3D打印模型联合AR导航模拟前交叉韧带股骨端定位点精确度的验证

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(1.大连医科大学研究生院，辽宁 大连 116044；2.沈阳军区总医院骨科，全军重症战创伤救治中心，辽宁 沈阳 110016)

前交叉韧带重建术正成为治疗前交叉韧带损伤的金标准，术中股骨端隧道定位点的确定常采用盲穿或利用相关仪器辅助定位。盲穿需要手术医师具有丰富的临床经验及熟练的操作，仪器辅助定位不利于根据个体差异进行定位点选择，且存在系统误差。前交叉韧带股骨端隧道定位点位于关节腔深部，合适的进针角度及确定足印区股骨止点所在位置是保证定位精确的关键[1]。增强现实(augmented reality，AR)技术是通过计算机事先把患者影像资料经处理后用Pad、手机等设备呈现虚拟图像与现实图像叠加的效果，即手术部分器官在体表透明投射效果，技术上切实可行，但其精准度需要验证。我们运用AR手术导航技术，模拟前交叉韧带股骨止点的定位，首先利用3D打印技术制作出一个特制的立方体模拟膝关节，该立方体用于客观评价在AR导航下操作者寻找定位点的精准度，以便为今后该技术应用于临床操作提供参考，现报告如下。

1　资料与方法

1.1　临床资料

采用Materialise3-matic软件(比利时)设计模拟该实验的立方体模型的STL文件，通过3D打印机(MakerBot Replicator Z18)打印1个长35 cm、宽17 cm、高17 cm的立方体模型，打印材料由PLA组成。立方体顶面对角线交点留孔作为进针点。立方体底面的内表面设计成直径分别为0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1.0 cm、1.25 cm、1.5 cm的同心圆六环靶，共4个均匀分散在底面；立方体4个侧面内表面采用同样方法各标记一个同心圆靶点。应用Materialise3-matic软件设计入路通道，定位标准点为同心圆圆心位置。Web-GL技术最终实现网页端的3D模型展示(图1a)。通过Pad或手机呈现的虚拟图像与打印的模拟盒子进行外缘配准定位后，实现虚拟图像(带穿刺导航通道)与现实图像重合(图1b、c)。

1.2　方法

1.2.1AR定位精准度验证选取从事临床工作的骨科医生50名，平均从事临床工作(3.0±1.6)年，其中男41例，女9例，平均年龄(29.5±3.6)岁，随机抽取编号1～50后，按顺序进行操作，AR定位方法见图1d。每名操作医师均在AR导航下对立方体内共5个操作平面不同角度的8个靶点进行定位操作，所有操作者均在3 min内完成，记录定位点所在环数，最后对所有数据进行提取，并对结果进行统计分析。

1.2.2满意度调查采用问卷形式对AR导航下操作者主观满意度进行评分，内容包括：①对操作过程的整体满意度，1分为极不满意，10分为非常满意；②AR导航下对操作者的帮助程度，1分为毫无帮助，10分为十分有帮助；③AR导航下对定位点可控性满意程度，1分为极不满意，10分为非常满意。

1.3　统计学分析

a:软件设计定位入路通道;b:AR下导航引导定位;c:手机端AR引导定位(内景);d:手机端AR引导定位(外景)

图1AR导航下模拟前交叉韧带股骨端定位示意图

2　结果

表1　AR导航下定位点精确度)

表2　AR导航下操作者主观满意度评分分)

