基于雙目視覺和混合現(xiàn)實的光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀

董 韶，萬新軍，方之強，沈李正一

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院 上海 200093）

引 言

顱底及頜面外科因其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)以及治療目的的特殊性[1-2]，對手術(shù)操作要求較高。當(dāng)前的發(fā)展趨勢為數(shù)字化與術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合。數(shù)字化技術(shù)在手術(shù)中的應(yīng)用使得外科醫(yī)生能夠更精準(zhǔn)、高效地幫助患者重建其外形[3]。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)基于電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁 共 振 成 像（magnetic resonance imaging，MRI）以及超聲成像等醫(yī)學(xué)圖像，利用高精度的定位儀器對手術(shù)器械定位跟蹤，達(dá)到圖像引導(dǎo)手術(shù)的目的，提高了手術(shù)安全性以及成功率[4]。但此技術(shù)存在一些問題：第一，患者與導(dǎo)航系統(tǒng)所用的圖像之間缺乏直接的空間關(guān)系[5]；第二，顯示屏顯示的為二維圖像，缺乏深度信息且不直觀，完全依靠醫(yī)生的經(jīng)驗來進(jìn)行手術(shù)操作；第三，外科醫(yī)生需要交替觀察顯示器和術(shù)區(qū)[6]，來回切換視線容易造成視覺疲勞，進(jìn)而影響手術(shù)的精確性。這些問題使得手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)在顱頜面骨性手術(shù)的應(yīng)用受到限制。

近年來，計算機性能的提升以及圖像處理和顯示技術(shù)的發(fā)展，使得混合現(xiàn)實技術(shù)得以發(fā)展。自微軟推出Hololens頭戴顯示設(shè)備以來，基于Hololens的混合現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛[7]?；旌犀F(xiàn)實系統(tǒng)可以將計算機生成的虛擬物體、場景等實時疊加顯示到真實場景中，增強了使用者對真實世界的感觀[8]?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)結(jié)合即時定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航中，能實現(xiàn)精確的定位跟蹤[9]。混合現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)可以將規(guī)劃好的虛擬模型精準(zhǔn)疊加顯示到術(shù)區(qū)，這使得外科醫(yī)生的視線不用離開手術(shù)視野，既保證了手術(shù)的安全性也減緩了醫(yī)生的視覺疲勞，提高了手術(shù)效率。目前混合現(xiàn)實技術(shù)在臨床上已經(jīng)有較多的研究。Zhu等[10]運用混合現(xiàn)實技術(shù)為20例下頜骨畸形患者進(jìn)行整形手術(shù)，基于與下頜骨固定連接的識別圖進(jìn)行定位，確定下牙槽神經(jīng)管位置以及顯示術(shù)前規(guī)劃的截骨線。但該方案僅適用于下頜骨手術(shù)，制造專用夾板也需要耗費時間，且咬合夾板的松動會導(dǎo)致注冊的錯誤。Teatini等[11]通過將跟蹤小球固定于混合現(xiàn)實（mixed reality, MR）眼鏡上，利用手眼標(biāo)定法找到光學(xué)跟蹤儀和MR眼鏡兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使得最終的配準(zhǔn)精度在8 mm左右。但該方案需要在MR眼鏡上增加參考物，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。并且手眼標(biāo)定流程復(fù)雜，最終的配準(zhǔn)精度較低。Sun等[12]通過以探針測量在MR眼鏡中顯示的正交軸，以獲取世界坐標(biāo)到虛擬場景的映射。該方案有一定的便利性，但因手抖以及虛擬軸點漂移等因素，對最終的配準(zhǔn)精度有一定影響。

