基于骨折信息融合的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)引導(dǎo) 骨盆螺釘植入的研究

陶星光 周凱華 何小健 潘福根

骨盆骨折和髖臼骨折的通道螺釘植入手術(shù)難度大，風(fēng)險(xiǎn)高[1]，通常需要在手術(shù)中反復(fù)行X線透視定位才能完成，這對(duì)術(shù)者的術(shù)中影像辨識(shí)能力有極高要求[2]。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)給骨盆骨折和髖臼骨折通道螺釘?shù)目梢暬踩霂砣路较?，該技術(shù)通過在現(xiàn)實(shí)場景中引入虛擬信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭建起交互反饋的信息回路[3]。通過術(shù)者佩戴混合現(xiàn)實(shí)的頭戴式顯示器，肉眼同一視野內(nèi)可以同時(shí)看到真實(shí)的骨盆手術(shù)界面、虛擬的規(guī)劃好的相關(guān)信息，如果將術(shù)前設(shè)計(jì)好的虛擬釘?shù)佬畔⑻砑釉趶?fù)位好的虛擬骨盆髖臼信息內(nèi)，通過良好的虛實(shí)融合，將有望在手術(shù)中實(shí)現(xiàn)可視化的真實(shí)導(dǎo)針植入。

目前混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床的直接應(yīng)用還不成熟，本實(shí)驗(yàn)在髖臼骨折模型上使用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過骨折線信息的虛實(shí)融合達(dá)到骨盆整體的虛實(shí)匹配，可視化引導(dǎo)恥骨上支逆行螺釘?shù)闹踩?，并?duì)螺釘植入的精準(zhǔn)性進(jìn)行研究，以期為混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在骨盆和髖臼骨折的臨床應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：5個(gè)骨盆骨骼模型以及3D打印的骨盆軟組織模型，將其制作成模擬改良Stoppa入路下髖臼T型骨折的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

硬件設(shè)備：第二代Hololens光學(xué)穿透式頭戴式顯示器（微軟公司，美國）、電腦處理器；GE 64排螺旋CT機(jī)（GE公司，美國）；骨科電鉆1臺(tái)、 2.5 mm導(dǎo)針、7.3 mm空心螺釘、空心螺絲刀。

軟件環(huán)境：Windows 10、Unity 2017.1.4、Visual Studio 2017、SDM-modeling、Mimics 21.0。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

使用電鋸將骨盆骨骼模型的右側(cè)髖臼制作成T型骨折類型，鋸痕代表骨折線。將該骨骼模型進(jìn)行CT掃描（120 kV，150 mA，層厚0.625 mm），得到骨的外形數(shù)據(jù)和骨折線數(shù)據(jù)。根據(jù)骨的外形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)軟組織輪廓模型，其外表面模擬人體骨盆皮膚外觀，內(nèi)輪廓與骨模型相匹配。將軟組織模型數(shù)據(jù)自骨盆矢狀位中間面一分為二，使用3D打印技術(shù)進(jìn)行成品制作。將打印好的軟組織模型從兩側(cè)分別套到骨模型上，模擬前方改良Stoppa入路開窗，大致暴露骨盆內(nèi)的部分骨面及局部骨折線。見圖1。

圖1 模擬改良Stoppa入路制作的髖臼T型骨折模型

1.3 髖臼骨折線重建及通道螺釘路徑設(shè)計(jì)

將包含骨折信息的骨模型原始CT數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過Mimics 21.0軟件進(jìn)行骨盆三維圖像重建。通過軟件閾值調(diào)整、區(qū)域增長等功能分別對(duì)骨組織蒙版進(jìn)行三維重建，獲得骨組織三維重建圖像，將骨輪廓半透明顯示，此時(shí)從整體觀察骨折線信息并不清晰。

繼續(xù)在Mimics軟件中仔細(xì)觀察模型的冠狀面、矢狀面及橫斷面，從單個(gè)層面的視圖中能清晰識(shí)別骨折線，在骨折線涉及的每層圖像中描出骨折在骨表面的交點(diǎn)，同時(shí)將髖臼輪廓也在每層圖像中描出，使用粉色和黃色分別代表骨折線及髖臼窩骨面。將每層描好的圖像重建后得到可清晰顯示骨折線信息及髖臼輪廓的骨盆三維重建虛擬圖像。

