用于增强现实头部外科手术导航的无标记配准方法

作     者：陈旭竞 许春晓 李洋 程浩杰 王佳俊 赵凌霄 

作者机构：中国科学技术大学生物医学工程学院(苏州)生命科学与医学部 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 

出 版 物：《激光与光电子学进展》 (Laser & Optoelectronics Progress)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主　　题：手术导航 增强现实 3D配准 HoloLens 

摘      要：传统头部手术导航系统通常使用双目红外相机跟踪固定在人体表面的逆反射标记，实现术中导航的配准定位。标记需要手动安装，配准精度易受到标记安装精度的影响，且存在准备时间长，易对病人造成侵入式损伤的问题。导航系统使用屏幕交互，医生需要在手术部位和屏幕之间反复切换视线，可视化效果不直观，且加重了医生的认知负担。为了解决上述问题，我们提出了一种使用结构光相机的无标记配准方法，将三维影像数据和人体目标部位空间配准。使用结构光相机得到患者面部点云，然后通过一个包含粗配准和精配准算法的快速精确的配准管线得到患者头部的精确位姿。本文将该配准方法与光学透视（Optical seethrough,OST）头戴式显示器（Head Mounted Display,HMD）结合，搭建了一个增强现实（Augmented reality, AR）配准系统。我们通过多用户实验验证了我们的配准方法和功能的有效性。实验结果显示，目标配准误差（TRE）的平均精度为2.61±0.55毫米，真实和虚拟模型的重叠系数(Dice)为0.9548，配准算法所需时间平均约为0.47秒。测试结果表明，该系统可以快速准确地自动配准，能够为医生在手术导航中提供准确的目标空间信息，满足头部手术导航的精度和时间要求，有进一步发展完善并应用到临床的潜力。