本文提出了一種新穎的虛實配準(zhǔn)方法，通過此方法可以獲得混合現(xiàn)實眼鏡坐標(biāo)系與雙目測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，完成虛擬模型在兩個坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換。這種方法是通過在混合現(xiàn)實眼鏡里顯示與參考支架上的反光球大小相同的虛擬小球，并通過手勢將其進(jìn)行移動直至與參考支架上的反光球重合，由虛擬小球和反光球這兩組對應(yīng)的坐標(biāo)進(jìn)一步求解轉(zhuǎn)換矩陣。相比于利用識別圖進(jìn)行定位，利用雙目視覺定位的精度更高且系統(tǒng)更穩(wěn)定。導(dǎo)航儀的配準(zhǔn)方案相較于在MR眼鏡上增加跟蹤球，以及在MR眼鏡里顯示虛擬軸點等方案，系統(tǒng)復(fù)雜度較低，不受手抖因素的影響，操作簡單，更易于應(yīng)用到臨床手術(shù)中。

1 光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀設(shè)計

1.1 光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀結(jié)構(gòu)

如圖1所示，導(dǎo)航儀主要包括3個子系統(tǒng)：區(qū)域1是光學(xué)跟蹤儀子系統(tǒng)；區(qū)域2是MR眼鏡子系統(tǒng)；區(qū)域3是數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。另外，區(qū)域4、區(qū)域5和區(qū)域6所示分別是頭骨模型、參考支架和探針。光學(xué)跟蹤儀子系統(tǒng)跟蹤帶有反光標(biāo)志球的探針以及被動參考支架的姿態(tài)，并將其位置坐標(biāo)通過串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元結(jié)合MR眼鏡發(fā)送的虛擬配準(zhǔn)點的坐標(biāo)進(jìn)行變換矩陣的計算，并將該矩陣以特定的形式發(fā)送給MR眼鏡子系統(tǒng)，以控制虛擬模型的運動。

圖 1 光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)Fig. 1 Optical surgical navigation system

光學(xué)跟蹤儀基于雙目視覺原理來確定反光標(biāo)志點的空間坐標(biāo)，是目前手術(shù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要采用的定位裝置[13]。雙目立體視覺的測量是根據(jù)光學(xué)三角法原理進(jìn)行空間標(biāo)志點的三維信息獲取[14]。本文所采用的光學(xué)跟蹤儀為NDI公司的Polaris系列，測量精度在0.25 mm內(nèi)，最大幀率為20 幀/s。在導(dǎo)航過程中，光學(xué)跟蹤儀可以實時獲取探針和參考支架上的反光標(biāo)志球的坐標(biāo)，從而得到探針和參考支架的空間位置。

MR眼鏡是結(jié)合慣性測量單元與攝像頭提供的信息實時評估用戶姿態(tài)，并將圖像輸出給全息顯示器，最終將虛擬模型投射在空間環(huán)境中[15]?；旌犀F(xiàn)實最關(guān)鍵的技術(shù)是SLAM技術(shù)。通過SLAM技術(shù)，MR眼鏡可以判斷全息影像相對于自身以及現(xiàn)實空間的位置。SLAM獲取深度的方法主要有3種：第一是基于視差原理的雙目視覺方法獲取深度；第二是通過將光進(jìn)行編碼并射出打在物體上，由于編碼光打在不同物體上的畸變程度不同，從而推斷出物體立體信息，這種方法稱為結(jié)構(gòu)光法；第三是通過對光發(fā)射到物體表面并反射回來的時間差計算出物體深度信息，這種方法稱為飛行時間（time of flight, ToF）方法。本文的導(dǎo)航儀采用的MR眼鏡是微軟推出的HoloLens 2代（HoloLens2）。HoloLens2的深度相機是基于ToF原理獲取的。HoloLens2使用環(huán)境感知攝像頭捕獲真實環(huán)境圖像，從中提取特征點，再匹配相鄰幀圖像的特征點，通過特征點相對位置的變化來反向推出HoloLens2轉(zhuǎn)動的角度和產(chǎn)生的位移，從而算出HoloLens2的運動。

通過數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)可以建立光學(xué)跟蹤子系統(tǒng)與MR眼鏡子系統(tǒng)之間的連接，并對位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)還作為服務(wù)器向MR眼鏡實時無線傳輸數(shù)據(jù)，控制虛擬模型的移動。

