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(1.大連醫(yī)科大學研究生院，遼寧 大連 116044；2.沈陽軍區(qū)總醫(yī)院骨科，全軍重癥戰(zhàn)創(chuàng)傷救治中心，遼寧 沈陽 110016)

前交叉韌帶重建術正成為治療前交叉韌帶損傷的金標準，術中股骨端隧道定位點的確定常采用盲穿或利用相關儀器輔助定位。盲穿需要手術醫(yī)師具有豐富的臨床經(jīng)驗及熟練的操作，儀器輔助定位不利于根據(jù)個體差異進行定位點選擇，且存在系統(tǒng)誤差。前交叉韌帶股骨端隧道定位點位于關節(jié)腔深部，合適的進針角度及確定足印區(qū)股骨止點所在位置是保證定位精確的關鍵[1]。增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)技術是通過計算機事先把患者影像資料經(jīng)處理后用Pad、手機等設備呈現(xiàn)虛擬圖像與現(xiàn)實圖像疊加的效果，即手術部分器官在體表透明投射效果，技術上切實可行，但其精準度需要驗證。我們運用AR手術導航技術，模擬前交叉韌帶股骨止點的定位，首先利用3D打印技術制作出一個特制的立方體模擬膝關節(jié)，該立方體用于客觀評價在AR導航下操作者尋找定位點的精準度，以便為今后該技術應用于臨床操作提供參考，現(xiàn)報告如下。

1　資料與方法

1.1　臨床資料

采用Materialise3-matic軟件(比利時)設計模擬該實驗的立方體模型的STL文件，通過3D打印機(MakerBot Replicator Z18)打印1個長35 cm、寬17 cm、高17 cm的立方體模型，打印材料由PLA組成。立方體頂面對角線交點留孔作為進針點。立方體底面的內(nèi)表面設計成直徑分別為0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1.0 cm、1.25 cm、1.5 cm的同心圓六環(huán)靶，共4個均勻分散在底面；立方體4個側(cè)面內(nèi)表面采用同樣方法各標記一個同心圓靶點。應用Materialise3-matic軟件設計入路通道，定位標準點為同心圓圓心位置。Web-GL技術最終實現(xiàn)網(wǎng)頁端的3D模型展示(圖1a)。通過Pad或手機呈現(xiàn)的虛擬圖像與打印的模擬盒子進行外緣配準定位后，實現(xiàn)虛擬圖像(帶穿刺導航通道)與現(xiàn)實圖像重合(圖1b、c)。

1.2　方法

1.2.1AR定位精準度驗證選取從事臨床工作的骨科醫(yī)生50名，平均從事臨床工作(3.0±1.6)年，其中男41例，女9例，平均年齡(29.5±3.6)歲，隨機抽取編號1～50后，按順序進行操作，AR定位方法見圖1d。每名操作醫(yī)師均在AR導航下對立方體內(nèi)共5個操作平面不同角度的8個靶點進行定位操作，所有操作者均在3 min內(nèi)完成，記錄定位點所在環(huán)數(shù)，最后對所有數(shù)據(jù)進行提取，并對結果進行統(tǒng)計分析。

1.2.2滿意度調(diào)查采用問卷形式對AR導航下操作者主觀滿意度進行評分，內(nèi)容包括：①對操作過程的整體滿意度，1分為極不滿意，10分為非常滿意；②AR導航下對操作者的幫助程度，1分為毫無幫助，10分為十分有幫助；③AR導航下對定位點可控性滿意程度，1分為極不滿意，10分為非常滿意。

1.3　統(tǒng)計學分析

a:軟件設計定位入路通道;b:AR下導航引導定位;c:手機端AR引導定位(內(nèi)景);d:手機端AR引導定位(外景)

圖1AR導航下模擬前交叉韌帶股骨端定位示意圖

2　結果

表1　AR導航下定位點精確度)

表2　AR導航下操作者主觀滿意度評分分)

