基于Vuforia 的卵圆孔穿刺增强现实导航系统可行性研究

雷宝铭，张东友

三叉神经痛（trigeminal neuralgia，TN）又称为痛性痉挛，是一种比较常见的头面部疼痛，年发生率为4.3/10 万～27/10 万，且女性发病率较高［1］。TN 首选药物治疗，外科疗法见效迅速，但创伤大、术后并发症多、复发率及致死率均较高［2］。对于不耐受外科手术或术后再发的TN 患者，常采用射频消融（radio frequency ablation，RFA）、经皮微球囊压迫术（percutaneous microballoon compression，PMC）等微创介入疗法［3］。在微创介入治疗过程中，最关键的就是精准定位穿刺卵圆孔以达到半月神经节［4］。常见的穿刺定位通常在X 线辅助引导下进行，此外还有神经导航［5］、3D 打印穿刺导板［6］、混合现实（mixed reality，MR）［7］等辅助穿刺技术，本研究旨在探索一种创新性增强现实穿刺导航方法的可行性。

1 材料与方法

1.1 一般资料

实验设计：个体样本重复实验。

1.1.1 实验对象 经PACS 系统获取DICOM 格式头颈CTA 扫描图像，脱敏处理后作为建模对象。

1.1.2 设备及软件 本研究所用主要设备及软件见表1。

表1 主要应用的软硬件

1.2 方法

1.2.1 CT 扫描方法 志愿者仰卧于检查床上，头部固定，听眦线垂直于床面。扫描参数见表2。扫描完成后通过PACS 系统导出DICOM 格式图像。

表2 CTA 扫描参数

1.2.2 医学影像三维重建及穿刺模拟 将CT 扫描重建的薄层数据导入3D Slicer（v5.2.1）软件Segment Editor 模块进行三维重建，使用平扫、动脉期及静脉期数据分别重建皮肤、颅骨、头颈部动脉、头颈部静脉等解剖结构。测量得到卵圆孔尺寸5.84 mm×3.30 mm。

使用Curve Maker 模块设计穿刺针入路并建立穿刺针模型。确定进针点、靶点并测距：使用测量工具选取口角外侧25 mm 处为进针点（A 点）［8］以及卵圆孔（P 点）两点连线，测得两点距离约为86 mm，再向外侧延伸至115 mm 创建穿刺针模型。外耳道前30 mm（B 点）、瞳孔（C 点）两点分别为穿刺针尖在体表正侧位投影位置，见图1。

图1 模拟穿刺路径规划及穿刺针模型建立

将分割好的三维可视化颅底结构模型以及穿刺针模型（见图2）导出为标准STL（stereolithography）格式，由于标准STL 格式模型没有材质信息，还要将STL 格式模型导入Blender 3.4 软件中进行优化和贴图上色导出为FBX（filmbox）格式。

图2 穿刺针及颅底卵圆孔解剖结构三维可视化

1.2.3 创建Model Target 基于Vuforia 的增强现实应用可以通过摄像头识别三维Model Target 轮廓进行定位，本研究使用PTC 官方提供的三维目标生成器（vuforia model target generator，MTG）创建Model Target：将前文分割的皮肤模型导入MTG 软件中，设置模型尺寸、颜色、识别范围等属性后，软件将自动创建Model Target，图3 为创建Model Target 的过程。

图3 使用MTG 工具创建的Model Target 以及识别角度

1.2.4 虚拟现实目标配准 将Model Target 和FBX格式三维模型导入Unity 3D 中，同时导入Vuforia Engine 增强现实开发模块。在Unity 虚拟视窗中手动将FBX 格式皮肤模型与Model Target 进行配准，见图4。

图4 Unity 3D 软件中的可视化配准过程

1.2.5 交互系统开发 使用Unity 3D 引擎开发系统交互功能，主要功能有解剖结构的显示与隐藏，穿刺针的显示隐藏等功能。可以通过鼠标点击或手指触控进行交互，见图5。

1.2.6 3D 打印穿刺模拟器 将上文中3D Slicer 软件分割建模的皮肤及颅骨模型以STL 格式保存，导入3D 打印切片软件自动生成支撑，切片后将3D 打印机专用G 代码（G-code）文件拷贝至极光尔沃A5S打印机进行打印，打印材料为直径为1.75 mm 的聚乳酸（poly lactic acid，PLA）材料，打印参数见表3。打印完成后，使用液态硅胶灌注皮肤与颅骨之间的空隙，液态硅胶固化后可模拟人体肌肉组织。

1.2.7 增强现实功能测试 使用华硕ROG 幻X 笔记本电脑（Intel I5 12500H 处理器；16 G 内存，Intel Inis（R）Xe 核心显卡，外接USB 单摄相机）进行测试。