1.2 工作流程設(shè)計

（1）CT掃描與三維模型重建

術(shù)前患者進(jìn)行薄層螺旋CT掃描。采用LightSpeed Ultra 16螺旋CT機（美國GE公司）進(jìn)行多層螺旋 CT 薄層掃描。掃描范圍為顱頂至舌骨水平，預(yù)設(shè)硬組織窗（250～3000 Hu），采用連續(xù)不重疊、軸向體層掃描方式，掃描參數(shù)為：層厚1.25 mm，螺距1.35，球管電流250 mA，電壓120 kV，獲取像素矩陣512×512，像素大小0.449 mm，重建薄層厚度1 mm。

本系統(tǒng)利用Simplant Pro Version 11.04軟件進(jìn)行重建。首先，將CT生成的DICOM格式文件導(dǎo)入Simplant軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化；然后，確定三維重建的閾值范圍，預(yù)設(shè)閾值為250～3071 Hu，獲取顱頜面三維重建骨組織影像并去除頸椎結(jié)構(gòu)；最終，完成顱頜面硬組織模型的三維重建。

（2）規(guī)劃虛擬場景

將規(guī)劃好的虛擬模型導(dǎo)入Unity虛擬場景設(shè)計軟件。場景如圖2所示，場景里包含虛擬模型、虛擬標(biāo)志點以及設(shè)計的UI操作界面。將場景打包成UWP應(yīng)用程序，通過Visual Studio開發(fā)環(huán)境將UWP應(yīng)用程序?qū)氲紿oloLens2中。

圖 2 規(guī)劃虛擬場景圖Fig. 2 Planning a virtual scene

（3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用參考支架上的4個反光球作為真實標(biāo)志點，設(shè)計與反光標(biāo)志球等大的4個虛擬球作為虛擬標(biāo)志點。獲取4個虛擬球和4個真實反光球的坐標(biāo)，完成虛擬模型坐標(biāo)系到光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。采集患者的牙尖和對應(yīng)的虛擬模型上的牙尖的坐標(biāo)完成光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系到MR眼鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

（4）計算最終轉(zhuǎn)換矩陣并無線傳輸?shù)窖坨R端

鑒于TCP通信穩(wěn)定可靠，在MR眼鏡和數(shù)據(jù)處理單元之間選擇建立TCP連接，提供一種可靠的、面向連接的字節(jié)流服務(wù)。其中MR眼鏡作為客戶端，數(shù)據(jù)處理單元作為服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向無線傳輸。在服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與計算，利用服務(wù)器和客戶端之間的雙向通信，將轉(zhuǎn)換矩陣以特定的格式無線傳輸?shù)娇蛻舳?，控制虛擬模型的旋轉(zhuǎn)與平移。為了避免數(shù)據(jù)擁塞或出現(xiàn)錯誤，設(shè)計了特定的運行機制。只有在客戶端完成數(shù)據(jù)的響應(yīng)并返回特定字符，服務(wù)器才會繼續(xù)發(fā)送姿態(tài)數(shù)據(jù)，這增強了混合現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性。服務(wù)器工作流程見圖3。

圖 3 服務(wù)器工作流程Fig. 3 Workflow of the server

（5）數(shù)據(jù)的實時更新

光學(xué)跟蹤儀通過跟蹤固定在頭骨上的參考支架，實時獲取其位置坐標(biāo)，并通過參考支架前后兩幀的坐標(biāo)變化計算轉(zhuǎn)換矩陣。由于參考支架和頭骨是剛性連接的，跟蹤儀可以得到前后兩幀頭骨位置的變換，實時更新虛擬頭骨模型的位置。

導(dǎo)航儀的幀率受3個因素的影響：一是光學(xué)跟蹤儀的采集；二是數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)的處理；三是無線傳輸。為了確定光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀的實時幀率，將數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸三個過程視為一個完整的周期。通過打印若干周期的時間來計算導(dǎo)航儀的實時幀率，最終確定導(dǎo)航儀的更新速率約為15 幀/s。考慮到患者在手術(shù)過程中不會快速移動，認(rèn)為其幀率符合臨床要求。

