External脑室引流(EVDs)可以为急性脑损伤(包括创伤性脑损伤(TBI)、急性脑积水和颅内出血)患者提供挽救生命的稳定治疗。1evd允许测量和管理脑脊液流出阻塞引起的颅内压(ICP)升高。此外，EVD放置用于暂时转移脑脊液，例如急性脑积水，当永久性分流器还不能放置时;在已经存在的分流感染的情况下;或者在脑膜炎中，反复的腰椎穿刺不能提供足够的缓解。evd也可用于鞘内给药。2
在许多情况下，放置EVD是一个时间紧迫和必要的过程。在创伤性脑损伤中，EVDs引流脑脊液和任何脑室出血以迅速降低颅内压，随后作为颅内压监测仪，指导未来的药物治疗。3.创伤性脑损伤每年影响全球多达6900万人，其严重程度有轻度、中度和重度。4高收入国家(HICs)每年估计有160万例需要神经外科手术的外伤性脑损伤病例，而中低收入国家(LMIC开云体育app官方网站下载入口s)每年估计有450万例病例。5
EVDs对急性脑积水的治疗也有好处。高收入国家每年约有3万例脑积水需要神经外科手术，中低收入国家每年约有74万例。开云体育app官方网站下载入口5在中低收入国家，evd通常用于治疗中枢神经系统感染继发的急性脑积水，这已多次显示出益处。6 - 9在婴儿中，获得性脑积水最常见的原因是脑室内出血，研究表明，EVD的早期干预(25天或以下)可导致更好的神经系统结果。10，11认知、沟通和社会功能的改善表明，EVD放置的及时性可以对结果产生深远的影响。10，11
伴随着全球对及时安置EVD的需求，是神经外科医生的短缺。仅在美国，大约每6.1万人中就有1名神经外科医生;然而，在44个州，每10万人中只有不到2名神经外科医生。12此外，在美国，不仅神经外科医生短缺，而且预计到2025年，医生的总短缺人数将达到130600人。在低收入和中等收入国家，医生和手术护理的短缺因寻求、获得和接受护理的延误加剧而加剧。在这些地区，缺乏获得神经外科护理的机会。例如，在撒哈拉以南非洲，每310万到640万人口只有1名神经外科医生。13研究表明，在低收入和中等收入国家，只有11.8%的必要神经外科护理得到满足。14
在世界上许多地方，不仅神经外科医生受到限制，而且CT扫描仪也受到限制。在撒哈拉以南非洲地区，只有20.3%的人口居住在距离拥有CT扫描仪和神经外科医生的医疗设施2小时以内的地方。13在东亚和太平洋地区，这一比例下降到17.4%。13研究表明，在中低收入国家，每22.7万人拥有一台CT扫描仪，在低收入国家，每169.4万人拥有一台CT扫描仪。这一比例与高收入国家有很大不同，在高收入国家，每2.5万人中有1人。15CT扫描对于快速识别急性神经外科干预的需要和为手术提供视觉指导至关重要。虽然EVD的放置通常使用盲徒手技术，但误放率高达20%至40%，并且结合神经外科导航技术，如CT或超声引导，可以显著提高EVD放置精度的准确性。16，17此外，机器人手术设备的发展已被证明可以提高某些手术的准确性，如心室分流器放置。rollis和Roberts通过术前成像来规划放置导管的最佳轨迹，演示了成功的心室造口导管的机器人放置。18机器人植入为EVD植入提供了一个独特的机会，可以更广泛地使用，特别是在神经外科医生有限的地区。然而，要让没有受过神经外科训练的外科医生植入evd，就必须加入额外的技术和技术，这可能依赖于CT成像。
在这篇文章中，我们旨在强调神经外科护理的差异，评估世界各地的CT成像，并介绍一种新颖、廉价的机器人导航工具，它有可能在这些服务不足的地区提供急性救生手术。
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热点图
为了可视化一种设备最有利于全球神经外科辅助护理的世界区域，我们使用R (R项目)中的rworldmap包在热图上比较了神经外科医生、CT扫描仪、EVDs适应症开云体育app官方网站下载入口的发生率和国内生产总值(GDP)的报告地理集中。19
