基于Vuforia 的卵圓孔穿刺增強現實導航系統可行性研究

雷寶銘，張東友

三叉神經痛（trigeminal neuralgia，TN）又稱為痛性痙攣，是一種比較常見的頭面部疼痛，年發生率為4.3/10 萬～27/10 萬，且女性發病率較高［1］。TN 首選藥物治療，外科療法見效迅速，但創傷大、術后并發癥多、復發率及致死率均較高［2］。對于不耐受外科手術或術后再發的TN 患者，常采用射頻消融（radio frequency ablation，RFA）、經皮微球囊壓迫術（percutaneous microballoon compression，PMC）等微創介入療法［3］。在微創介入治療過程中，最關鍵的就是精準定位穿刺卵圓孔以達到半月神經節［4］。常見的穿刺定位通常在X 線輔助引導下進行，此外還有神經導航［5］、3D 打印穿刺導板［6］、混合現實（mixed reality，MR）［7］等輔助穿刺技術，本研究旨在探索一種創新性增強現實穿刺導航方法的可行性。

1 材料與方法

1.1 一般資料

實驗設計：個體樣本重復實驗。

1.1.1 實驗對象 經PACS 系統獲取DICOM 格式頭頸CTA 掃描圖像，脫敏處理后作為建模對象。

1.1.2 設備及軟件 本研究所用主要設備及軟件見表1。

表1 主要應用的軟硬件

1.2 方法

1.2.1 CT 掃描方法 志愿者仰臥于檢查床上，頭部固定，聽眥線垂直于床面。掃描參數見表2。掃描完成后通過PACS 系統導出DICOM 格式圖像。

表2 CTA 掃描參數

1.2.2 醫學影像三維重建及穿刺模擬 將CT 掃描重建的薄層數據導入3D Slicer（v5.2.1）軟件Segment Editor 模塊進行三維重建，使用平掃、動脈期及靜脈期數據分別重建皮膚、顱骨、頭頸部動脈、頭頸部靜脈等解剖結構。測量得到卵圓孔尺寸5.84 mm×3.30 mm。

使用Curve Maker 模塊設計穿刺針入路并建立穿刺針模型。確定進針點、靶點并測距：使用測量工具選取口角外側25 mm 處為進針點（A 點）［8］以及卵圓孔（P 點）兩點連線，測得兩點距離約為86 mm，再向外側延伸至115 mm 創建穿刺針模型。外耳道前30 mm（B 點）、瞳孔（C 點）兩點分別為穿刺針尖在體表正側位投影位置，見圖1。

圖1 模擬穿刺路徑規劃及穿刺針模型建立

將分割好的三維可視化顱底結構模型以及穿刺針模型（見圖2）導出為標準STL（stereolithography）格式，由于標準STL 格式模型沒有材質信息，還要將STL 格式模型導入Blender 3.4 軟件中進行優化和貼圖上色導出為FBX（filmbox）格式。

圖2 穿刺針及顱底卵圓孔解剖結構三維可視化

1.2.3 創建Model Target 基于Vuforia 的增強現實應用可以通過攝像頭識別三維Model Target 輪廓進行定位，本研究使用PTC 官方提供的三維目標生成器（vuforia model target generator，MTG）創建Model Target：將前文分割的皮膚模型導入MTG 軟件中，設置模型尺寸、顏色、識別范圍等屬性后，軟件將自動創建Model Target，圖3 為創建Model Target 的過程。

圖3 使用MTG 工具創建的Model Target 以及識別角度

1.2.4 虛擬現實目標配準 將Model Target 和FBX格式三維模型導入Unity 3D 中，同時導入Vuforia Engine 增強現實開發模塊。在Unity 虛擬視窗中手動將FBX 格式皮膚模型與Model Target 進行配準，見圖4。

圖4 Unity 3D 軟件中的可視化配準過程

1.2.5 交互系統開發 使用Unity 3D 引擎開發系統交互功能，主要功能有解剖結構的顯示與隱藏，穿刺針的顯示隱藏等功能。可以通過鼠標點擊或手指觸控進行交互，見圖5。

1.2.6 3D 打印穿刺模擬器 將上文中3D Slicer 軟件分割建模的皮膚及顱骨模型以STL 格式保存，導入3D 打印切片軟件自動生成支撐，切片后將3D 打印機專用G 代碼（G-code）文件拷貝至極光爾沃A5S打印機進行打印，打印材料為直徑為1.75 mm 的聚乳酸（poly lactic acid，PLA）材料，打印參數見表3。打印完成后，使用液態硅膠灌注皮膚與顱骨之間的空隙，液態硅膠固化后可模擬人體肌肉組織。

1.2.7 增強現實功能測試 使用華碩ROG 幻X 筆記本電腦（Intel I5 12500H 處理器；16 G 內存，Intel Inis（R）Xe 核心顯卡，外接USB 單攝相機）進行測試。