3　讨论

膝关节镜前交叉韧带重建术的成败关键在于对深部股骨端韧带止点的精确定位。目前临床上主要采用盲穿定位或辅助一些定位支架，但存在较大误差或不能根据个体差异做出具体调整的问题。近年来，基于AR技术的手术导航技术逐渐被应用到临床[2]。AR是在虚拟现实(virtual reality，VR)技术上逐渐发展起来的通过利用计算机系统提供的信息来增强人眼对现实世界感知的新技术[3-5]。AR技术可将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息实时准确地叠加并显示到真实的手术场景中，达到虚实结合的效果，这让使用者可观察到肉眼看不到的内部结构，增强使用者对真实世界的观察[6-7]。同时，AR技术还具有较强的交互性和简便性，因为手术入路通道是事先在电脑内设计好的，该技术的重大突破是避免了操作者需一边看虚拟导航图像，一边与操作对象真实的解剖结构进行对照的不足，是真正意义上的实时交互[8]。AR技术不影响操作者身处真实环境的客观感受，通过比VR有更高精度的三维匹配，可达到普通肉眼手术无法实现的精准度[9-10]。

本研究运用同样的原理将此应用在模拟临床前交叉韧带股骨端止点定位中，首先经过三维虚拟设计，在AR显示屏上输出预先设计好的立方体虚拟模型及入路通道，同时与实验立方体的实体信息相结合，该立方体可视为人体膝关节的简化，操作者便可获得肉眼无法观察到的立方体内部信息，如靶点的具体位置、靶点与邻近结构的位置关系等重要信息，做到虚实结合，实现对肉眼可见现实的“增强”或“透明化”。本研究建立了一个基于AR的定位导航系统，引入了立方体模型配准方法[11]：术前在计算机上形成立方体的三维虚拟模型，通过立方体模型制作标志物支架，扫描后得出立方体模型和标志物的三维数据用来进行配准。同时使用模式识别技术识别视频图像中预先定义好的标志物，在导航定位前完成立方体虚拟影像与立方体实体的配准，采用视频检测方法进行定位。最后做到虚实结合，达到术中导航的目的，通过该模拟研究证明AR导航下定位精确度较高，能给临床操作者带来较大帮助。

前交叉韧带股骨端定位点一个重要关注点是周围重要解剖结构之间的位置关系，AR技术运用到临床手术定位中，操作医生可以通过处理计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)等数据，在医学影像信息的引导下实时观察立方体的内部空间结构，并判断定位靶向区域与介入穿刺针之间的位置关系，最大程度地让操作者观察到手术操作部位及附近重要的毗邻解剖结构，帮助操作者准确地进行定位路径规划，达到精确治疗的目的[12-14]。使用AR技术在局限的操作空间下选取合适的标志作为入路点，通过跟踪技术[15]，选取精确的定位路径，避免损伤周围重要的解剖结构，是保证定位成功的关键因素[16]。即路径可以在计算机上提前设计好，预先避开重要结构，如软骨、功能组织等，减少相关并发症。模拟手术设计的结果也可实时反应在操作对象身上[17-18]，所以术中操作者可同时观察到操作对象和术前设计方案的信息，从而达到最满意的操作质量。

但目前的AR技术还远未达到普及临床的要求，本研究是一个设置在静态环境下的模拟穿刺的立方体模型，在真实的临床操作中，组织可因外力形变，导致穿刺靶点存在动态位移，做影像检查时的体位及穿刺时体位变化也需要二次配准[19-20]。本研究初步证明了AR导航下模拟穿刺的高精确度，在操作直径为0.5 cm时精确度可达到近80%，这为后期将该技术应用到关节镜手术中前交叉韧带股骨端止点定位提供了充分的依据。本研究后期将做进一步探索，如基于内部组织的二次配准方法等。其次，操作者的入路视角对定位成功起着重要作用，该因素受操作者自身和操作对象两方面的影响[21]，我们通过两个角度AR引导解决了这个难题，但是两个角度AR如何融合数据仍需要后续研究。虽然目前的定位精准度可以适用于前交叉韧带手术临床要求，但需要指出，任何导航技术都存在一定的误差，而AR导航的误差主要受实体与虚拟图形配准技术的影响，后期应通过改进AR相关技术，进一步减小误差，以适用于更精确的临床操作。通过AR技术的不断改进，未来可以应用在临床的实际病例中，并通过视频采集器实时将配准的结果叠加到手术视野中[22]，给医师的手术操作提供重要参考数据。

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