为了建立一个叠加神经外科医生、CT扫描仪、tbi相关死亡发生率、脑膜炎和小儿先天性脑积水的地理集中的热图，我们从以前的研究中提取了统计数据。至24各国神经外科医生数量的数据来自世界神经外科学会联合会发布的2016年世界神经外科劳动力数据。开云体育app官方网站下载入口24各国的GDP也被考虑在内，因为这种神经外科导航技术旨在为那些无力改善其神经外科基础设施的国家提供帮助。25来自这些来源的数据被汇总，任何在所列来源中没有指标的国家都被排除在进一步分析之外。
对数据库进行聚合，最小和最大统计值从0缩放到1。由于本研究旨在为神经外科资源较低的地区实施基于图像的神经外科导航系统，尽管evd指示疾病的发病率较高，但比较了CT扫描仪和疾病指征密集的地区和神经外科可及性稀少的地区。开云体育app官方网站下载入口
指示度量方程
本研究的关键挑战之一是为机器人导航策略的适应症制定统一的指标，包括CT可用性、神经外科医生的可及性和EVD放置的医学适应症。首先，根据EVD定位报告的病因频率构建了一个加权评分，标记为Place，用于聚集EVD适应症分数：26的地方分数= (w1×脑膜炎)+ (w2×先天性脑积水+ (w3.×创伤性脑损伤)。随后,地方分数与模型中其他3个特征的加权重要性相结合，包括国家的GDP，神经外科医生的反向可用性(N′)，以及为我们的系统提供指示的CT扫描仪的可用性，标记为Ind度规:印第安纳州度规= (w4× GDP) + (w5× N ') + (w6×地点分数) + (w7×CT)。
权重(w)4- w7)是根据描述目标人群的特征的相对发生率来选择的，包括统一指标总权重的60% (16% CT可用性，42%缺乏神经外科，42%低GDP)。开云体育app官方网站下载入口没有CT扫描仪的国家的权重远远低于几乎没有扫描仪的国家。EVD的适应症占模型权重的其余40% (TBI为84%，脑膜炎为7%，脑积水为8%)。这些值是根据evd在美国的相对使用情况选择的，为世界其他地区在某些情况下使用evd的频率提供了一个粗略的度量。26
需要规
为了考虑机器人导航最迫切需要的地方，我们通过将CT和GDP的权重设置为零来改变度量。虽然CT扫描对我们的设备的实施很重要，但导航的需求取决于神经外科医生的注意力和EVD放置的适应症的发生率。在未来的技术中，可能会探索克服对CT扫描仪的需求，以真正克服全面的需求。出于这个原因，我们在机器人导航的需求和我们特定设备的指示之间做出了重要的区分。
机器人实现
由于所述神经外科医生可用性的限制以及低中低收入国家CT成像的必要性，一种具有成本效益的被动导航机器人被设计出来，允许没有受过神经外科训练的外科医生为急性或先天性脑积水患者放置紧急evd (开云体育app官方网站下载入口图1一个)．导航系统具有4个自由度，由4个14位旋转编码器组成，角度分辨率为0.022°(CUI AMT22系列)。配套适配器使用Fusion 360 (Autodesk)设计，并使用Ender 5 3D打印机(Creality)在聚乳酸中3D打印。适配器通过支承球轴承连接到每个编码器，并与加工铝杆结合，形成每个机器人关节之间的机械链接。机器人底座包括一个贯穿底座编码器孔的不锈钢螺栓，用于将导航系统安全地连接到患者的头骨上。
导航的概念。答:机器人导航系统的原型，拆下线束以方便观察。B:当连接并注册到分段头颈部CT时，用于机器人导航系统的ros生成用户界面。
导航系统中的电子元件基于树莓派0 WF微控制器(树莓派基金会)，集成了4个旋转编码器，由定制的印刷电路板连接。电路板在EasyEDA中进行设计(EasyEDA)，如图图2，并使用碳粉转移方法制造。27编码器引脚的头焊接到电路板上，并由带有标准端子的28号铜线制成线束，以连接编码器、电路板和微控制器通用输入/输出(GPIO)头。
