增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在創(chuàng)傷骨科疾病的應(yīng)用現(xiàn)狀

來(lái)源：百濟(jì)藥房藥訊作者：百濟(jì)動(dòng)態(tài) 瀏覽：發(fā)布時(shí)間：2017/4/17 11:42:00

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的圖形學(xué)領(lǐng)域新技術(shù)，可以將依托計(jì)算機(jī)建立的虛擬模型與使用者肉眼所見(jiàn)到的真實(shí)場(chǎng)景相融合，即將虛擬場(chǎng)景、模型或系統(tǒng)信息與真實(shí)場(chǎng)景相疊加，從而憑借從虛擬場(chǎng)景中所獲得的視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法獲取的額外信息增強(qiáng)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的認(rèn)識(shí)和感知。AR以注冊(cè)、跟蹤、顯示和交互為技術(shù)支撐，具有真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景的信息集成、實(shí)時(shí)交互和三維注冊(cè)等三個(gè)突出特點(diǎn)。AR技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、教育、建筑等領(lǐng)域，在外科領(lǐng)域，AR技術(shù)利用VR技術(shù)將X線、CT、MR、PET等多模態(tài)影像三維重建后融合于患者相應(yīng)的臟器位置，外科醫(yī)生可以獲得肉眼無(wú)法看到的臟器內(nèi)部情況和與相鄰器官的空間信息，強(qiáng)化手術(shù)的精確性和真實(shí)感，對(duì)于術(shù)前計(jì)劃制定、術(shù)中引導(dǎo)和提高手術(shù)質(zhì)量等方面均具有較大的應(yīng)用價(jià)值。由于解剖的復(fù)雜性和創(chuàng)傷的不可預(yù)見(jiàn)性，創(chuàng)傷骨科的手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)較高，AR技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的有效應(yīng)用將極大地提高手術(shù)成功率，但目前仍處于探索階段，本文對(duì)AR技術(shù)在國(guó)內(nèi)創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分類(lèi)綜述。

　　AR的技術(shù)原理

　　AR技術(shù)是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，VR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，強(qiáng)調(diào)虛擬場(chǎng)景給人感觀效果上的沉浸感，使用者可以及時(shí)、全方位地觀察三維空間內(nèi)的情況，以自然的方式與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互溝通，例如利用CT或MR的三維重建技術(shù)模擬真實(shí)病灶的情況，測(cè)量病變的實(shí)際大小和形狀。而AR則利用圖形技術(shù)、可視化技術(shù)和傳感技術(shù)，將虛擬的場(chǎng)景準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中，是對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的補(bǔ)充，不改變使用者在真實(shí)場(chǎng)景中的客觀感受，使用者通過(guò)各種方式與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互溝通。AR技術(shù)可幫助骨科醫(yī)生制定詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃，設(shè)計(jì)手術(shù)入路、骨窗范圍和螺釘進(jìn)入角度，如圖1——3。

　　AR技術(shù)硬件要求相對(duì)低，關(guān)鍵技術(shù)是配準(zhǔn)的精確度和顯示技術(shù)的真實(shí)感。在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域的基本操作步驟為：通過(guò)X線、CT或MR等采集骨折處的解剖信息，利用VR技術(shù)形成虛擬模型圖像，將虛擬圖像與內(nèi)固定器材等真實(shí)圖像精確配準(zhǔn)，并在手術(shù)過(guò)程中實(shí)時(shí)跟蹤顯示。本文從配準(zhǔn)、跟蹤、顯示和交互等四個(gè)支撐技術(shù)方面對(duì)其原理進(jìn)行介紹。

