王浴屺，王殊軼，陳俊，于德旺，杜云霄

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于神經(jīng)外科、脊柱外科、耳鼻喉科等臨床中[1]。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)利用光學(xué)儀器對手術(shù)器械進(jìn)行跟蹤定位，在屏幕上顯示病灶區(qū)的矢狀位、冠狀位和橫斷位結(jié)構(gòu)，醫(yī)生在手術(shù)導(dǎo)航的引導(dǎo)下，按照正確的方式調(diào)整手術(shù)器械的位置，進(jìn)而更加快速、安全、準(zhǔn)確地完成手術(shù)。AR技術(shù)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維注冊的特點(diǎn)[2]，可將術(shù)前拍攝的患者三維數(shù)據(jù)以注冊的方式疊加到病灶區(qū)，更加直觀地觀察病灶的組織結(jié)構(gòu)，避免醫(yī)生不停切換視野所造成的手眼協(xié)同問題[3～5]，且在術(shù)中幫助醫(yī)生感知手術(shù)部位的深度信息[6]，降低手術(shù)難度，減少醫(yī)療事故的發(fā)生。

已有學(xué)者將AR技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，Ntourakis等[7]研究了AR輔助結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的定位與切除手術(shù)，術(shù)前通過CT掃描獲取虛擬三維影像數(shù)據(jù)，通過視頻混合器，根據(jù)自然解剖點(diǎn)手動(dòng)地將虛擬影像注冊到現(xiàn)實(shí)場景中，且將該AR手術(shù)導(dǎo)航用于4例臨床中，成功切除腫瘤；Okamoto等[8]將AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于胰腺手術(shù)中，將器官、血管的自然解剖點(diǎn)作為注冊基準(zhǔn)點(diǎn)，通過紅外系統(tǒng)跟蹤基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)虛擬模型的實(shí)時(shí)注冊，誤差為 5 mm。Drouin等[9]提出一種基于交互的配準(zhǔn)校正方法用于改善AR導(dǎo)航系統(tǒng)在神經(jīng)外科的應(yīng)用，使用迭代最近點(diǎn)算法對血管進(jìn)行虛實(shí)注冊，并可實(shí)時(shí)跟蹤手術(shù)器械的位置，魯棒性較高；侯益康等[10]對AR導(dǎo)航下頜骨截骨術(shù)進(jìn)行研究，將下頜骨的虛擬模型傳輸?shù)紸R頭顯(HMD)中，運(yùn)用ARToolkit識別特定標(biāo)志物的方法將虛實(shí)模型疊加，并進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)；Qu等[11]將AR導(dǎo)航下的牽張成骨術(shù)用于治療半面短小癥。Chen等[12]研究了基于光學(xué)透視式HMD的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于表面注冊的ICP算法與基于基準(zhǔn)點(diǎn)注冊配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械校準(zhǔn)、注冊，其注冊精度達(dá)0.8 mm。以上研究有些雖然給出了注冊精度，但未能對影響注冊精度的原因做進(jìn)一步探索。即在相同實(shí)驗(yàn)條件下，使用不同的注冊方法，注冊精度是否會有較大的變化；在使用相同注冊方法時(shí)，人的動(dòng)態(tài)變化是否會對注冊精度有顯著的影響。

本研究結(jié)合HoloLens的實(shí)際臨床需求，提出基于識別圖和交互式無標(biāo)識兩種注冊方法，針對這兩種注冊方法開發(fā)了基于HoloLens的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，并研究靜態(tài)、動(dòng)態(tài)誤差測試方法，為AR導(dǎo)航系統(tǒng)在穿支皮瓣手術(shù)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

2 三維注冊

圖1 三維注冊坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(1)

(2)

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)對象

7名志愿者參與測試，其中男性3名,平均年齡(23±1.3)歲,編號S1、S2、S3，女性4名,平均年齡(22±1.2)歲,編號S4、S5、S6、S7。實(shí)驗(yàn)前，受試者在測試人員的指導(dǎo)下熟悉實(shí)驗(yàn)要求和方法，并進(jìn)行與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的操作。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

硬件設(shè)備：HoloLens第一代頭戴顯示器、空間坐標(biāo)檢測器Micron Tracker(H3-60,Copyright Claron Technology, Inc)用于視覺追蹤，精度為0.2 mm、電腦驗(yàn)光儀 (Fa600, 太原中北新源科技中心)用于測試瞳距。

