【论著】术前智能化微导管塑形模拟技术辅助颅内未破裂动脉瘤栓塞术的安全性和有效性研究

摘要:目的 分析颅内未破裂动脉瘤栓塞术前智能化微导管塑形软件技术辅助的安全性和有效性,以及对低年资医师治疗效果的影响｡ 方法 前瞻性连续纳入首都医科大学宣武医院神经外科2020年12月至2021年9月行弹簧圈栓塞术的颅内未破裂动脉瘤患者,通过中央随机系统将符合纳入与排除标准的患者随机分配到试验组和对照组,试验组采用颅内动脉瘤手术计划软件[强联智创(北京)科技有限公司]辅助下进行微导管塑形,对照组由神经外科医师根据自身诊疗经验进行微导管塑形｡分析试验组和对照组患者有效性终点(微导管一次到位率､5 min微导管到位率､微导管输送到位时间､微导管输送次数､优良率)和安全性终点(围手术期出血和缺血事件､术后6 个月动脉瘤复发)｡为分析颅内动脉瘤手术计划软件辅助不同操作经验神经介入医师的有效性,进一步对独立操作年限≤5年的医师操作弹簧圈栓塞手术的有效性终点进行分析｡ 结果 共100例颅内未破裂动脉瘤患者,4例被排除(2例入组时发生破裂,2 例为外院复发动脉瘤),最终纳入96 例患者,其中试验组纳入49例患者49个动脉瘤,对照组纳入47例患者47个动脉瘤｡试验组和对照组患者性别､年龄､基础病史(高血压病､高脂血症､糖尿病)､动脉瘤部位､规则动脉瘤､术者年限≤ 5年独立操作的差异均无统计学意义(均P > 0. 05)｡试验组微导管5 min到位率､一次到位率､输送优良率均高于对照组[98. 0%(48 / 49)比66. 0%(31 / 47),χ2 = 14. 735;98. 0%(48 / 49)比68. 1%(32 / 47),χ2= 13. 992;98. 0%(48 / 49)比68. 1%(32 / 47),χ2 = 13. 992],而输送到位时间和输送次数均少于对照组[34(17,51)s比200(123,478)s,Z = 271. 000;1(1,1)次比1(1,2)次,Z = 804. 000],组间差异均有统计学意义(均P < 0. 01)｡试验组和对照组均未发生围手术期出血事件;试验组未发生围手术期缺血事件,对照组围手术期缺血事件发生率为4. 3%(2 / 47),其中1例为左侧后交通穿支动脉梗死,1例为术中血栓,经对症治疗后均好转｡术后6个月影像学随访率为43. 8%(42 / 96),试验组与对照组动脉瘤复发占比的差异无统计学意义(P = 1. 000)｡独立操作年限≤ 5年医师共行弹簧圈栓塞术30例,其中试验组微导管5 min到位占比､一次到位占比､输送优良占比均高于对照组(17/ 18比6 / 12,χ2 = 5. 660;17 / 18比8 / 12,χ2 = 10. 060;17 / 18比8 / 12,χ2 = 10. 060),输送到位时间短于对照组[34(11,58)s比294(71,726)s,Z = - 3. 409],输送次数少于对照组[1(1,1)次比1(1,2)次,Z =- 2. 023],组间差异均有统计学意义(均P < 0. 05)｡ 结论 术前智能化微导管塑形技术辅助有助于神经介入医师提升微导管塑形弹簧圈栓塞术的有效性,并且对于手术操作年限相对较短医师的栓塞操作有一定的辅助作用｡

在35 ~ 75岁的中国人群中,颅内动脉瘤的患病率可高达7%｡血管内介入治疗已经成为颅内动脉瘤的首选治疗方法,其中弹簧圈栓塞术应用最为广泛,但介入医师的专业背景､操作水平和从业经验可能对弹簧圈栓塞术的治疗效果和安全性存在一定的影响｡

人工智能技术已经广泛应用于颅内动脉瘤的诊疗过程中,包括动脉瘤筛查､形态学测量､破裂风险评估等方面｡微导管塑形作为动脉瘤弹簧圈栓塞术的基本操作技术,是成功栓塞动脉瘤的关键步骤之一｡目前已有成熟的软件可以辅助医师设计微导管塑形方案,进而有效提升手术的效率､效果和安全性｡本研究旨在分析智能化微导管塑形软件辅助神经外科介入医师进行弹簧圈栓塞手术的效率和效果,并探索颅内动脉瘤手术计划软件辅助不同操作经验神经介入医师的有效性｡