定制印刷电路板接线图。答:带第五个编码器扩展端口的引脚接线图。B:印刷电路板布局图，采用碳粉转印法印刷。
在操作过程中，微控制器读取编码器的位置，并通过无线传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)连接不断地将值发送到带有Ubuntu 20.04版本(Canonical Ltd.)操作系统的独立笔记本电脑上。笔记本电脑通过机器人操作系统(ROS) Noetic (Open Robotics)协调机器人功能，它包装了定制的Python 3.8 (Python软件基金会)脚本，为EVD放置提供实时手术导航。这些功能包括管理患者成像，临床设置说明，以及在手术过程中使用的实时导航显示(图1 b)．所有使用的软件都是从开源软件包中获得的，以方便在资源匮乏的环境中使用。
基于轨迹的导航系统，精度和可重复性是安全有效运行的关键。为了验证机器人的初始性能，执行了末端执行器位置的准确性和可重复性评估(末端执行器是机械臂末端的交互设备)。机器人底座被严格固定在精密光学面包板(MB4545/M, Thorlabs)上，带有五个3d打印校准支架，用于确定所有编码器的零位(图3)．经过校准后，六个3d打印的目标被放置在距离机器人底座不同的位置(图3 b)．这些目标被设计成与机器人末端执行器严格匹配，当放置在面包板上的已知位置时，作为测量机器人精度的地面真实位置。对于每一个目标，机器人从任意姿态移动到目标，并记录机器人的笛卡尔坐标。在6个目标中，每个目标重复5次，产生30个单独的测量结果。笛卡尔位置的差值由观察到的机器人测量值和期望的地面真实位置计算得出。每个笛卡尔方向(X, Y, Z)的精度计算为给定方向的平均误差，可重复性计算为95% CI(即平均值±2 × SD)。整体系统精度计算为机器人测量位置与预期位置之间的平均欧氏距离误差，重复性计算为95% CI。
光学面包板测试设置。答:使用光学面包板来设置4个编码器的“零”位置的校准工具。B:用于机器人重复性和精度测试的光学面包板靶。
结果
热图结果
我们对上述数据库的查询得到了适用于169个国家的统一结果。神经外科治疗可及性总体改善的前25个国家(表1和图4)是一个排名，它考虑了全国神经外科医生的数量和上述EVD安置适应症的发生率。特定机器人导航的前25个国家(表1和图5)是一个排名，它考虑了全国神经外科医生的数量，CT扫描仪，GDP，以及上述EVD安置适应症的发生率。我们认为，这一指标强调了资本和基础设施的环境，以支持机器人导航发展的明确需求;排名前三的国家是黑山、安提瓜和巴布达和塞舌尔。表1此外，还展示了基于需求指标的国家排名。这一需求指标总结了关于evd放置的神经外科发展的一般需求。
改善神经外科护理的适应症和按国家导航的EVD安置
| 排名 | 神经外科发展前25个国家 | 前25个国家的导航EVD安置 |
|---|---|---|
| 1 | 黑山共和国 | 黑山共和国 |
| 2 | 赤道几内亚 | 安提瓜和巴布达 |
| 3. | 巴哈马群岛 | 塞舌尔 |
| 4 | 苏里南 | 巴哈马群岛 |
| 5 | 特立尼达和多巴哥 | 圣文森特和格林纳丁斯 |
| 6 | 圣文森特和格林纳丁斯 | 特立尼达和多巴哥 |
| 7 | 圣卢西亚岛 | 圣卢西亚岛 |
| 8 | 安提瓜和巴布达 | 爱尔兰 |
| 9 | 莱索托 | 苏里南 |
| 10 | 巴巴多斯 | 巴林 |
| 11 | 科摩罗 | 马耳他 |
| 12 | 巴林 | 巴巴多斯 |
| 13 | 塞舌尔 | 毛里求斯 |
| 14 | 塞拉利昂 | 美属萨摩亚 |
| 15 | 毛里求斯 | 萨摩亚 |
| 16 | 美属萨摩亚 | 斯洛文尼亚 |
| 17 | 利比里亚 | Czechia |
| 18 | 马耳他 | 斯洛伐克 |
