增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用研究進(jìn)展

盧燁

【摘 ?要】在骨骼外科領(lǐng)域，由于骨骼、脊髓、周圍組織等重要解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，骨骼外科手術(shù)操作中極易造成神經(jīng)和血管等重要結(jié)構(gòu)的損傷，精準(zhǔn)定位是骨骼外科手術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，直接關(guān)系到手術(shù)操作的難易程度、手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)短以及手術(shù)療效優(yōu)劣，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效的將解剖結(jié)構(gòu)以可視化的形式告知醫(yī)生，在骨科手術(shù)中可作為高精度導(dǎo)航使用。本文就增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);骨科;導(dǎo)航

引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱AR）是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并相應(yīng)增加圖像、視頻、3D模型的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過將虛擬模型和現(xiàn)實(shí)環(huán)境融合疊加在一起，并且提供實(shí)時(shí)交互，能夠增強(qiáng)人對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有三維可視能力及交互能力等技術(shù)特點(diǎn)，使其在手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用中提供了高度的匹配性，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)通過將重要的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化，并且實(shí)時(shí)疊加到手術(shù)區(qū)域中，使得醫(yī)生在手術(shù)中能夠準(zhǔn)確的避開重要組織或器官，快速確定手術(shù)路徑。

1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用概述

Morton Heilig在20世紀(jì)五、六十年代所發(fā)明的Sensorama Stimulator。Sensorama Stimulator同時(shí)使用了圖像、聲音、香味和震動(dòng)，讓人們感受在紐約的布魯克林街道上騎著摩托車風(fēng)馳電掣的場(chǎng)景。由于AR技術(shù)的顛覆性和革命性，AR技術(shù)獲得了大量關(guān)注。在2015和2016兩年間，AR領(lǐng)域共進(jìn)行了225筆風(fēng)險(xiǎn)投資，投資額達(dá)到了35億美元，從原有的娛樂領(lǐng)域擴(kuò)展到多個(gè)新領(lǐng)域，尤其是手術(shù)外科診療領(lǐng)域。

近年來，數(shù)字化醫(yī)學(xué)發(fā)展飛速，計(jì)算機(jī)虛擬模型已被廣泛用于手術(shù)前的模擬與計(jì)劃，但人體內(nèi)部器官組織環(huán)境比較復(fù)雜，僅通過術(shù)前的圖像信息，很難快速對(duì)應(yīng)手術(shù)目標(biāo)區(qū)域，醫(yī)生需要在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)拍攝患者的圖像并不停轉(zhuǎn)換對(duì)計(jì)算機(jī)顯示界面和顯示手術(shù)的關(guān)注，無形中增加了手術(shù)的時(shí)間，也增加了患者和醫(yī)生接收的輻射劑量;同時(shí)由于術(shù)前數(shù)據(jù)和術(shù)中實(shí)際數(shù)據(jù)的不一致，使得圖像重建時(shí)存在一定誤差，在手術(shù)過程中往往需要憑借醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整手術(shù)路徑，稍有疏忽就可能造成對(duì)手術(shù)的失誤。因此，有效的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于提高手術(shù)成功率有著十分重要的意義。

通常基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)工作站，醫(yī)生將患者術(shù)前通過CT或MRI等圖像獲取裝置獲得的影響數(shù)據(jù)輸入工作站中進(jìn)行分析處理以輸出個(gè)性化的與手術(shù)中實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)一致的三維模型，再利用配準(zhǔn)技術(shù)將虛擬模型和實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的疊加并呈現(xiàn)給醫(yī)生，手術(shù)中可以實(shí)時(shí)輔助醫(yī)生快速準(zhǔn)確的找到手術(shù)靶區(qū)域，并能夠進(jìn)行交互操作，可以術(shù)中診斷和及時(shí)修改手術(shù)方案，保證手術(shù)效果。在骨科手術(shù)中，由于膝關(guān)節(jié)和脊柱的解剖學(xué)特點(diǎn)，在與其相關(guān)的手術(shù)中使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

2、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在膝關(guān)節(jié)手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用

