临床准确性的正式验证。这些发现表明，AR的潜在临床相关性不仅在于三维可视化，还在于其连接患者特异性术前计划与手术野的能力。未来工作将研究无标记患者到图像配准策略，以减少对物理面部模板定位和稳定性的依赖。在临床实施之前，需要更大样本、重复测量和与传统神经导航直接比较的进一步验证。