，，，　，　，

(1.大連醫(yī)科大學(xué)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(shù)正成為治療前交叉韌帶損傷的金標(biāo)準(zhǔn)，術(shù)中股骨端隧道定位點(diǎn)的確定常采用盲穿或利用相關(guān)儀器輔助定位。盲穿需要手術(shù)醫(yī)師具有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)及熟練的操作，儀器輔助定位不利于根據(jù)個(gè)體差異進(jìn)行定位點(diǎn)選擇，且存在系統(tǒng)誤差。前交叉韌帶股骨端隧道定位點(diǎn)位于關(guān)節(jié)腔深部，合適的進(jìn)針角度及確定足印區(qū)股骨止點(diǎn)所在位置是保證定位精確的關(guān)鍵[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)事先把患者影像資料經(jīng)處理后用Pad、手機(jī)等設(shè)備呈現(xiàn)虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)圖像疊加的效果，即手術(shù)部分器官在體表透明投射效果，技術(shù)上切實(shí)可行，但其精準(zhǔn)度需要驗(yàn)證。我們運(yùn)用AR手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)，模擬前交叉韌帶股骨止點(diǎn)的定位，首先利用3D打印技術(shù)制作出一個(gè)特制的立方體模擬膝關(guān)節(jié)，該立方體用于客觀評(píng)價(jià)在AR導(dǎo)航下操作者尋找定位點(diǎn)的精準(zhǔn)度，以便為今后該技術(shù)應(yīng)用于臨床操作提供參考，現(xiàn)報(bào)告如下。

1　資料與方法

1.1　臨床資料

采用Materialise3-matic軟件(比利時(shí))設(shè)計(jì)模擬該實(shí)驗(yàn)的立方體模型的STL文件，通過3D打印機(jī)(MakerBot Replicator Z18)打印1個(gè)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(duì)角線交點(diǎn)留孔作為進(jìn)針點(diǎn)。立方體底面的內(nèi)表面設(shè)計(jì)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(gè)均勻分散在底面；立方體4個(gè)側(cè)面內(nèi)表面采用同樣方法各標(biāo)記一個(gè)同心圓靶點(diǎn)。應(yīng)用Materialise3-matic軟件設(shè)計(jì)入路通道，定位標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)為同心圓圓心位置。Web-GL技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁端的3D模型展示(圖1a)。通過Pad或手機(jī)呈現(xiàn)的虛擬圖像與打印的模擬盒子進(jìn)行外緣配準(zhǔn)定位后，實(shí)現(xiàn)虛擬圖像(帶穿刺導(dǎo)航通道)與現(xiàn)實(shí)圖像重合(圖1b、c)。

1.2　方法

1.2.1AR定位精準(zhǔn)度驗(yàn)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(jī)抽取編號(hào)1～50后，按順序進(jìn)行操作，AR定位方法見圖1d。每名操作醫(yī)師均在AR導(dǎo)航下對(duì)立方體內(nèi)共5個(gè)操作平面不同角度的8個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行定位操作，所有操作者均在3 min內(nèi)完成，記錄定位點(diǎn)所在環(huán)數(shù)，最后對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.2滿意度調(diào)查采用問卷形式對(duì)AR導(dǎo)航下操作者主觀滿意度進(jìn)行評(píng)分，內(nèi)容包括：①對(duì)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(dǎo)航下對(duì)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(dǎo)航下對(duì)定位點(diǎn)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(jì)學(xué)分析

a:軟件設(shè)計(jì)定位入路通道;b:AR下導(dǎo)航引導(dǎo)定位;c:手機(jī)端AR引導(dǎo)定位(內(nèi)景);d:手機(jī)端AR引導(dǎo)定位(外景)

圖1AR導(dǎo)航下模擬前交叉韌帶股骨端定位示意圖

2　結(jié)果

表1　AR導(dǎo)航下定位點(diǎn)精確度)

表2　AR導(dǎo)航下操作者主觀滿意度評(píng)分分)

3　討論

膝關(guān)節(jié)鏡前交叉韌帶重建術(shù)的成敗關(guān)鍵在于對(duì)深部股骨端韌帶止點(diǎn)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(gè)體差異做出具體調(diào)整的問題。近年來，基于AR技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)逐漸被應(yīng)用到臨床[2]。AR是在虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)上逐漸發(fā)展起來的通過利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的信息來增強(qiáng)人眼對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的新技術(shù)[3-5]。AR技術(shù)可將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地疊加并顯示到真實(shí)的手術(shù)場(chǎng)景中，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的效果，這讓使用者可觀察到肉眼看不到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)使用者對(duì)真實(shí)世界的觀察[6-7]。同時(shí)，AR技術(shù)還具有較強(qiáng)的交互性和簡便性，因?yàn)槭中g(shù)入路通道是事先在電腦內(nèi)設(shè)計(jì)好的，該技術(shù)的重大突破是避免了操作者需一邊看虛擬導(dǎo)航圖像，一邊與操作對(duì)象真實(shí)的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)照的不足，是真正意義上的實(shí)時(shí)交互[8]。AR技術(shù)不影響操作者身處真實(shí)環(huán)境的客觀感受，通過比VR有更高精度的三維匹配，可達(dá)到普通肉眼手術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)度[9-10]。