　　配準(zhǔn)技術(shù) 要實(shí)現(xiàn)虛擬和真實(shí)物體的精確重疊，需將虛擬物體重現(xiàn)在真實(shí)物體的準(zhǔn)確位置，即配準(zhǔn)技術(shù)。如果缺乏準(zhǔn)確地配準(zhǔn)技術(shù)，虛擬場(chǎng)景可能會(huì)漂浮在真實(shí)場(chǎng)景之外，因此配準(zhǔn)對(duì)AR技術(shù)至關(guān)重要，見(jiàn)圖4——6。采用基準(zhǔn)點(diǎn)配準(zhǔn)法，通過(guò)對(duì)肢體的DR圖像灰度對(duì)比度的調(diào)整，得到清晰的皮膚和骨骼邊緣線，利用三點(diǎn)決定一個(gè)平面的原理進(jìn)行配準(zhǔn)，將兩幅圖像中的皮膚和骨髂邊緣線用一系列的藍(lán)點(diǎn)和紅點(diǎn)標(biāo)注出來(lái)，利用專(zhuān)用的計(jì)算軟件使合成后的圖像藍(lán)點(diǎn)線和紅點(diǎn)線重合，即將光學(xué)圖像的皮膚邊緣和X線影像的皮膚邊緣匹配。

　　跟蹤技術(shù) 跟蹤技術(shù)主要是實(shí)時(shí)顯示病變部位和手術(shù)器械位置變化情況，要求范圍大、精確度高，目前主要是通過(guò)機(jī)械式、磁式、超聲式和光學(xué)式位置傳感器完成。但這些傳感器各有不足，尚不能完全滿足AR技術(shù)的要求。今后的發(fā)展方向?yàn)榛旌鲜礁櫦夹g(shù)，相互彌補(bǔ)各傳感器的不足從而提高跟蹤效率。

　　顯示技術(shù) AR的顯示技術(shù)分為基于計(jì)算機(jī)屏幕和基于頭盔式顯示器，基于計(jì)算機(jī)屏幕的顯示方式在醫(yī)學(xué)中最為常用，可以3D形式顯示場(chǎng)景圖像，方便使用者戴立體眼鏡進(jìn)行觀看。頭盔式顯示器分為視頻透視式和學(xué)透視式，視頻透視式通過(guò)安裝在使用者頭部的攝像機(jī)獲取真實(shí)影像，并通過(guò)計(jì)算機(jī)將虛擬圖像疊加在視頻信號(hào)上。光學(xué)透視式則通過(guò)安裝在眼前的半透半反光學(xué)合成器，看到真實(shí)場(chǎng)景及增強(qiáng)圖像。但由于影響手術(shù)醫(yī)師的操作及聚焦虛實(shí)影像共同平面的困難度，目前在外科領(lǐng)域應(yīng)用極少。

　　交互技術(shù) 利用手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、力反饋設(shè)備、六自由度鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套及特定標(biāo)志等工具，在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，便在系統(tǒng)識(shí)別后進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)術(shù)者與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的溝通對(duì)話，從而在復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域的手術(shù)中發(fā)揮重要作用。

　　AR技術(shù)在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域應(yīng)用的必要性

　　在創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域，由于脊柱、骨盆和脛骨近端等部位解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之骨折損傷的不可預(yù)見(jiàn)性，手術(shù)操作中易導(dǎo)致神經(jīng)和血管的損傷，利用AR技術(shù)進(jìn)行個(gè)體化內(nèi)固定物設(shè)計(jì)、模擬復(fù)位和固定效果，結(jié)合生物學(xué)內(nèi)固定的理念，指導(dǎo)手術(shù)過(guò)程中鋼板的塑形和固定螺釘?shù)木珳?zhǔn)置放，評(píng)估手術(shù)治療的效果，可有效提升骨折手術(shù)的安全性和精確性，縮短手術(shù)時(shí)間。在脊柱手術(shù)中，AR技術(shù)可幫助手醫(yī)師完善立體概念，利用數(shù)字化技術(shù)、三維建模技術(shù)和術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)，制定個(gè)體化的術(shù)前計(jì)劃，降低手術(shù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)，減少醫(yī)患雙方放射線的暴露，在關(guān)節(jié)外科可根據(jù)關(guān)節(jié)的三維形態(tài)學(xué)信息，通過(guò)運(yùn)動(dòng)范圍模擬、術(shù)中定位和跟蹤，對(duì)選擇手術(shù)入路、提高定位的精度意義重大，可結(jié)合材料學(xué)設(shè)計(jì)個(gè)性化關(guān)節(jié)假體，更符合患者的生物力學(xué)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)功能，提高假體的質(zhì)量和使用壽命。在骨折后的康復(fù)治療中，AR技術(shù)可以日常常規(guī)動(dòng)作為基礎(chǔ)，為康復(fù)訓(xùn)練提供可重復(fù)進(jìn)行的目的性主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，有效喚醒神經(jīng)元的殘余功能，促使大腦對(duì)動(dòng)作質(zhì)量進(jìn)行修正，最終恢復(fù)原有的功能并建立新的代償，實(shí)現(xiàn)功能重塑從而改善肢體功能，將學(xué)習(xí)到的運(yùn)動(dòng)技能轉(zhuǎn)移到真實(shí)環(huán)境中，同時(shí)可輔助骨科教學(xué)。

