姿态参考系统辅助立体定向设备的发明与效果评价

摘要

研究背景:
　　神经外科的工作对象是人的大脑，这个人体最为重要的器官。且其解剖结构复杂抽象，对手术技巧要求甚高，神经外科医生需竭尽全力精确操作，找准手术目标，减少伤害。为了实现这一目的，神经导航应运而生。
　　经颅穿刺作为一种神经外科临床工作中的常用操作，虽也受益于神经导航与立体定向技术的发展，可通过更新的技术手段实现准确地穿刺操作。然而目前的经颅穿刺辅助技术要么操作复杂耗时，要么所需设备极其昂贵，导致在大多数神经外科医生在明知徒手操作准确性不佳的情况下，仍仅依靠解剖结构和骨性标记徒手操作。
　　而在如今计算机辅助神经外科迅速发展，快速成型技术如3D打印技术使用普及并且成本骤降，且姿态方位测量模块价格体积与功耗下降而准确性提高。在现代计算机科学技术的发展与神经导航技术的启示下，本研究探索一种廉价有效且可靠的立体定向设备。
　　实验目的：
　　研发一种姿态方位参考系统辅助的立体定向设备，设计经颅穿刺的体外验证模型，进行体外准确性验证，最后进行临床应用效果评价。
　　实验方法：
　　本研究探索一种姿态方位参考系统辅助的立体定向设备。共分为三部分，病人端固定于患者身上，监测患者运动即待穿刺体的角度变化，医生端固定于穿刺设备上，监测穿刺设备的角度变化，数据处理端即包含信息接收模块的计算机完成最后的相对角度运算。具体而言各端设备通过 MPU9250姿态方位测量模块进行角度监测， STM32单片机完成运算，并通过Zigbee无线传输协议进行通讯。医生端与病人端角度信息发送至计算机，运算得出二者相对角度差。
　　本研究主要应用该设备于经颅穿刺中。通过医学影像处理软件Mimics导入真人影像信息，在软件中实现对病人影像的重新切割建模，选定穿刺点计算穿刺角度深度，并进行模拟穿刺模型及设备的外壳设计，之后利用3D打印机一比一打印体外研究穿刺模型及与特定穿刺设备相结合的设备外壳。在模型上进行穿刺点定位方法的准确性评价。利用机械传导式的Leksell立体定向头架进行穿刺角度准确性判定。之后在模型上模拟穿刺验证其穿刺准确性。最后对病人进行辅助穿刺实验，评价其临床使用准确性及易用性。
　　实验结果：
　　在体外试验中，在30分钟持续使用情况下，穿刺角度测量误差俯仰角误差0.4°±0.5°，水平旁开角误差1.6°±0.9°，角度测量精确，使用可靠。在模型测试时徒手组穿刺误差为10.8±3.9mm，设备辅助的穿刺误差为5±1.9mm，应用本设备在模型穿刺时显著提高了穿刺准确性（P=0.0012）。
　　应用本设备在24例患者中辅助穿刺，其中血肿腔穿刺13例，侧脑室外引流11例，在穿刺准确度上相较同期对照组即徒手操作组的22例穿刺，血肿腔穿刺13例，侧脑室外引流11例，有提高的趋势但不显著，在侧脑室穿刺时有减少穿刺尝试次数的趋势，但使用该设备延长了血肿腔穿刺组手术时间。
　　结论：
　　体外实验表示本设备可有效提高穿刺准确性，使用可靠。临床试验中提示应用此设备有提高穿刺准确性并降低穿刺尝试次数的趋势。

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缩略语表

中文摘要

英文摘要

前言

文献回顾

第一部分 立体定向设备的设计及实现

1 设备设计思路

2 穿刺点的确定方式

3 穿刺角度确定方法

4 设备具体实现方式

5 讨论

第二部分 体外实验验证

1 实验目的

2 材料

3 头颅穿刺验证模型的3D打印与理论穿刺点角度深度的测量

4 穿刺设备相对角度测量准确性验证 穿刺点位置验证

5 模型穿刺

6 讨论

第三部分 临床应用效果评价

1 对象

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

附录

个人简历和研究成果

致谢