繼續(xù)在Mimics軟件中使用直徑2 mm的綠色圓柱設(shè)計(jì)恥骨上支逆行螺釘釘?shù)?。從冠狀面、矢狀面、水平面觀察釘?shù)?，保證模擬的釘?shù)缆窂轿挥诠峭ǖ乐?，確保恥骨支螺釘不穿入髖臼，不穿出恥骨皮質(zhì)。將圓柱延長至超出骨結(jié)構(gòu)較長的長度，以引導(dǎo)導(dǎo)針的擺放位置。見下頁圖2。將包含骨輪廓、骨折線、髖臼輪廓及釘?shù)佬畔⒌臄?shù)據(jù)導(dǎo)入Hololens系統(tǒng)。

圖2 Mimics系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示虛擬釘?shù)?a. 冠狀面觀察虛擬釘?shù)涝诠趋乐械奈恢茫^所示綠色橢圓） b. 矢狀面觀察虛擬釘?shù)涝诠趋乐械奈恢茫^所示綠色點(diǎn)） c. 水平面觀察虛擬釘?shù)涝诠趋乐械奈恢茫^所示綠色點(diǎn)） d. 虛擬釘?shù)滥Ｐ屯庋娱L，以便更好引導(dǎo)導(dǎo)針（綠色線為虛擬釘?shù)溃?/p>

1.4 骨盆螺釘植入

將骨盆實(shí)體模型固定于操作臺(tái)上，確保操作過程中實(shí)體模型位置不移動(dòng)。術(shù)者佩戴Hololens頭戴式顯示器，調(diào)出剛保存的模型虛擬圖像。抓取模型空間位置到真實(shí)的骨盆位置，將模型位置大致匹配后手動(dòng)微調(diào)模型的空間位置和角度，將虛擬骨折線與通過手術(shù)窗看到的真實(shí)骨折線信息進(jìn)行融合匹配，通過骨折線的匹配，可以將虛擬圖像的上、下及左、右信息匹配完成，同時(shí)觀察局部骨表面的輪廓匹配情況，仔細(xì)感知深景信息，通過變換頭顯角度確定虛擬圖像的深淺位置。此時(shí)肉眼可看到實(shí)體骨盆內(nèi)疊加含骨折線、髖臼輪廓及虛擬釘?shù)赖墓桥杼摂M圖像。見下頁圖3。

圖3 Hololens視角下的手術(shù)界面，綠色線為髖臼骨折線，粉色線為虛擬釘?shù)?/p>

術(shù)者手持裝有導(dǎo)針的電鉆，將導(dǎo)針前部與虛擬釘?shù)赖墓峭庋娱L部分重合，從不同角度觀察確定重合效果。經(jīng)皮高速鉆入導(dǎo)針至骨內(nèi)，長度大致為虛擬釘?shù)涝诠莾?nèi)的長度，然后沿導(dǎo)針擰入相應(yīng)長度的空心螺釘，拔出導(dǎo)針。見下頁圖4。

圖4 Hololens視角下沿虛擬釘?shù)谰€引導(dǎo)導(dǎo)針鉆入骨盆，綠色線為髖臼骨折線，粉色線為虛擬釘?shù)?/p>

1.5 螺釘空間位置評(píng)估

CT掃描打入螺釘后的骨盆模型，使用Mimics軟件，將螺釘去噪，骨骼結(jié)構(gòu)整體模型重建。將此重建模型與術(shù)前設(shè)計(jì)的有虛擬設(shè)計(jì)釘?shù)赖墓趋滥Ｐ桶凑展禽喞{(diào)整空間位置，達(dá)到兩者融合為一體，從各角度觀察均無重影。將實(shí)際的螺釘位置與術(shù)前設(shè)計(jì)的釘?shù)肋M(jìn)行空間位置誤差分析，入釘點(diǎn)的空間位置為恥骨結(jié)節(jié)骨面與釘?shù)乐行木€的交點(diǎn)，螺釘頭部的空間位置為實(shí)際螺釘中心線的頂點(diǎn)，將實(shí)際螺釘中心線的垂線與所設(shè)計(jì)釘?shù)赖慕稽c(diǎn)作為設(shè)計(jì)釘?shù)赖念^部空間位置，空間角度即實(shí)際螺釘中心線與設(shè)計(jì)釘?shù)乐行木€的空間角度。主要分析入釘點(diǎn)位移誤差、螺釘頭部位移誤差和空間角度誤差。見圖5。

圖5 術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)后實(shí)際釘?shù)揽臻g位置比較，黃色為虛擬設(shè)計(jì)釘?shù)牢恢?，綠色為實(shí)際螺釘位置