1 对象与方法

1. 1 对象

前瞻性连续纳入2020年12月至2021年9月在首都医科大学宣武医院神经外科接受介入手术治疗的颅内未破裂动脉瘤患者｡本研究方案经首都医科大学宣武医院伦理委员会审核批准(临械审[2020]009号),所有受试者或其家属对研究方案知情并签署了本研究的知情同意书｡

纳入标准:(1)年龄18 ~ 75岁,性别不限;(2)经CT血管成像(CTA)､MR 血管成像(MRA)或DSA证实为颅内未破裂动脉瘤;(3)单发动脉瘤;(4)拟接受动脉瘤弹簧圈栓塞术;(5)患者临床或影像学资料完整｡

排除标准:(1)术中单纯应用血流导向装置或瘤内扰流装置;(2)未进行微导管塑形;(3)因血管狭窄或痉挛导致微导管难以通过;(4)诊疗过程中发生动脉瘤破裂;(5)曾接受介入治疗的复发动脉瘤｡

1. 2 研究方法及评价标准

本研究为单中心､前瞻性､随机对照研究｡将符合纳入与排除标准的患者通过中央随机系统随机分配到试验组和对照组,试验组采用颅内动脉瘤手术计划软件[国械注准20223211346,强联智创(北京)科技有限公司]辅助下进行微导管塑形,对照组由神经外科医师根据自身诊疗经验进行微导管塑形｡

为分析颅内动脉瘤手术计划软件辅助不同操作经验神经介入医师的有效性,进一步对独立操作年限≤5年的医师操作弹簧圈栓塞手术的有效性和安全性进行分析｡

记录并比较试验组与对照组患者的一般资料(性别､年龄)､基础病史(高血压病､糖尿病､高脂血症)､动脉瘤特征(部位､形态规则或不规则)､手术信息(术者独立操作经验等)､研究终点,其中形态不规则动脉瘤是指分叶状或伴有子囊的动脉瘤｡研究流程见图1｡

1. 3 颅内未破裂动脉瘤弹簧圈栓塞术的手术策略

根据《颅内动脉瘤血管内介入治疗中国专家共识(2013)》的策略对颅内未破裂动脉瘤行弹簧圈栓塞术治疗,在微导管塑形及热定型后行微导管介入输送的过程中,若反复输送仍无法到位,则将微导管撤出体外或换用新微导管重新塑形后再次输送｡试验组及对照组患者的弹簧圈栓塞术均由首都医科大学宣武医院具备独立栓塞资质的神经外科医师完成,本研究不限制微导管总体输送次数｡

1. 4 微导管塑形方法

1. 4. 1 智能化微导管塑形方法:智能化微导管塑形技术由强联智创(北京)科技有限公司与首都医科大学宣武医院和复旦大学附属华山医院共同研发,其原理为基于动脉瘤和载瘤动脉的几何形状,以血管中心线为约束的逐步微导管模拟算法,并引入血管壁碰撞校正因子,自动计算最佳微导管路径和尖端形状｡

本研究采用的智能化微导管塑形软件为搭载上述技术的UKnow颅内动脉瘤手术计划软件[版本号:UKA201907001,强联智创(北京)科技有限公司],软件功能包括血管造影三维体层图像显示､分割､测量及辅助神经介入医师进行动脉瘤弹簧圈栓塞所用微导管路径和塑形规划｡该软件搭载于独立工作站,在试验中由软件工程技术人员指导手术医师在工作站完成塑形软件的操作,以确保操作过程中的稳定性｡

1. 4. 2 试验组操作步骤:(1)当患者完成DSA后,在正式介入栓塞前,启动颅内动脉瘤手术计划软件,加载受试者原始DICOM 影像,并进行DSA 三维重组｡(2)由医师截取动脉瘤(前循环､后循环)所在血管感兴趣区,且需有足够长的距离计算微导管支撑点,对于前循环动脉瘤,其近端至少位于颈内动脉岩垂直段,远端超过1. 5倍瘤颈距离;对于后循环动脉瘤,其近端至少自V3 段,远端超过1. 5 倍瘤颈距离｡(3)点击动脉瘤顶并标记种子点,根据智能化中心线算法完成责任动脉瘤的分割｡(4)完成动脉瘤自动化空间形态学参数测量,主要记录瘤体最长径,即动脉瘤瘤颈中点至瘤顶的最大距离｡(5)在动脉瘤腔内标记种子点,录入拟使用的微导管[软件中集成了常用微导管的品牌和回弹系数,常用弹簧圈微导管包括Enchlon 10(EV3 公司,美国)､SL-10(史赛克医疗器械有限公司,美国)]的回弹系数,软件即可输出微导管路径及塑形针的塑形方案｡(6)同步给出塑形方案中微导管各转弯节段的角度和长度｡见图2｡