操作步骤：①将3D 打印穿刺模拟器平放于操作台上，要求周围环境无遮挡，光照良好；②打开导航软件，使用三脚架固定摄像头对准穿刺模拟器；③当虚拟3D 模型出现在电脑屏幕时，缓慢移动摄像头，分别对准模拟器正位和侧位观察虚拟模型与穿刺模拟器的配准情况；④自动配准后，测试交互功能，依次点击（手指触控）各个虚拟按钮，检查按钮功能是否正常；⑤移动摄像头确定卵圆孔最佳观察角度和穿刺角度。

1.2.8 卵圆孔穿刺实验 由10 名没有卵圆孔穿刺经验的医生和4 名有卵圆孔穿刺经验的医生借助该导航系统分别随机独立进行5 次模拟穿刺，操作过程见图6，记录穿刺成功花费的时间以及5 min 内穿刺成功的次数。使用SPSS 23 软件进行统计。

图6 增强现实导航穿刺操作过程

2 结果

基于Vuforia 开发的增强现实导航系统成功实现了颅底卵圆孔增强现实显示功能。虚拟3D 模型与现实世界中的3D 打印穿刺模拟器贴合精度较高（误差小于3 mm）；可以清晰观察到颅底解剖结构以及穿刺针位置、角度和深度；软件交互功能正常，可以改变皮肤、颅骨等结构的透明度或使其隐藏，满足了模拟穿刺导航需求。

两组医生借助增强现实导航软件穿刺花费的时间为（3.52±2.78）min，5 min 穿刺成功率为86%；其中有经验组穿刺时间（3.27±1.98）min，5 min 成功率为95%；无经验组穿刺时间（3.77±2.57）min，5 min 穿刺成功率为82%。两组穿刺时间对比统计见图7。

图7 两组穿刺时间对比

3 讨论

PMC 是1983 年由Mullan 等［9］提出的一种治疗TN 的手术方式，由于其操作简单、手术时间短、成本低、患者耐受好，且安全性高，受到越来越多的关注［10］。但是由于卵圆孔解剖复杂且个体差异较大，卵圆孔穿刺要求术者必须具有良好的穿刺技术，并熟练掌握颅底海绵窦区的解剖知识［11］。

研究表明，X 线引导下卵圆孔穿刺精确度可靠，安全性高，疗效显著［12］，但是在诊疗过程中X 线对人体的伤害是不可忽视的。神经导航和3D 打印导板辅助穿刺可以显著缩短穿刺时间，有较高的精确度，并且安全无辐射［5-6］，但其缺点是神经导航设备昂贵，基层医院普遍没有配置。混合现实导航辅助穿刺是近年出现的新技术之一，术者通过佩戴MR眼镜穿刺，可以做到模拟实时引导穿刺，缩短穿刺时间，穿刺成功率达到90.6%［13］，并且混合现实技术可以降低图像引导治疗（image-guided surgery，IGS）过程中的注意力转移问题［14］，但是混合现实技术必须要佩戴专用MR 眼镜，如微软Hololens 等，术者佩戴过程中可能会有不适感，甚至会产生眩晕感。

本文论述的增强现实卵圆孔穿刺导航方法基于Vuforia Model Target 开发，调用系统摄像机即可自动识别三维对象，并且自动进行配准，无需在体表粘贴识别标记物［15］，也无需手动校准，缩短了术中操作时间，减少了人工操作误差。该技术辅助模拟穿刺在5 min 内的成功率达到了86%，无卵圆孔穿刺经验的医生进行首次模拟穿刺时效率也接近有经验的医生，说明该导航方法可以帮助没有经验的医生快速掌握卵圆孔穿刺技术。此外，该方法只需患者术前进行1 次CT 扫描，术中无需X 线引导，减少了患者和术者在穿刺过程中的辐射暴露。Vuforia 兼容Windows、Android、IOS 等各大操作系统以及微软Hololens 眼镜等混合现实设备，具有很高的通用性。

本研究只使用3D 打印的模具进行了穿刺实验验证可行性，没有开展临床人体试验，所以该技术能否运用于临床手术尚需进一步研究；只在单样本上进行重复实验，未能验证不同卵圆孔解剖结构下的穿刺精确度，有待在后续的研究中扩大研究样本进行验证。

总而言之，基于Vuforia 可以实现颅底卵圆孔增强现实导航穿刺，无需X 线引导，在该技术实时可视化引导下可以显著缩短穿刺时间，可以帮助没有经验的医生直观快速地掌握卵圆孔穿刺技术，是一项应用潜力巨大的技术。