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，螺釘空間位置誤差采用設(shè)計(jì)位置與實(shí)際位置的自身前后比較，計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果

5具骨盆模型共打入5枚空心螺釘。與術(shù)前設(shè)計(jì)的釘?shù)牢恢孟啾?，平均每枚螺釘?shù)娜脶旤c(diǎn)位移誤差為（3.30±0.67）mm，螺釘頭部位移誤差為（3.96±0.70）mm，空間角度誤差為1.54°±0.27°，見表1。螺釘釘?shù)揽拷y臼窩、股管及死亡冠的位置，未穿破髖臼及恥骨支皮質(zhì)。

表1 恥骨上支螺釘?shù)目臻g位置誤差

3 討論

骨盆髖臼骨折的通道螺釘固定對(duì)于恢復(fù)骨折斷端及整個(gè)骨盆環(huán)的穩(wěn)定性具有很好的療效[4-5]。部分髖臼骨折累及前后柱時(shí)，在對(duì)髖臼骨折做好解剖復(fù)位后可選用髖臼前后柱通道螺釘進(jìn)行固定；合并骨盆環(huán)骨折時(shí)，在對(duì)骨盆環(huán)骨折復(fù)位后可加用恥骨順/逆行螺釘、髂骨LC-Ⅱ螺釘及骶髂螺釘進(jìn)行固定。但經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定對(duì)置釘位置的要求極高[6]。螺釘在髖臼上緣的空間最狹小[7]，且一旦穿入髖臼將造成嚴(yán)重并發(fā)癥。我們將釘?shù)辣M量設(shè)計(jì)在骨通道中心線上，可供偏移的誤差范圍才能達(dá)到最大化。

通過本研究中的螺釘入釘點(diǎn)位移誤差及螺釘頭部誤差推斷，螺釘整體空間距設(shè)計(jì)位置約偏移3.5 mm，尚能保證螺釘位于皮質(zhì)內(nèi)，但部分模型的部分位置能夠看出螺釘擰過將骨皮質(zhì)推擠后凸起的痕跡，這可能與選擇直徑7.3 mm空心螺釘有關(guān)。Wang等[8]利用基于光學(xué)導(dǎo)航儀的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)輔助經(jīng)皮骶髂關(guān)節(jié)螺釘植入的研究顯示，其入釘點(diǎn)誤差及螺釘頭部誤差分別約為2.7 mm和3.7 mm，與本研究結(jié)果相近。本課題組前期完成的基于骨盆外固定支架的3D打印導(dǎo)板輔助骨盆通道螺釘植入的研究，螺釘空間位置偏差約1.6 mm[9]，優(yōu)于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析原因可能為基于外支架的導(dǎo)板導(dǎo)航實(shí)際是一種純機(jī)械導(dǎo)航，其穩(wěn)定性更好，而基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)航在植入導(dǎo)針時(shí)鉆頭不如導(dǎo)板固定穩(wěn)定。

3.1 將混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用于骨盆通道螺釘植入的優(yōu)勢(shì)

目前，臨床醫(yī)生植入骨盆通道螺釘主要使用傳統(tǒng)的基于C型臂X射線機(jī)透視的方式，需要反復(fù)行透視調(diào)整及變換C型臂角度，其手術(shù)時(shí)間長，輻射量較大，且仍有因技術(shù)不熟練和經(jīng)驗(yàn)不足而導(dǎo)致螺釘穿出的風(fēng)險(xiǎn)，如何更加精準(zhǔn)的植入骨盆通道螺釘是創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10]。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過光學(xué)半透視頭戴式顯示器將術(shù)前重建的虛擬三維模型與真實(shí)的手術(shù)區(qū)域相融合，可實(shí)現(xiàn)逼真的實(shí)時(shí)疊加效果[11]。相較于傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，該技術(shù)具備更好的空間感知和直觀可視化能力，且具有良好的交互性能，避免了術(shù)者在手術(shù)區(qū)域與計(jì)算機(jī)屏幕間頻繁切換視角，可實(shí)現(xiàn)直觀三維可視化和手術(shù)導(dǎo)航[12-13]。目前基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用已有較多文獻(xiàn)報(bào)道，如髖關(guān)節(jié)置換中假體位置評(píng)估、骨腫瘤切除邊緣的控制、椎弓根螺釘?shù)木_植入等，并取得一定的研究成果[14-16]。

