集成数字模拟及3D打印技术的侧脑室穿刺方法创新与训练系统应用

完 成 人：刘宇清 何炳蔚 洪文瑶 黄绳跃 陈剑雄 廖正俭 潘儒君 陈研 陈忠 

完成单位：福建省立医院 福州大学 

公布年份：2019年

关 键 词：侧脑室穿刺方法 神经外科手术 实体训练系统 

摘      要：侧脑室额角穿刺术是神经外科最常用的手术，操作时为徒手盲穿，完全依赖术者经验，若穿刺失败或多次试穿刺会导致严重并发症。因此一次性穿刺到位是手术成功关键，但临床实践表明传统穿刺方法失误率较高。 数字化颅脑模型是构建侧脑室穿刺虚拟仿真环境的基础。传统3D数据配准及融合方法主要是针对同一测量系统数据，而对于不同系统提供的不同源数据难以快速准确地配准融合。该项目通过提取颅脑CT、MRI的原始数据，采用动态自适应区域生长分割方法，分别进行颅骨、侧脑室、血管、脑组织等结构的3D虚拟模型重建，然后根据原始CT、MRI坐标关系进行配准融合，获得同一坐标系下颅脑3D可视化复合虚拟模型，解决了不同数据源间数据配准需要人工干预的问题。 在此基础上，分别使用两种传统侧脑室额角穿刺方法在颅脑3D虚拟模型上模拟穿刺，构建了穿刺参数(穿刺点、方向、深度)的量化评估模型，验证了传统方法穿刺成功率，发现成功率低的根源在于穿刺方向选择的错误或穿刺方向难以准确把握所造成的偏差，揭示了穿刺参数与成功率的关系，厘清了长期以来关于穿刺方向的模糊认识。为解决传统方法的不足，根据颅骨与侧脑室解剖关系，提出了侧脑室额角穿刺新方法(即穿刺点取矢状线眉心上方9～11cm、中线旁开3～3.5cm，以垂直于颅骨钻孔点所在平面为穿刺方向)，通过模拟穿刺表明其成功率高于传统方法。利用3D打印的颅脑实体模型进行实验，验证了新方法的有效性。基于此穿刺原理，研发出侧脑室额角穿刺导向辅助装置，提高了操作便捷性和稳定性。经实践表明新穿刺方法一次性成功率较传统方法高，证明了辅助装置的实用性及新方法的准确性。 为进一步推广新穿刺方法，提高医生穿刺技能，该项目结合虚拟现实和3D打印技术研发了虚实结合的侧脑室穿刺训练系统。其中虚拟训练系统模拟穿刺场景，使受训者体验近真实的手术过程，能对操作过程和结果进行记录与评价；实体训练系统可模拟各种颅内压，穿刺过程与实际手术一致，操作触感真实，包括颅骨钻孔时内外板的手感差异、穿刺针进入侧脑室的突破感等。应用结果表明，虚实结合穿刺训练系统可有效改善临床手术的训练条件及手段，突破了时间、空间、伦理限制。 该项目经福建省立医院及国内10多家医院临床实践，具有较好的创新性与实用性，有效提高了手术成功率和医生技术水平，取得良好的社会效益。经查新，该项目组相应论文发表前，国内外未见其他相同的研究报告。已授权发明专利1项、实用新型专利2项，发表相关论文17篇，其中代表性论文8篇被引用106次。获得福建省立医院技术创新奖2项，福建医科大学教学成果一等奖1项。项目成果在2018年6.18海峡成果交流会上参展，多家媒体进行了详细报道。另外，人民卫生出版社创办的《创伤与急诊电子杂志》详细介绍了侧脑室穿刺虚拟现实训练系统，并推出了移动端训练系统的APP，成为国内首家实现利用虚拟现实技术办刊的医疗杂志。