3　討論

膝關節(jié)鏡前交叉韌帶重建術的成敗關鍵在于對深部股骨端韌帶止點的精確定位。目前臨床上主要采用盲穿定位或輔助一些定位支架，但存在較大誤差或不能根據(jù)個體差異做出具體調(diào)整的問題。近年來，基于AR技術的手術導航技術逐漸被應用到臨床[2]。AR是在虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術上逐漸發(fā)展起來的通過利用計算機系統(tǒng)提供的信息來增強人眼對現(xiàn)實世界感知的新技術[3-5]。AR技術可將計算機生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息實時準確地疊加并顯示到真實的手術場景中，達到虛實結合的效果，這讓使用者可觀察到肉眼看不到的內(nèi)部結構，增強使用者對真實世界的觀察[6-7]。同時，AR技術還具有較強的交互性和簡便性，因為手術入路通道是事先在電腦內(nèi)設計好的，該技術的重大突破是避免了操作者需一邊看虛擬導航圖像，一邊與操作對象真實的解剖結構進行對照的不足，是真正意義上的實時交互[8]。AR技術不影響操作者身處真實環(huán)境的客觀感受，通過比VR有更高精度的三維匹配，可達到普通肉眼手術無法實現(xiàn)的精準度[9-10]。

本研究運用同樣的原理將此應用在模擬臨床前交叉韌帶股骨端止點定位中，首先經(jīng)過三維虛擬設計，在AR顯示屏上輸出預先設計好的立方體虛擬模型及入路通道，同時與實驗立方體的實體信息相結合，該立方體可視為人體膝關節(jié)的簡化，操作者便可獲得肉眼無法觀察到的立方體內(nèi)部信息，如靶點的具體位置、靶點與鄰近結構的位置關系等重要信息，做到虛實結合，實現(xiàn)對肉眼可見現(xiàn)實的“增強”或“透明化”。本研究建立了一個基于AR的定位導航系統(tǒng)，引入了立方體模型配準方法[11]：術前在計算機上形成立方體的三維虛擬模型，通過立方體模型制作標志物支架，掃描后得出立方體模型和標志物的三維數(shù)據(jù)用來進行配準。同時使用模式識別技術識別視頻圖像中預先定義好的標志物，在導航定位前完成立方體虛擬影像與立方體實體的配準，采用視頻檢測方法進行定位。最后做到虛實結合，達到術中導航的目的，通過該模擬研究證明AR導航下定位精確度較高，能給臨床操作者帶來較大幫助。

前交叉韌帶股骨端定位點一個重要關注點是周圍重要解剖結構之間的位置關系，AR技術運用到臨床手術定位中，操作醫(yī)生可以通過處理計算機斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)等數(shù)據(jù)，在醫(yī)學影像信息的引導下實時觀察立方體的內(nèi)部空間結構，并判斷定位靶向區(qū)域與介入穿刺針之間的位置關系，最大程度地讓操作者觀察到手術操作部位及附近重要的毗鄰解剖結構，幫助操作者準確地進行定位路徑規(guī)劃，達到精確治療的目的[12-14]。使用AR技術在局限的操作空間下選取合適的標志作為入路點，通過跟蹤技術[15]，選取精確的定位路徑，避免損傷周圍重要的解剖結構，是保證定位成功的關鍵因素[16]。即路徑可以在計算機上提前設計好，預先避開重要結構，如軟骨、功能組織等，減少相關并發(fā)癥。模擬手術設計的結果也可實時反應在操作對象身上[17-18]，所以術中操作者可同時觀察到操作對象和術前設計方案的信息，從而達到最滿意的操作質(zhì)量。

但目前的AR技術還遠未達到普及臨床的要求，本研究是一個設置在靜態(tài)環(huán)境下的模擬穿刺的立方體模型，在真實的臨床操作中，組織可因外力形變，導致穿刺靶點存在動態(tài)位移，做影像檢查時的體位及穿刺時體位變化也需要二次配準[19-20]。本研究初步證明了AR導航下模擬穿刺的高精確度，在操作直徑為0.5 cm時精確度可達到近80%，這為后期將該技術應用到關節(jié)鏡手術中前交叉韌帶股骨端止點定位提供了充分的依據(jù)。本研究后期將做進一步探索，如基于內(nèi)部組織的二次配準方法等。其次，操作者的入路視角對定位成功起著重要作用，該因素受操作者自身和操作對象兩方面的影響[21]，我們通過兩個角度AR引導解決了這個難題，但是兩個角度AR如何融合數(shù)據(jù)仍需要后續(xù)研究。雖然目前的定位精準度可以適用于前交叉韌帶手術臨床要求，但需要指出，任何導航技術都存在一定的誤差，而AR導航的誤差主要受實體與虛擬圖形配準技術的影響，后期應通過改進AR相關技術，進一步減小誤差，以適用于更精確的臨床操作。通過AR技術的不斷改進，未來可以應用在臨床的實際病例中，并通過視頻采集器實時將配準的結果疊加到手術視野中[22]，給醫(yī)師的手術操作提供重要參考數(shù)據(jù)。

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