2 虛實配準(zhǔn)模型和方法設(shè)計

2.1 基于奇異值分解（SVD）的虛實配準(zhǔn)模型

整個混合現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)包括3個坐標(biāo)系，分別是：{Tr}光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系，{V}虛擬模型坐標(biāo)系，{H}MR眼鏡坐標(biāo)系。3個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖4。

圖 4 混合現(xiàn)實導(dǎo)航儀不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理圖Fig. 4 Coordinate transformation principle

虛實融合配準(zhǔn)的最終目的是通過確定3個子坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實現(xiàn)將虛擬模型配準(zhǔn)到真實世界物體上，具體步驟如下：

根據(jù)剛體變換的知識，不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可以通過求解一組旋轉(zhuǎn)及平移矩陣求得。若已知P為跟蹤儀坐標(biāo)系中的點集，Q為MR眼鏡坐標(biāo)系下的對應(yīng)點集，則P和Q的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

若用f表示源點集P在變換矩陣R和T作用下相對于目標(biāo)點集Q之間的誤差，則求解最優(yōu)的轉(zhuǎn)換矩陣即為求解當(dāng)滿足誤差f最小時的變換矩陣R和T，即：

得到最優(yōu)的變換矩陣可以分解為以下步驟：

︿P︿Q

（1）尋找兩個點集的質(zhì)心 和 。

（2）構(gòu)建協(xié)方差矩陣E，使用奇異值分解（SVD）方法，找到最佳矩陣R和T。

最終矩陣R和T可表示為：

若點集中點的個數(shù)大于3，則求得的為最小二乘解。

2.2 虛實標(biāo)定方法的設(shè)計

本文提出的虛實標(biāo)定方法用于得到光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系與MR眼鏡坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。基于參考支架上的4個反光球，在眼鏡虛擬坐標(biāo)系里顯示與之對應(yīng)的大小完全相同的虛擬球，并依次移動這些虛擬球與參考支架上的小球完全重合，此時得到虛擬球球心在MR眼鏡坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，以及參考架上反光球球心在光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。通過這兩組對應(yīng)點的坐標(biāo)，計算光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系到MR眼鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

將4個虛擬球?qū)氲教摂M場景設(shè)計軟件Unity中，將可抓取功能的腳本附著在虛擬球上使虛擬球可以用手抓取并移動。Unity場景中還設(shè)計了若干不同功能的虛擬按鍵，如圖5所示，區(qū)域1中Connect和Disconnect按鈕分別用于與服務(wù)器建立和斷開無線連接，Get_position按鈕用于向服務(wù)器發(fā)送虛擬球在MR眼鏡坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。Reset按鈕用于重新初始化虛擬場景。Hide按鈕用于配準(zhǔn)完成后隱藏4個虛擬球。區(qū)域2中的按鈕用于控制虛擬球6個方向的平移。區(qū)域3中的按鈕用于切換被控制的虛擬小球。

圖 5 虛擬配準(zhǔn)場景Fig. 5 Virtual registration scene

完整的注冊過程包括4個步驟。

（1） 配準(zhǔn)開始時，在MR眼鏡中顯示配準(zhǔn)場景。單擊Connect 按鈕，與服務(wù)器建立連接。

（2） 用手依次抓取4個虛擬小球并移動它們與參考支架上對應(yīng)的反光球大致重疊，操作場景如圖6所示。其中，顯示屏上顯示的為MR眼鏡里看到的場景。

圖 6 配準(zhǔn)操作場景Fig. 6 Operation scene during registration

（3） 點擊區(qū)域2中的按鈕微調(diào)虛擬小球的位置，直到虛擬球和真實的反光球完全重疊。

（4）點擊Get_position按鈕，可以得到4個虛擬球在MR眼鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和4個反光球在光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。通過這兩組對應(yīng)點的坐標(biāo)，計算光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系與MR眼鏡坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，完成這兩個坐標(biāo)系的配準(zhǔn)。

3 導(dǎo)航儀精度驗證實驗設(shè)計

為了進(jìn)行誤差分析，定制了如圖7所示的梯臺進(jìn)行實驗。該梯臺上底邊長為100 mm，下底邊長為150 mm，高為100 mm。梯臺角點清晰且易于測量，故適合進(jìn)行精度驗證。