| 19 | 爱尔兰 | 保加利亚 |
| 20. | 所罗门群岛 | 赤道几内亚 |
| 21 | 萨摩亚 | 波兰 |
| 22 | 阿拉伯叙利亚共和国 | 莱索托 |
| 23 | 斯洛文尼亚 | 科摩罗 |
| 24 | Czechia | 波斯尼亚和黑塞哥维那 |
| 25 | 斯洛伐克 | 塞拉利昂 |
显示需要神经外科医生的国家和EVD适应症的热图。通过结合神经外科医生的全球分布和脑外伤、脑膜炎和脑积水的发病率，这张地图显示了机器人导航系统的需求最高的地方，0表示低需求，1表示高需求。使用R语言制作的rworldmap包。19
通过加权神经外科医生、CT扫描仪、GDP和tbi相关死亡、脑膜炎和小儿先天性脑积水的发生率，显示设备试验的指征的热图。评分范围从0到1，按国家从小到大反映器械试验的好处。使用R语言制作的rworldmap包。19
机器人导航结果
利用光学面包板精度测量系统测量机器人的笛卡尔位置精度(X、Y、Z平移)和整体精度。整个导航系统的位置精度为1.53±2.50 mm (95% CI)。X的定位精度为−0.21±2.04 mm (95% CI)。Y的定位精度为0.12±1.43 (95% CI)。Z区定位精度为−0.71±2.78 mm (95% CI)。这些结果在图6．
盒状图显示了30个样本的总体机器人精度，并使用笛卡尔(X, Y和Z)坐标精度进行比较。
讨论
用于生成的模型图4热图被设计为观察全球改善神经外科护理的需求所必需的最小度量，并作为用于生成数据的模型的控制图5热图，设计用于比较与此处提出的机器人导航系统相关的适应症和护理普及率。该设备最好用于CT可用、缺乏神经外科护理和放置EVD的普遍指征的地区。国内生产总值较低的国家也被选中，因为我们预计他们获得医疗服务的增长速度会较慢，因此，他们将在更长的一段时间内受益于这种导航系统的技术。
虽然在所有描述的指标中，没有一个国家与我们的设备完全匹配，但有些国家接近。例如，黑山拥有相当发达的医疗系统，拥有许多CT扫描仪;然而，该国的神经外科医生数量处于最低水平，尽管EVDs的适应症中等。因此，黑山将与我们的热图强调的其他几个国家一道，从实施这一挽救生命的EVD指示导航系统中受益。
这项分析表明，在evd指征高的地区缺乏CT扫描仪。此外，即使在低收入国家，CT扫描仪也更有可能出现在高收入地区。14，28鉴于目前CT在确定导航机器人的参考图像方面的必要性，该分析表明了实施的关键限制和限制，这可以推断为任何用于EVD放置的导航辅助技术。
随着必要的CT扫描仪的充足供应，神经外科护理的缺乏，以及急性TBI的高发，在这些地区，有证据表明需要辅助技术来实现救生治疗。为了满足这一需求，所提出的导航系统设计与临床工作流程，这是一个适应当前的护理标准(图7)．29-31该过程从术前CT扫描开始，随后使用开源3D切片机程序(3D切片机，slicer.org)识别颅骨，用于机器人CT配准;识别脑室，用于生成目标轨迹。然后，外科医生在机器人附着的Kocher 's point(眼后10-12厘米，中线外侧2-3厘米)处使用集成骨螺钉(图1一个)．在将机器人安全地连接到患者身上后，在定制软件中执行刚性配准，将机器人与术前CT坐标空间联系起来。注册完成后，用户界面将显示机器人和附加的EVD的实时位置，提供EVD相对于分割心室的轨迹的连续视图，用于手术指导。按照工作流程，患者将被监测，理想情况下将被转移到能够更好地管理其主要神经系统疾病的护理团队。
标准护理EVD放置和建议的导航设备辅助EVD放置之间的工作流比较。