　　AR技術(shù)在創(chuàng)傷骨科中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在脊柱骨折中的應(yīng)用陳宣煌等采用Mimics軟件三維重建設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了腰椎椎弓根螺釘置釘?shù)篮椭沃谑中g(shù)中進(jìn)行數(shù)字化導(dǎo)航置釘，準(zhǔn)確率達(dá)97%，優(yōu)良率達(dá)95%。樊勇等采用術(shù)前計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)了截骨區(qū)域、范圍，術(shù)中采用三維導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行精確截骨矯形，可提高矯正胸腰椎段骨折術(shù)后繼發(fā)角狀后凸畸形手術(shù)的安全性，有效提高復(fù)雜脊柱畸形的治療效果。譚海濤等采用了CT連續(xù)掃描重建頸椎三維模型，設(shè)計(jì)與頸椎椎板吻合的反向模板，模擬最佳螺釘進(jìn)釘通道，采用導(dǎo)航模板輔助置入椎弓根螺釘164枚，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)脈、神經(jīng)損傷并發(fā)癥，認(rèn)為數(shù)字化導(dǎo)航模板可提高頸椎置釘?shù)臏?zhǔn)確性，增加手術(shù)的安全性。

　　在關(guān)節(jié)骨折中的應(yīng)用 Zemirline等以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)與腕關(guān)節(jié)鏡相結(jié)合清晰顯示腕關(guān)節(jié)骨折情況、位置關(guān)系和移位情況，在復(fù)雜性腕關(guān)節(jié)骨折治療中準(zhǔn)確提供切口位置及定位距離，手術(shù)成功率明顯高于傳統(tǒng)手術(shù)方式。張進(jìn)等利用薄層CT掃描進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入GeomagicStudio和GeomagicSpark進(jìn)行反求及正向設(shè)計(jì)，3D打印技術(shù)制作出經(jīng)皮導(dǎo)板，精準(zhǔn)定位后對(duì)肩關(guān)節(jié)傷病患者進(jìn)行穿刺活檢，實(shí)現(xiàn)了肩關(guān)節(jié)周?chē)木珳?zhǔn)穿刺。章瑩等采用CT三維重建、快速成形、三維模擬手術(shù)和個(gè)體化預(yù)手術(shù)的基礎(chǔ)上輔助實(shí)施肩關(guān)節(jié)骨折手術(shù)治療，認(rèn)為可縮短骨折復(fù)位固定時(shí)間，提高手術(shù)的精確度。

　　在骨盆骨折中的應(yīng)用莊巖等針對(duì)髖臼后柱解剖結(jié)構(gòu)個(gè)體差異大的特點(diǎn)，依據(jù)正常側(cè)髖臼CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，測(cè)量股骨頭直徑、髖臼后壁、近端和遠(yuǎn)端3段曲率半徑，基于此結(jié)果設(shè)計(jì)出3種解剖型接骨板，較傳統(tǒng)接骨板設(shè)計(jì)更為合理。張?jiān)堑壤?/span>CT三維重建和逆向工程技術(shù)，對(duì)志愿者標(biāo)準(zhǔn)骶骨前后位進(jìn)行多層剖分，確定經(jīng)皮橫向骶髂關(guān)節(jié)螺釘最優(yōu)釘?shù)溃委燋竟强v行骨折患者12例，未發(fā)生血管、神經(jīng)損傷和螺釘松動(dòng)等并發(fā)癥。韋葛堇等對(duì)復(fù)雜骨盆骨折患者行CT掃描重建骨折數(shù)字化模型，模擬骨折復(fù)位，與螺釘、鋼板等內(nèi)固定器材擬合，建立數(shù)字化骨盆虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，個(gè)體化設(shè)計(jì)復(fù)雜骨骨折手術(shù)方案，使內(nèi)固定器材的植入更加準(zhǔn)確和直觀。