圖 7 實驗?zāi)Ｐ图皹?biāo)志點Fig. 7 Experimental models and markers

取梯臺上的6個標(biāo)記點（標(biāo)白的點1至點6）進(jìn)行配準(zhǔn)，4個頂點（標(biāo)黃的點1至點4）進(jìn)行精度驗證。具體驗證步驟如下：

（1）用戶戴上MR眼鏡，運行設(shè)計好的 MR導(dǎo)航軟件并與服務(wù)器建立連接。在虛擬場景中，用手依次抓取4個虛擬球并移動它們與參考支架上的反光球大致重疊，然后通過點擊旁邊的按鈕精確控制虛擬球的旋轉(zhuǎn)和平移，使之與參考支架上的反光球完全重疊。

（2）用探針依次測量標(biāo)記點1至標(biāo)記點6在跟光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，計算出虛擬模型坐標(biāo)系與光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

（3）利用虛擬球和真實反光球的兩組坐標(biāo)計算光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系和MR眼鏡坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

（4）根據(jù)步驟2和步驟3中得到的轉(zhuǎn)換矩陣計算最終的轉(zhuǎn)換矩陣。

（5）將最終的轉(zhuǎn)換矩陣以特定的格式無線發(fā)送到MR眼鏡，將虛擬梯臺與真實梯臺配準(zhǔn)，如圖8所示。其中，藍(lán)色的模型為虛擬梯臺，黑色的模型為真實的梯臺。圖片是通過MR眼鏡拍攝，虛擬模型與真實梯臺的配準(zhǔn)狀態(tài)與使用者佩戴眼鏡觀測的不完全一樣（實際佩戴觀看較為準(zhǔn)確），其準(zhǔn)確的精度數(shù)據(jù)以表1記錄的為準(zhǔn)。

圖 8 配準(zhǔn)完成后的效果圖Fig. 8 The effect after the registration is completed

（6）用探針依次測量梯臺上的4個驗證點，將其記作Qi(x,y,z)，然后依次測量與之對應(yīng)的4個 虛 擬 標(biāo) 記 點 的 坐 標(biāo)，記 作Pi(x,y,z)。其 中i的值為1，2，3，4。計算Pi與Qi的距離，記作|PiQi|，可表示為：

|PiQi| 的值即為梯臺上真實標(biāo)記點與虛擬模型上的標(biāo)記點的誤差。利用真實標(biāo)記點與虛擬標(biāo)記點的誤差可以實際表示出系統(tǒng)真實的配準(zhǔn)精度，進(jìn)而驗證本導(dǎo)航儀配準(zhǔn)方法的效率以及可靠性。

重復(fù)上述驗證過程，共采集8組精度數(shù)據(jù)，以減小測量誤差，將最終每個點的精度記錄在表1中。

表 1 梯臺模型的配準(zhǔn)誤差Tab. 1 Registration error of experimental models

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入 MATLAB 軟件，生成誤差箱線圖，見圖9所示。其中，數(shù)據(jù)的上邊緣、下邊緣、中位數(shù)和兩個四分位數(shù)都已經(jīng)在圖中表示出來。

圖 9 梯臺模型配準(zhǔn)誤差Fig. 9 Registration error of experimental models

結(jié)合表1和圖9可以看出，最小的誤差為1.6 mm，最大的誤差為6.6 mm，誤差值多數(shù)集中在3 mm至5 mm之間，總平均誤差為4.5 mm。用梯臺模型驗證完精度后，進(jìn)一步利用3D打印的頭骨模型進(jìn)行驗證。實際配準(zhǔn)效果見圖10。其中，顯示屏上顯示的為MR眼鏡里看到的場景。