从机器人收集的初始精度和可重复性测量结果表明，低成本的机器人神经外科手术方法是可行的。开云体育app官方网站下载入口此前有研究发现，胎儿侧脑室的平均心房直径为7.6 mm，且脑室大小只会随着年龄的增长而增大。32整体导航系统精度为1.53±2.50 mm (95% CI)，即使在先天性脑积水的情况下，也能够成功地指导EVD的放置。该机器人应用的一个限制是目前需要颅骨上的骨螺钉，这将使其在婴儿身上使用更加困难。Berry等人报道了10岁以下儿童使用该药物的潜在并发症:凹陷性颅骨骨折、硬膜外和硬膜下血肿以及脑脊液漏。33，34为了避免不必要的风险，目前的机器人实施将用于10岁或10岁以上的患者，而在年轻患者中使用该技术需要对使用替代固定方法进行调查。
由于其简单的机械设计和开源软件，精确的低成本机器人易于修改，应用程序可以很容易地扩展到包括其他基于导航的程序。例如，导航对于访问位于大脑深处的病变或囊肿是有用的，因为在这些情况下，表面地标可能不那么准确。35它也可能有助于深部脑刺激手术治疗某些神经疾病，如帕金森病、肌张力障碍、慢性疼痛和癫痫发作障碍的立体脑电图诊断，其中需要成像来确定电极导线放置的目标位置。36，37精确、低成本的机器人也可能用于放置其他类型的脑脊液分流器，如脑室-腹膜分流器和脑室-盔状下分流器，以及心室通路装置。38除了神经外科之外，被动导航机器人还开云体育app官方网站下载入口可以用于深部结构(如肺、肾或肝脏)的经皮活检，为脊柱手术放置椎弓根螺钉，甚至作为外科训练设备，为新手外科医生提供连续的轨迹反馈。
热点图的局限性
共有169个国家被包括在热图中。未在数据中显示的国家在热图中以灰色表示。此外，虽然Ind度规在与设计和实施团队讨论设备的基础上，缺乏神经外科、CT可用性、GDP和EVD放置的综合适应症的价值的基本原理取决于主观因素。开云体育app官方网站下载入口这就在可行性分析中产生了偏差的可能性。
机器人导航系统的局限性
导航系统受到几个因素的限制:编码器的精度、3d打印部件的刚度以及组件的成本。根据编码器的规格，理论上估计最坏情况误差< 2.44 mm。如果零件是机械加工或铸造而不是3D打印，它们可以变得更加坚硬，从而进一步减少与3D打印固有的屈曲和公差问题相关的观察误差。最后，为了使这项技术在低资源环境中更加可行，有意将与该机器人相关的成本降至最低。原型机的成本为249.46美元，包括所有电子产品和原材料，不包括生产中使用的任何工具，以及Codman Bactiseal EVD (Integra LifeSciences)和光学面包板图2．通过大规模生产该系统，这一成本可能会进一步降低。
未来的发展方向
虽然这项研究说明了机器人在全球EVD导航中的可行性，但该导航系统的实施存在重要障碍。尽管验证了机器人的准确性，并证明它符合hic技术的护理标准，但该系统必须部署在具有代表性的临床模型中，以验证临床使用。首先，尸体研究将有助于量化这一原型机器人在人类导航中的功效和工作流程。本尸体研究将使用Thiel的脑内、心室注射福尔马林标本的防腐方法，该方法已被证明对EVD模拟有效。39在尸体测试之后，原型设计的改进，包括最小化外部布线，创建一次性无菌套，电池供电的无线实现，以及其他，将最终确定最小可行的产品。
还可以研究用于导航和成像的其他方式，包括电极放置、脑活检和其他基于轨迹的毛刺孔手术。此外，还将探讨军事或紧急医疗服务创伤环境。需要使用CT;然而，正在进行的低成本、无创侧脑室成像研究可能会成为我们提出的导航系统的一个有价值的补充，为EVD放置提供参考成像。40，41
结论
无法获得evd可能使患者无法接受任何类型的脑积水管理护理。虽然在某些情况下，中层从业人员也可以采取类似的救生措施，但导航系统可以极大地提高从业人员在高压情况下的信心。42我们试图为那些没有受过明确的神经外科训练的外科医生创造一种设备，以弥补紧急神经外科的重要技能障碍。开云体育app官方网站下载入口使用该设备的用户界面，外科医生将拥有安全执行EVD放置的工具和指导。在这项可行性研究中，我们发现实施这种装置是可行的，并可能对特定国家产生影响。
致谢
这项研究得到了卡尔伊利诺斯医学院创新路径基金的支持。