全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)是目前治療膝關(guān)節(jié)疾病的重要途徑。膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，手術(shù)空間比較狹小，周圍還存在重要的血管和神經(jīng)，在進(jìn)行微創(chuàng)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)時(shí)，對(duì)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和技巧要求都極高，稍有誤差就會(huì)造成植入假體對(duì)線偏離，嚴(yán)重影響患者術(shù)后行動(dòng)并大大縮短了假體的使用壽命。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航可以為醫(yī)生提供術(shù)中引導(dǎo)，有效解決術(shù)中視野狹小，難以獲得患者定位信息的問題。北京航空航天大學(xué)最初提出了一種導(dǎo)航軟件，其由空間位置跟蹤模塊、空間配準(zhǔn)模塊、可視化顯示模塊構(gòu)成;通過標(biāo)志將術(shù)前三維虛擬模型、手術(shù)器械、股骨、脛骨以及術(shù)者視覺之間進(jìn)行空間映射，將膝關(guān)節(jié)虛擬模型、規(guī)劃手術(shù)路徑以及器械位置進(jìn)行虛實(shí)融合，并將融合圖像實(shí)時(shí)顯示在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中;該軟件通過空間映射模型將虛擬手術(shù)空間、真實(shí)手術(shù)空間與醫(yī)生的視覺空間進(jìn)行配準(zhǔn)，通過虛擬三維模型與真實(shí)手術(shù)環(huán)境的虛實(shí)結(jié)合，為醫(yī)生提供三維信息，擴(kuò)展手術(shù)視野，幫助醫(yī)生精確跟蹤手術(shù)器械，精確定位手術(shù)路徑，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。緊接著，北京航空航天大學(xué)在此基礎(chǔ)上，基于微軟的HoloLens提出了一種用于微創(chuàng)全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)HoloLens虛擬空間坐標(biāo)系的半自動(dòng)化標(biāo)定，并結(jié)合圖像配準(zhǔn)技術(shù)將虛擬膝關(guān)節(jié)解剖模型及虛擬手術(shù)導(dǎo)板模型準(zhǔn)確疊加至對(duì)應(yīng)真實(shí)患部位置，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航，從而可以為醫(yī)生提供直觀準(zhǔn)確的術(shù)中圖像引導(dǎo)。

3、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在脊柱外科手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用

脊柱手術(shù)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)脊柱立體顯示，將術(shù)前規(guī)劃和重要的解剖結(jié)構(gòu)疊加在手術(shù)視野內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)確選擇手術(shù)入路位置，避免傷及重要神經(jīng)有重大意義。

Wu等證明了在脊柱經(jīng)皮椎體成形術(shù)中，通過將虛擬三維模型與患者真實(shí)人體的一體化呈現(xiàn)，在提高穿刺套管植入位置的準(zhǔn)確度的同時(shí)也減少了手術(shù)的操作時(shí)間。同時(shí)，Wang等研究也證實(shí)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)可大幅度提高骶髂螺釘置入的精準(zhǔn)度，由于疊加顯示的功能，可避開周圍血管、神經(jīng)等解剖結(jié)構(gòu)，從而降低損傷的發(fā)生率。在脊柱畸形的矯形手術(shù)導(dǎo)航中，Kosterhon等提出一種導(dǎo)航系統(tǒng)，其可將術(shù)前患者的脊柱影像數(shù)據(jù)輸入三維可視化軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理分析以生成術(shù)中需要的切除平面及截骨范圍并導(dǎo)出至導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)，使得醫(yī)生能夠在手術(shù)中直觀的看到切除平面及截骨范圍，從而有效完成手術(shù)，大大提高了手術(shù)的準(zhǔn)確度和安全性能。Fritz等對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助MR導(dǎo)航骨組織穿刺的精確度進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明該導(dǎo)航技術(shù)可有效提高骨性病變活檢的準(zhǔn)確性。

4、小結(jié)和展望

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一個(gè)新的技術(shù)分支，現(xiàn)階段也在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，將其用于醫(yī)學(xué)手術(shù)導(dǎo)航以協(xié)助醫(yī)生更加精準(zhǔn)的實(shí)施手術(shù)與數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展目標(biāo)是一致的。高精度的圖像指導(dǎo)，能夠使得手術(shù)創(chuàng)傷更小，減少手術(shù)過程中醫(yī)生和患者在輻射中暴露的時(shí)間，對(duì)骨科手術(shù)導(dǎo)航有著重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的核心技術(shù)，如三維重建、圖像配準(zhǔn)和疊加顯示的精度將不斷提高，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨科手術(shù)導(dǎo)航中將有著更為廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心）