頭骨模型上做了若干標(biāo)記點用于配準(zhǔn)及精度驗證。如圖11(a)所示，配準(zhǔn)點為牙齒上方的6個十字標(biāo)記點，驗證點為圖中標(biāo)紅的點1至點4。經(jīng)過配準(zhǔn)操作后，虛擬頭骨和真實頭骨模型配準(zhǔn)在一起，如圖11(b)所示。藍(lán)色的模型為虛擬頭骨，白色的為3D打印頭骨模型，可以看到，兩者基本重疊在一起（佩戴眼鏡實際觀測效果要好于照片效果）。為了驗證提出的配準(zhǔn)方法的適用性，針對該3D打印的頭骨模型，4名實驗者，每人進(jìn)行2次，參與實驗驗證，共進(jìn)行了8組實驗，實驗數(shù)據(jù)記錄在表2中。

圖 10 配準(zhǔn)完成后的場景圖Fig. 10 The scene after registration is complete

圖 11 頭骨模型及虛實融合場景Fig. 11 Skull model and virtual reality fusion scene

表 2 頭骨模型的配準(zhǔn)誤差Tab. 2 Registration error of skull model

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB 軟件，生成誤差箱線圖，詳見圖12。其中，數(shù)據(jù)的上邊緣、下邊緣、中位數(shù)和兩個四分位數(shù)都已經(jīng)在圖中表示出來。

圖 12 頭骨模型配準(zhǔn)誤差Fig. 12 Registration error of skull model

結(jié)合表2和圖12可以看出，頭骨模型的配準(zhǔn)總平均誤差在4.4 mm左右，最小的誤差為1.9 mm，最大的誤差為6.4 mm，誤差值多數(shù)集中在3 mm至5 mm之間，總體和梯臺模型驗證結(jié)果一致。

另外，虛實配準(zhǔn)過程所消耗的時間也是評價導(dǎo)航儀性能的指標(biāo)之一。虛實配準(zhǔn)操作包含兩個過程，首先是建立MR眼鏡坐標(biāo)系與光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化關(guān)系的虛實標(biāo)定過程，然后是用探針依次測量配準(zhǔn)點在光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，完成虛擬模型坐標(biāo)系與光學(xué)跟蹤儀坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的過程（上文梯臺配準(zhǔn)操作中所介紹的步驟1和步驟2）。針對這兩個過程所消耗的時間，通過記錄4名不同的操作者共8次配準(zhǔn)實驗過程所用時間進(jìn)行評估（其中每名操作者進(jìn)行兩次實驗）。表3中分別是8組實驗中配準(zhǔn)操作所消耗的時間?？梢钥吹?，完成過程1所消耗的平均時間在50.0 s左右，完成過程2所消耗的平均時間在17.9 s左右，完成配準(zhǔn)操作的總平均時間在67.9 s左右。

表 3 虛實配準(zhǔn)消耗時間Tab. 3 Time spent in virtual-real registration

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套用于顱頜面外科手術(shù)的光學(xué)導(dǎo)航儀，并設(shè)計和驗證了全流程的工作步驟。該導(dǎo)航儀基于雙目視覺和混合現(xiàn)實技術(shù)，將虛擬模型疊加顯示到真實世界物體上，并可實時跟蹤真實世界物體的運動，更新虛擬模型的位置。經(jīng)實驗驗證，該導(dǎo)航儀的顯示幀率為15 幀/s左右，虛實融合的平均誤差在4.5 mm左右，利用該導(dǎo)航儀完成虛實配準(zhǔn)操作所消耗的總時間為67.9 s左右。本文提出的虛實配準(zhǔn)方法，沒有增加導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)雜性，易于操作，易于在臨床手術(shù)中應(yīng)用。實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)MR眼鏡佩戴者變換角度觀看虛擬模型時，虛擬模型會相對偏離真實世界模型的位置，且頭部的運動還會產(chǎn)生累積的誤差。因此，在應(yīng)用光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航儀時，應(yīng)當(dāng)盡量減少大幅度變換視角。隨著混合現(xiàn)實眼鏡空間定位技術(shù)的進(jìn)步，該手術(shù)導(dǎo)航儀的穩(wěn)定性將會進(jìn)一步增強。本文研究工作對于混合現(xiàn)實手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展具有一定的借鑒意義。