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增强现实应用于颅底手术的初步研究

2021-02-21 高谋 徐涛 王知秋

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基于光学透视式头盔显示器的增强现实技术应用于手术计划日渐推广,术前CT图像进行AR配准可提高颅底手术重要解剖结构的辨识度。

美国约翰霍普金斯大学医学院耳鼻喉科的Francis X. Creighton等评估Microsoft Hololens用于颅底手术导航的可行性,结果发表于2020年8月《Otology & Neurotology》在线。


——摘自文章章节


【Ref: Creighton FX, et al. Otol Neurotol. 2020 Aug;41(7):883-888. doi: 10.1097/MAO.0000000000002724.】


研究背景



基于光学透视式头盔显示器(OST-HMD)的增强现实(augmented reality,AR)技术应用于手术计划日渐推广,术前CT图像进行AR配准可提高颅底手术重要解剖结构的辨识度。Microsoft Hololens是最常用的AR系统,美国约翰霍普金斯大学医学院耳鼻喉科的Francis X. Creighton等评估Microsoft Hololens用于颅底手术导航的可行性,结果发表于2020年8月《Otology & Neurotology》在线。


研究方法



依据HMD平台的AR系统可以对颞骨模型进行虚拟展示和实际操作。将四个基准点融入该模型,并实时手动校准体表标记。为测试HMD平台的准确性,在AR系统中创建虚拟直线,使其贯穿于可视化的实时基准点。从不同角度测量虚拟直线与四个基准点所对应的虚拟基准点间的距离,用目标配准误差(target registration error,TRE)表示。


研究结果



在10个试验中,颞骨的数字信息和医学通讯(Digital Information and Communication in Medicine,DICOM)档案数据均成功地上传到AR系统中,并可通过手势调整虚拟模型(图1)。

图1. 左图示PHACON DICOM的虚拟图像。右图示选择感兴趣的区域为虚拟的PHACON颞骨(红色)和基准点(蓝点)。
 
在10个试验中,手势均能移动并锁定虚拟模型,使其与现实模型在视觉上显现令人满意的配准(图2)。平均TRE为10.62±5.90mm(图3)。

图2. 基于Unity软件的滚动效果,显现高分辨力的、可识别的颞骨常见标记。

图3. 左图示,通过对齐现实与虚拟的标记点,实现手动重叠配准虚拟基准点与实物标记点。右图示,在点对线实验中可见通过每个基准点所创建的3D投射线,以明确目标配准误差(TRE)。


结论



该研究结果表明,基于CT图像的AR技术可用于配准患者体表标记;但目前AR软件仍有不足,例如TRE过大而不能应用于颅底手术。今后随着AR技术的发展有望减小配准误差。


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