1. 4. 3 对照组操作步骤:术前采用UKnow颅内动脉瘤手术计划软件进行动脉瘤测量,以获得动脉瘤形态学参数｡微导管塑形及后续介入栓塞过程中对微导管的调整则由神经外科医师根据自身操作经验完成｡

1. 5 研究终点

1. 5. 1 有效性终点:(1)手术中微导管一次到位率,即微导管一次到位例数与总例数的百分比｡(2)5 min微导管到位率,即5 min内微导管到位例数与总例数的百分比;试验初期根据专家经验确定5 min内微导管到位为优良｡(3)弹簧圈微导管输送到位时间,即微导管自出导引导管至成功进入动脉瘤的时间间隔,而支架微导管到位时间不纳入最终统计｡(4)微导管输送次数,即手术过程中微导管自体外完成塑形后推送入动脉瘤的次数｡(5)微导管输送性,即参照文献标准,将微导管输送性分为优､良､差三级,并计算优良率,其中优指不借助微导丝,仅使用微导管顺行或逆行成功进入动脉瘤;良指在微导丝引导下,微导管顺行或逆行成功进入动脉瘤;差指不能进入动脉瘤内或需重新塑形｡优良率(%)=优良例数/总例数×100%｡

1. 5. 2 安全性终点:主要观察复发､围手术期出血和缺血事件｡(1)术后动脉瘤复发定义为在颅内未破裂动脉瘤弹簧圈栓塞术后6 个月的影像随访中,完全闭塞后的动脉瘤出现任何的瘤颈､瘤体显影或新生子囊,或原瘤颈残留动脉瘤增长为瘤体显影,或原不完全栓塞瘤体残留出现动脉瘤残留部分显影增大｡(2)围手术期缺血事件指术中血栓栓塞事件,包括血栓形成､排除血管痉挛情况后的载瘤动脉血流延缓或血管不显影及术后72 h内缺血事件,并经头部CT证实为新发脑梗死｡(3)围手术期出血事件指动脉瘤破裂,即在栓塞过程中发生对比剂自动脉瘤外溢至周围蛛网膜下腔及术后72 h内出血事件,参照既往抗血小板聚集治疗的相关研究报道,术后72 h内出血事件包括鼻衄､牙龈出血､肉眼血尿､皮肤点状出血或瘀斑､腹股沟血肿､腹膜后血肿､消化道出血｡

1. 6 统计学分析

应用SPSS 25. 0统计软件对数据进行统计学分析｡采用Kolmogorov-Smirnov 检验方法对计量资料进行正态性分析｡符合正态分布的计量资料以x- ± s表示,组间比较采用t 检验;非正态分布的计量资料以中位数和四分位数[M(P25,P75)]表示,组间比较采用Mann-Whitney U 检验｡计数资料以例(%)或个(%)表示(涉及动脉瘤的资料以瘤数进行统计),组间比较采用χ2检验或Fisher 确切概率法｡以P < 0. 05为差异具有统计学意义｡

2 结果

共100 例颅内未破裂动脉瘤患者,其中4 例被排除(2 例入组时发生破裂,2 例为外院复发动脉瘤),最终纳入96例患者,其中男29例,女67例;年龄30 ~ 74岁,平均(57 ± 10)岁;经UKnow颅内动脉瘤手术计划软件工作站测得入组动脉瘤瘤体最长径为1. 7 ~ 9. 7 mm;试验组49例,对照组47例｡

2. 1 两组患者一般资料比较

试验组纳入49例患者共49个动脉瘤,年龄30 ~72岁;对照组纳入47例患者共47个动脉瘤,年龄31~74岁｡两组患者性别､年龄､基础病史(高血压病､高脂血症､糖尿病)､动脉瘤部位､规则动脉瘤､术者年限≤5年独立操作的差异均无统计学意义(均P > 0. 05)｡见表1｡

2. 2 两组有效性终点比较

试验组微导管一次到位率､5 min到位率､输送优良率均高于对照组,而输送到位时间和输送次数均少于对照组,组间差异均有统计学意义(均P < 0. 01)｡见表2｡

2. 3 两组安全性终点比较

试验组和对照组均未发生围手术期出血事件;试验组未发生围手术期缺血事件,对照组围手术期缺血事件发生率为4. 3%(2/47),其中1 例为左侧后交通穿支动脉梗死,1例为术中血栓,经对症治疗后均好转｡