材料：包括真實(shí)模型和虛擬模型。真實(shí)模型為腿部石膏模型、PVC材質(zhì)的腿部固定裝置和設(shè)計(jì)用于測試的尺寸為1 cm×1.5 cm×1.5 cm的3D打印斜棱錐體，將斜棱錐體兩兩間隔2 cm，均勻分布在大腿上表面，選取9個(gè)測試點(diǎn)，編號1、2、3、4、9、12、13、14、15。選擇細(xì)節(jié)豐富，紋理清晰的圖片并結(jié)合Vuforia SDK設(shè)計(jì)的尺寸為10.24 cm×3.14 cm的識別圖。真實(shí)模型與ARTag[13]標(biāo)志類似，使用基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊技術(shù)，先將識別圖置于待注冊區(qū)域，然后用攝像機(jī)采集標(biāo)識圖上的特征點(diǎn)，最后根據(jù)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)信息，計(jì)算攝像機(jī)與真實(shí)場景之間的六自由度姿態(tài)信息，從而完成三維注冊過程。虛擬模型為真實(shí)模型經(jīng)過CT掃描后由Mimics10.01三維重建得到的斜棱錐、識別圖承托板以及部分大腿模型，見圖2。

圖2 測試用真實(shí)模型和虛擬模型

3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

模擬手術(shù)室見圖3，測試前將腿部模型水平置于手術(shù)床上，根據(jù)受試者的身高調(diào)節(jié)床的高度，直至受試者能夠觀察到全部測試區(qū)域。測試時(shí)應(yīng)避免遮擋識別圖或因識別圖反光，致使注冊誤差增大或無法完成注冊的現(xiàn)象。

圖3 整體測試環(huán)境

3.4 實(shí)驗(yàn)方法

本研究測試方法主要通過使用兩種注冊方法完成在動(dòng)、靜不同狀態(tài)下的注冊過程，其測試姿勢見圖4。先將腿部模型固定在手術(shù)床上后，受試者使用Micron Tacker探針尖端指向真實(shí)模型的1、2、3、4、9、12、13、14、15號點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)測得坐標(biāo)20次且其方差在0.5 mm以下時(shí)保存測試結(jié)果。再向HoloLens中輸入瞳距，受試者佩戴HoloLens至舒適狀態(tài)后打開AR手術(shù)導(dǎo)航軟件，先進(jìn)行靜態(tài)誤差測試，使用識別圖注冊時(shí)，受試者注視識別圖時(shí)身體應(yīng)保持靜止，待虛實(shí)模型疊加精準(zhǔn)后，用手勢點(diǎn)擊確定按鈕將虛擬模型固定。此時(shí)，無需移動(dòng)真實(shí)模型再使用探針指向虛擬模型上與真實(shí)模型相對應(yīng)的9個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測得坐標(biāo)20次且其方差在0.5 mm以下時(shí)保存測試結(jié)果。靜態(tài)測試結(jié)束后，受試者分別旋轉(zhuǎn)頭部數(shù)次、在手術(shù)室內(nèi)來回走動(dòng)后，進(jìn)行相應(yīng)虛擬點(diǎn)的測試并按約束條件保留結(jié)果。使用基于交互式無標(biāo)識的方法進(jìn)行測試時(shí)，受試者先將虛擬模型固定在與真實(shí)模型位置相近的范圍內(nèi)，再以交互的方式用手勢移動(dòng)虛擬模型將其精確疊加在真實(shí)模型上，點(diǎn)擊確定按鈕后，方可進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差測試。

圖4 真實(shí)模型和虛擬模型測試圖

3.5 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Jiang等[14]的誤差計(jì)算方法，采集真實(shí)測試點(diǎn)與對應(yīng)虛擬測試點(diǎn)的空間位置，根據(jù)式(3)計(jì)算兩點(diǎn)之間的歐氏距離作為系統(tǒng)的注冊誤差。

(3)

其中x0、y0、z0為真實(shí)點(diǎn)的坐標(biāo)，x1、y1、z1為與x0、y0、z0對應(yīng)的虛擬點(diǎn)坐標(biāo)。

4 結(jié)果分析

4.1 基于識別圖的注冊誤差結(jié)果分析

對每個(gè)受試者得到的9個(gè)測試點(diǎn)的虛實(shí)坐標(biāo)值進(jìn)行處理，按式(3)計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)的虛實(shí)注冊誤差值，然后對這9個(gè)點(diǎn)的注冊誤差取平均值，得到圖5所示的基于識別圖的注冊誤差測試結(jié)果。