操作步驟：①將3D 打印穿刺模擬器平放于操作臺上，要求周圍環境無遮擋，光照良好；②打開導航軟件，使用三腳架固定攝像頭對準穿刺模擬器；③當虛擬3D 模型出現在電腦屏幕時，緩慢移動攝像頭，分別對準模擬器正位和側位觀察虛擬模型與穿刺模擬器的配準情況；④自動配準后，測試交互功能，依次點擊（手指觸控）各個虛擬按鈕，檢查按鈕功能是否正常；⑤移動攝像頭確定卵圓孔最佳觀察角度和穿刺角度。

1.2.8 卵圓孔穿刺實驗 由10 名沒有卵圓孔穿刺經驗的醫生和4 名有卵圓孔穿刺經驗的醫生借助該導航系統分別隨機獨立進行5 次模擬穿刺，操作過程見圖6，記錄穿刺成功花費的時間以及5 min 內穿刺成功的次數。使用SPSS 23 軟件進行統計。

圖6 增強現實導航穿刺操作過程

2 結果

基于Vuforia 開發的增強現實導航系統成功實現了顱底卵圓孔增強現實顯示功能。虛擬3D 模型與現實世界中的3D 打印穿刺模擬器貼合精度較高（誤差小于3 mm）；可以清晰觀察到顱底解剖結構以及穿刺針位置、角度和深度；軟件交互功能正常，可以改變皮膚、顱骨等結構的透明度或使其隱藏，滿足了模擬穿刺導航需求。

兩組醫生借助增強現實導航軟件穿刺花費的時間為（3.52±2.78）min，5 min 穿刺成功率為86%；其中有經驗組穿刺時間（3.27±1.98）min，5 min 成功率為95%；無經驗組穿刺時間（3.77±2.57）min，5 min 穿刺成功率為82%。兩組穿刺時間對比統計見圖7。

圖7 兩組穿刺時間對比

3 討論

PMC 是1983 年由Mullan 等［9］提出的一種治療TN 的手術方式，由于其操作簡單、手術時間短、成本低、患者耐受好，且安全性高，受到越來越多的關注［10］。但是由于卵圓孔解剖復雜且個體差異較大，卵圓孔穿刺要求術者必須具有良好的穿刺技術，并熟練掌握顱底海綿竇區的解剖知識［11］。

研究表明，X 線引導下卵圓孔穿刺精確度可靠，安全性高，療效顯著［12］，但是在診療過程中X 線對人體的傷害是不可忽視的。神經導航和3D 打印導板輔助穿刺可以顯著縮短穿刺時間，有較高的精確度，并且安全無輻射［5-6］，但其缺點是神經導航設備昂貴，基層醫院普遍沒有配置。混合現實導航輔助穿刺是近年出現的新技術之一，術者通過佩戴MR眼鏡穿刺，可以做到模擬實時引導穿刺，縮短穿刺時間，穿刺成功率達到90.6%［13］，并且混合現實技術可以降低圖像引導治療（image-guided surgery，IGS）過程中的注意力轉移問題［14］，但是混合現實技術必須要佩戴專用MR 眼鏡，如微軟Hololens 等，術者佩戴過程中可能會有不適感，甚至會產生眩暈感。

本文論述的增強現實卵圓孔穿刺導航方法基于Vuforia Model Target 開發，調用系統攝像機即可自動識別三維對象，并且自動進行配準，無需在體表粘貼識別標記物［15］，也無需手動校準，縮短了術中操作時間，減少了人工操作誤差。該技術輔助模擬穿刺在5 min 內的成功率達到了86%，無卵圓孔穿刺經驗的醫生進行首次模擬穿刺時效率也接近有經驗的醫生，說明該導航方法可以幫助沒有經驗的醫生快速掌握卵圓孔穿刺技術。此外，該方法只需患者術前進行1 次CT 掃描，術中無需X 線引導，減少了患者和術者在穿刺過程中的輻射暴露。Vuforia 兼容Windows、Android、IOS 等各大操作系統以及微軟Hololens 眼鏡等混合現實設備，具有很高的通用性。

本研究只使用3D 打印的模具進行了穿刺實驗驗證可行性，沒有開展臨床人體試驗，所以該技術能否運用于臨床手術尚需進一步研究；只在單樣本上進行重復實驗，未能驗證不同卵圓孔解剖結構下的穿刺精確度，有待在后續的研究中擴大研究樣本進行驗證。

總而言之，基于Vuforia 可以實現顱底卵圓孔增強現實導航穿刺，無需X 線引導，在該技術實時可視化引導下可以顯著縮短穿刺時間，可以幫助沒有經驗的醫生直觀快速地掌握卵圓孔穿刺技術，是一項應用潛力巨大的技術。