术后6 个月影像学随访完成率为43. 8%(42 / 96),试验组与对照组动脉瘤复发占比的差异无统计学意义(1/23比1/19,P= 1. 000)｡

2. 4 独立操作年限≤ 5 年医师采用不同微导管塑形方法的有效性终点比较

独立操作年限≤ 5年医师共行弹簧圈栓塞术30 例,其中试验组5 min到位占比､一次到位占比､输送优良占比均高于对照组,输送到位时间短于对照组,输送次数少于对照组,组间差异均有统计学意义(均P<0.05)｡见表3｡

3 讨论

颅内动脉瘤弹簧圈栓塞术是临床应用最为广泛的介入手术方式,其中微导管塑形是颅内动脉瘤弹簧圈栓塞术的关键技术环节｡适宜的微导管塑形方案可以使微导管到位简单高效,减少导丝导管对血管的干扰,提升栓塞过程中微导管的稳定性,缩短手术时间,减少并发症发生率,从而获得良好的预后效果｡

由于颅脑血管结构复杂,动脉瘤解剖特征多样,不同微导管具有不同的回弹特征,且手术过程中存在不可预见性,使神经外科医师面临巨大考验,而现有的神经介入医师培训及培养方式存在较多限制,使神经外科医师学习和熟练掌握微导管塑形技术存在一定的困难｡近年来随着国内卒中中心建设工作的推进,全国颅内动脉瘤诊疗理念和诊疗技术取得深入发展,颅内动脉瘤弹簧圈栓塞手术例数从2017年的14 519例增至2019年的41 967例,要求我们更应尽快掌握微导管塑形技术,以有效提升手术效率和安全性｡

有研究报道,由于颅内动脉瘤行介入治疗的患者体量不同带来了住院时长差异,其原因之一是医师在介入治疗过程中微导管以及弹簧圈使用水平的熟练程度｡本研究结果表明,在颅内未破裂动脉瘤介入治疗过程中,智能化微导管塑形模拟技术辅助医师进行微导管塑形可提升塑形后一次到位率,减少微导管到位次数同时缩短微导管到位时间,进而提升颅内未破裂动脉瘤介入治疗的有效性和安全性｡进一步对独立栓塞动脉瘤年限≤ 5年的介入医师进行分析,结果表明,采用智能化微导管塑形技术可提高微导管一次性到位率,减少微导管到位时间等,提示该技术能够为稍低年资(≤ 5 年)医师起到良好的辅助作用｡微导管的快速准确到位,有助于避免因微导管反复摩擦瘤颈及载瘤动脉而造成的可能的斑块脱落,进一步确保了患者的安全｡

软件的另一创新性优势在于塑形技术培训方面｡传统的血管介入模拟器和3D打印等技术对于微导管塑形的培训和应用有一定辅助效果,如血管介入模拟器可以使操作者有视觉和触觉反馈,通过反复练习增加操作协调性,养成良好操作习惯,甚至可以对操作进行打分以评价培训质量｡但有研究发现,由于制作成本较高,且可兼容的动脉瘤病例非常局限,经过体外模拟培训到能够熟练进行手术之间尚存在很大差距｡而3D打印技术虽然能精准还原不同部位､不同类型的动脉瘤的形态特征,但不仅需要较长的打印制作时间,且无法提供中空的血管和动脉瘤模型,对于设计微导管塑形方案并无法提供有效的辅助,所以并不能应用于临床实际手术场景中｡本研究中,与神经外科医师根据自身诊疗经验进行微导管塑形的方案比较,软件辅助微导管塑形方案提高了一次到位率,同时减少了到位次数,因此,软件辅助可能为一种良好的塑形策略,同时该种模拟技术有助于手术操作年限相对较短的神经外科介入医师尽快理解塑形原理,提高手术效果和效率｡

本研究存在一定的局限性｡首先,入组数据来自高体量的单中心,不能代表不同水平中心的情况｡其次,不同操作经验医师在动脉瘤栓塞术前对方案的评估及治疗选择方面存在不同,其差异不完全来自微导管塑形环节,故由此带来的评价误差难以避免｡最后,整体随访样本量较少,尚无法对软件辅助的远期疗效进行准确评估｡故未来尚需进行大样本､不同级别中心､长期随访的研究,以进一步探索人工智能软件辅助的价值｡

4 结论

微导管塑形是颅内动脉瘤弹簧圈栓塞术的关键技术环节,智能化微导管塑形模拟技术可以提高微导管一次性到位率,缩短到位时间,减少到位次数,同时可以辅助手术操作年限相对较短的神经介入医师提升微导管塑形效果和效率,从而提升弹簧圈栓塞术的安全性和有效性｡