圖5 基于識別圖的注冊誤差測試結(jié)果

對受試者的測試值進(jìn)行單因素方差分析，分析每位受試者多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的顯著性差異，顯著性水平為P=0.05。由分析結(jié)果可知，每位受試者的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間無顯著性差異(F=0.0723，P=0.7935>0.05)。從圖可知，靜態(tài)注冊誤差的變化范圍為1.83～6.12 mm；頭部轉(zhuǎn)動(dòng)注冊誤差的變化范圍為2.41～6.75 mm；走動(dòng)注冊誤差的變化范圍為2.30～6.12 mm；其中頭部轉(zhuǎn)動(dòng)注冊誤差的變化量最大，為4.34 mm。通過計(jì)算7名受試者的平均注冊誤差值可知：靜態(tài)注冊誤差、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)注冊誤差、走動(dòng)注冊誤差的平均誤差值分別為(3.78±1.57)、(4.23±1.27)、(3.92±1.32) mm。兩種動(dòng)態(tài)注冊誤差均大于靜態(tài)注冊誤差且頭部轉(zhuǎn)動(dòng)注冊誤差大于走動(dòng)注冊誤差，說明在注冊過程中，頭部或身體的移動(dòng)會改變HoloLens空間映射的環(huán)境，改變了HoloLens中虛擬模型在真實(shí)世界坐標(biāo)系的位置，影響整個(gè)注冊過程；頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)相較于走動(dòng)來說對誤差的影響更大，因?yàn)轭^部轉(zhuǎn)動(dòng)會造成HoloLens相對于頭部的原始位置發(fā)生偏移，且偏移的方向和程度是隨機(jī)的難以預(yù)測，對虛擬模型的空間定位影響很大。因此，使用HoloLens在進(jìn)行三維注冊時(shí)應(yīng)盡量減小頭部或身體大幅度的移動(dòng)，保持靜止才能提高注冊精度。

4.2 基于交互式無標(biāo)識注冊誤差結(jié)果分析

通過同樣的處理方式，由式(3)計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)的虛實(shí)注冊誤差值，然后對這9個(gè)點(diǎn)的注冊誤差取平均值，得到圖6所示的基于交互式無標(biāo)識注冊誤差。由圖可知，基于交互式無標(biāo)識的注冊方法，其靜態(tài)注冊誤差、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)注冊誤差、走動(dòng)注冊誤差的平均誤差值分別為(5.60±0.53)、(6.52±1.14)、(7.57±1.09) mm。三種注冊誤差的平均值均大于5 mm，且動(dòng)態(tài)注冊誤差均大于靜態(tài)注冊誤差，再次驗(yàn)證在三維注冊時(shí)，頭部或身體的動(dòng)態(tài)變化會對注冊誤差有顯著的影響。

圖6 基于交互式無標(biāo)識的注冊誤差測試結(jié)果Fig.6 Registration error test results based on interactive unmarked

4.3 對比分析

經(jīng)重復(fù)性測量數(shù)據(jù)的方差分析，7組受試者在每次實(shí)驗(yàn)中，基于識別圖和基于交互式無標(biāo)識的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間存在顯著性差異(F=24.723,P=0.00056<0.005)。由表1可知，基于識別圖注冊方法的平均誤差結(jié)果為(3.98±0.19) mm，基于交互式無標(biāo)識注冊方法的平均誤差結(jié)果為(6.56±0.80)mm；基于識別圖的注冊方法其靜態(tài)注冊誤差、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)注冊誤差及走動(dòng)注冊誤差明顯低于基于交互式無標(biāo)識注冊方法的三種注冊誤差，且靜態(tài)注冊誤差相較于動(dòng)態(tài)注冊誤差都是最小的。因此，基于識別圖的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用性。

表1 兩種注冊方法誤差對比

5 總結(jié)與展望

本研究為客觀驗(yàn)證AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的注冊精度，對基于識別圖以及基于交互式無標(biāo)識的注冊方法進(jìn)行測試?？傮w來說，動(dòng)態(tài)注冊誤差均大于靜態(tài)注冊誤差，說明頭部轉(zhuǎn)動(dòng)及走動(dòng)對注冊精度具有顯著的影響，因此，在注冊過程中，受試者應(yīng)盡量保持頭部和身體穩(wěn)定以減小誤差；且基于識別圖的注冊誤差遠(yuǎn)小于基于交互式無標(biāo)識的注冊誤差，說明基于識別圖的AR導(dǎo)航系統(tǒng)精度更高，更適用于完成手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的注冊過程。

我們研究了基于識別圖及基于交互式無標(biāo)識的注冊方法，將該方法運(yùn)用在腿部穿支皮瓣手術(shù)中，與傳統(tǒng)基于B超引導(dǎo)的穿支皮瓣手術(shù)方法相比，可以清晰地顯示血管，肌肉和組織的三維立體結(jié)構(gòu)，具有較為直觀和較好深度信息的導(dǎo)航作用。結(jié)果表明，基于識別圖的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用性強(qiáng)，適用于臨床。在注冊時(shí)應(yīng)盡量使受試者頭部和身體保持靜止，以避免HoloLens中的虛擬模型發(fā)生偏移導(dǎo)致增大注冊誤差，影響注冊精度。本研究為HoloLens應(yīng)用于AR穿支皮瓣手術(shù)中注冊精度的提高提供參考依據(jù)。