　　在長(zhǎng)骨骨折中的應(yīng)用屠永剛等對(duì)脛骨骨折處及對(duì)應(yīng)健側(cè)骨骼處采用CT薄層掃描獲得原始數(shù)據(jù)，采用鏡像技術(shù)、成型技術(shù)和數(shù)控模具工程技術(shù)，根據(jù)患者骨骼及骨折的個(gè)體化差異設(shè)計(jì)出數(shù)字化接骨板，治療脛骨干骺端合并脛骨干復(fù)雜骨折10例，患者踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)滿意。童德迪等采用術(shù)中即時(shí)三維計(jì)算機(jī)導(dǎo)航輔助吻合血管腓骨移植術(shù)治療股骨頭缺血壞死，用注冊(cè)過(guò)的磨鉆清除囊變病灶及硬化骨，磨除過(guò)程在計(jì)算機(jī)顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)控下完成，可徹底、精確地清除病灶，為保留關(guān)節(jié)提供了新的術(shù)式。林海濱等對(duì)股骨遠(yuǎn)端骨折患者予以三維重建、骨折復(fù)位，3D打印后進(jìn)行現(xiàn)實(shí)骨骼模型內(nèi)固定，后導(dǎo)航放置接骨板及螺釘，結(jié)果顯示術(shù)前設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)手術(shù)實(shí)施效果相似度極高，可以精確地指導(dǎo)接骨板放置和螺釘固定。

　　AR技術(shù)的發(fā)展與局限性

　　AR技術(shù)在骨科領(lǐng)域的最終目標(biāo)是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景與術(shù)者所處的真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)軟硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用，使術(shù)者以然的方式在虛擬和真實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行三維交互，術(shù)者能夠精準(zhǔn)地計(jì)劃與模擬手術(shù)步驟，使手術(shù)更加精準(zhǔn)、微創(chuàng)，降低手術(shù)對(duì)全身內(nèi)環(huán)境的干擾和造成的局部創(chuàng)傷，減少術(shù)中醫(yī)患雙方接受的放射劑量，提高手術(shù)治療的效果，使骨科手術(shù)的治療效果呈現(xiàn)質(zhì)的飛躍，AR技術(shù)代表今后骨科的發(fā)展方向，必將對(duì)骨科的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，是精準(zhǔn)骨科不可或缺的基礎(chǔ)條件。

　　創(chuàng)傷骨科中由于創(chuàng)傷的不可預(yù)見(jiàn)性及復(fù)合傷的復(fù)雜性，使AR技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要，目前的研究多列入國(guó)家和省部級(jí)科學(xué)基金項(xiàng)目，充分說(shuō)明國(guó)家對(duì)AR技術(shù)的重視與大力投入。在國(guó)內(nèi)創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域，目前研究多集中于利用CT、MR影像進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的三維重建，然后利用AR技術(shù)進(jìn)行3D打印模型的創(chuàng)建，或先打印出實(shí)際骨折部位，利用AR技術(shù)進(jìn)行模擬手術(shù)操作，從而獲得更加真實(shí)的手術(shù)感受，可大幅降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。但目前研究多集中于虛實(shí)配準(zhǔn)和可視化兩部分，在跟蹤和交互部分涉及較少，研究問(wèn)題相對(duì)單一，涉及面較窄。此外，AR技術(shù)在創(chuàng)傷骨科仍處于研究發(fā)展階段，遠(yuǎn)不能滿足臨床需求，需進(jìn)一步完善軟硬件性能，虛實(shí)場(chǎng)景之間配準(zhǔn)誤差、骨折復(fù)位時(shí)移位跟蹤問(wèn)題、術(shù)者與系統(tǒng)之間的交互問(wèn)題仍舊困擾著臨床和科研工作者。總之，AR技術(shù)在創(chuàng)傷骨科具有廣闊的發(fā)展前景，但仍有漫長(zhǎng)的道路需要前行。（來(lái)源：醫(yī)脈通）