我们感谢圣路易斯大学神经外科对这项工作的初步贡献;开云体育app官方网站下载入口特别是Richard Bucholz，医学博士;Philippe Mercier，医学博士;以及Najib El Tecle医学博士。此外，我们感谢Andrew Hall博士，ScD;以及Michael Borovik, MS，感谢他们对这一概念发展的支持。
披露的信息
构思与设计:AD Smith, Teague。数据获取:AD Smith, Teague, Naik, Janbahan, Krist。数据分析和解释:AD Smith, Teague, Naik, Janbahan, EJ Smith, Krist。文章起草人:AD Smith, Naik, Janbahan, EJ Smith, Krist。批判性地修改文章:Hassaneen, AD Smith, Naik, Janbahan, EJ Smith, Krist, Parupalli。审稿版本:所有作者。代表所有作者哈萨宁批准了手稿的最终版本。统计分析:AD Smith, Teague, Naik, Janbahan。行政/技术/材料支持:Hassaneen, AD Smith, Teague, EJ Smith。研究督导:Hassaneen, AD Smith, Naik, Teal。
补充信息
之前的演讲
本文的部分内容于2021年4月9日在伊利诺伊大学香槟分校举行的第16届年度协调科学实验室学生会议上口头提出。
参考文献
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12 ↑
米勒T．确保21世纪足够的神经外科劳动力．长神经外科医生．11月2，2016．2021年11月17日访问。https://aansneurosurgeon.org/departments/neurosurgical-workforce-shortage-effect-subspecialization-cast-shortening-residency-training/
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23
想象一下-．CT扫描仪(每1mil)。原子能机构人类健康校园．2021年11月17日访问。https://humanhealth.iaea.org/HHW/DBStatistics/IMAGINEMaps2.html
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24 ↑
全球神经外科劳动力地图- 2016年世界神经外科劳动力。开云体育app官方网站下载入口世界神经外科学会联合会．2021年11月17日访问。https://wfns.org/menu/61/global-neurosurgical-workforce-map
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28 ↑
西尔弗斯坦J．世界上大多数地方都没有x光．大西洋．2016年9月27日发布。2021年11月17日访问。https://www.theatlantic.com/health/archive/2016/09/radiology-gap/501803/
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29
心室外引流置入隐身研究．NCT03696043。ClinicalTrials.gov．最后更新于2021年6月8日。2021年11月17日访问。https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03696043