本研究運(yùn)用同樣的原理將此應(yīng)用在模擬臨床前交叉韌帶股骨端止點(diǎn)定位中，首先經(jīng)過三維虛擬設(shè)計(jì)，在AR顯示屏上輸出預(yù)先設(shè)計(jì)好的立方體虛擬模型及入路通道，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)立方體的實(shí)體信息相結(jié)合，該立方體可視為人體膝關(guān)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(diǎn)的具體位置、靶點(diǎn)與鄰近結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系等重要信息，做到虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)肉眼可見現(xiàn)實(shí)的“增強(qiáng)”或“透明化”。本研究建立了一個(gè)基于AR的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，引入了立方體模型配準(zhǔn)方法[11]：術(shù)前在計(jì)算機(jī)上形成立方體的三維虛擬模型，通過立方體模型制作標(biāo)志物支架，掃描后得出立方體模型和標(biāo)志物的三維數(shù)據(jù)用來進(jìn)行配準(zhǔn)。同時(shí)使用模式識(shí)別技術(shù)識(shí)別視頻圖像中預(yù)先定義好的標(biāo)志物，在導(dǎo)航定位前完成立方體虛擬影像與立方體實(shí)體的配準(zhǔn)，采用視頻檢測(cè)方法進(jìn)行定位。最后做到虛實(shí)結(jié)合，達(dá)到術(shù)中導(dǎo)航的目的，通過該模擬研究證明AR導(dǎo)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(diǎn)一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)是周圍重要解剖結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，AR技術(shù)運(yùn)用到臨床手術(shù)定位中，操作醫(yī)生可以通過處理計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)等數(shù)據(jù)，在醫(yī)學(xué)影像信息的引導(dǎo)下實(shí)時(shí)觀察立方體的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，并判斷定位靶向區(qū)域與介入穿刺針之間的位置關(guān)系，最大程度地讓操作者觀察到手術(shù)操作部位及附近重要的毗鄰解剖結(jié)構(gòu)，幫助操作者準(zhǔn)確地進(jìn)行定位路徑規(guī)劃，達(dá)到精確治療的目的[12-14]。使用AR技術(shù)在局限的操作空間下選取合適的標(biāo)志作為入路點(diǎn)，通過跟蹤技術(shù)[15]，選取精確的定位路徑，避免損傷周圍重要的解剖結(jié)構(gòu)，是保證定位成功的關(guān)鍵因素[16]。即路徑可以在計(jì)算機(jī)上提前設(shè)計(jì)好，預(yù)先避開重要結(jié)構(gòu)，如軟骨、功能組織等，減少相關(guān)并發(fā)癥。模擬手術(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)果也可實(shí)時(shí)反應(yīng)在操作對(duì)象身上[17-18]，所以術(shù)中操作者可同時(shí)觀察到操作對(duì)象和術(shù)前設(shè)計(jì)方案的信息，從而達(dá)到最滿意的操作質(zhì)量。

但目前的AR技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到普及臨床的要求，本研究是一個(gè)設(shè)置在靜態(tài)環(huán)境下的模擬穿刺的立方體模型，在真實(shí)的臨床操作中，組織可因外力形變，導(dǎo)致穿刺靶點(diǎn)存在動(dòng)態(tài)位移，做影像檢查時(shí)的體位及穿刺時(shí)體位變化也需要二次配準(zhǔn)[19-20]。本研究初步證明了AR導(dǎo)航下模擬穿刺的高精確度，在操作直徑為0.5 cm時(shí)精確度可達(dá)到近80%，這為后期將該技術(shù)應(yīng)用到關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中前交叉韌帶股骨端止點(diǎn)定位提供了充分的依據(jù)。本研究后期將做進(jìn)一步探索，如基于內(nèi)部組織的二次配準(zhǔn)方法等。其次，操作者的入路視角對(duì)定位成功起著重要作用，該因素受操作者自身和操作對(duì)象兩方面的影響[21]，我們通過兩個(gè)角度AR引導(dǎo)解決了這個(gè)難題，但是兩個(gè)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(zhǔn)度可以適用于前交叉韌帶手術(shù)臨床要求，但需要指出，任何導(dǎo)航技術(shù)都存在一定的誤差，而AR導(dǎo)航的誤差主要受實(shí)體與虛擬圖形配準(zhǔn)技術(shù)的影響，后期應(yīng)通過改進(jìn)AR相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步減小誤差，以適用于更精確的臨床操作。通過AR技術(shù)的不斷改進(jìn)，未來可以應(yīng)用在臨床的實(shí)際病例中，并通過視頻采集器實(shí)時(shí)將配準(zhǔn)的結(jié)果疊加到手術(shù)視野中[22]，給醫(yī)師的手術(shù)操作提供重要參考數(shù)據(jù)。

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