將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入骨盆髖臼骨折的微創(chuàng)內(nèi)固定手術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)螺釘精準(zhǔn)植入具有重要意義。在骨折復(fù)位良好的情況下，通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將術(shù)前虛擬規(guī)劃的骨信息、骨折信息及螺釘信息引入真實(shí)骨盆中，通過圖像配準(zhǔn)技術(shù)將虛實(shí)圖像融合，在虛擬釘?shù)酪龑?dǎo)下打入螺釘。從理論上講，整個(gè)骨盆是剛性結(jié)構(gòu)，在完成解剖復(fù)位后，可以暴露該骨盆的任何一個(gè)骨面或骨結(jié)構(gòu)，只要該結(jié)構(gòu)能夠完成精準(zhǔn)的虛實(shí)配準(zhǔn)，即可應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)植入骨盆內(nèi)的任何1個(gè)螺釘。

3.2 本研究的誤差分析及后續(xù)改進(jìn)措施

通過整個(gè)模型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及操作驗(yàn)證，我們對(duì)該技術(shù)在臨床應(yīng)用中可能存在誤差的原因進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的解決方法。

第一，骨折的復(fù)位質(zhì)量。術(shù)前虛擬規(guī)劃的骨折以解剖復(fù)位為目標(biāo)，術(shù)中可能存在因某些因素?zé)o法完全解剖復(fù)位的情況。此種情況下，虛實(shí)圖像的融合會(huì)存在偏差，進(jìn)而影響螺釘?shù)奈恢?。此時(shí)，只能通過匹配關(guān)鍵部位來避免手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于恥骨支螺釘，我們最優(yōu)先匹配髖臼窩的位置。

第二，虛實(shí)融合配準(zhǔn)的方法。目前導(dǎo)航技術(shù)常用的虛實(shí)融合配準(zhǔn)方法主要包括基于點(diǎn)的配準(zhǔn)法、基于面的配準(zhǔn)法和基于視覺特征識(shí)別的配準(zhǔn)法，但各種配準(zhǔn)方法均存在一定誤差[17-20]。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的基于骨折信息的配準(zhǔn)技術(shù)為結(jié)合上述方法的手動(dòng)配準(zhǔn)方法，在手術(shù)暴露的骨折區(qū)域，可以直觀看到復(fù)位后骨折的某一點(diǎn)和骨折線的信息，還可以看到解剖標(biāo)志點(diǎn)和一定范圍的骨面，通過結(jié)合上述方法的配準(zhǔn)減少一定的誤差。

第三，虛擬圖像的漂移。在運(yùn)用微軟系統(tǒng)進(jìn)行圖像觀察時(shí)，移動(dòng)頭顯從多角度觀察手術(shù)部位的過程中，存在虛擬圖像的空間漂移，雖然圖像能校正，但仍有偏差，此時(shí)可通過再次手動(dòng)調(diào)整虛擬圖像空間位置來匹配真實(shí)物體。本次實(shí)驗(yàn)的后期，通過工程師的算法改進(jìn)明顯解決了該問題，在頭顯移動(dòng)過程中，虛擬圖像可基本在原位保持靜止。

第四，真實(shí)骨盆的位置變動(dòng)。在虛實(shí)圖像配準(zhǔn)后，仍有可能因真實(shí)骨盆的空間位置變動(dòng)造成匹配誤差。對(duì)此，可通過助手的輔助配合減少誤差。此外，還可通過研究自動(dòng)配準(zhǔn)方法來自動(dòng)識(shí)別跟蹤真實(shí)骨盆，Liebmann等[21]報(bào)道利用Hololens內(nèi)置相機(jī)識(shí)別安裝在探針上的視覺標(biāo)記物，利用探針提取脊柱表面點(diǎn)云信息與虛擬模型進(jìn)行配準(zhǔn)，并完成了初步模型實(shí)驗(yàn)。

通過本次模型實(shí)驗(yàn)，我們驗(yàn)證了基于骨折信息融合的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)引導(dǎo)骨盆螺釘植入的可行性，取得較滿意的結(jié)果，但與臨床成熟應(yīng)用還有很大差距。本次實(shí)驗(yàn)的模型模擬了解剖復(fù)位后的骨盆髖臼，實(shí)際手術(shù)中常無法獲取完全的解剖復(fù)位。真實(shí)手術(shù)中利用器械暴露手術(shù)部位的范圍可能與實(shí)驗(yàn)存在差距，并且伴隨著創(chuàng)面及骨折端滲血，可能會(huì)影響骨面的顯露，這都會(huì)影響配準(zhǔn)的精度。我們相信，隨著數(shù)字骨科學(xué)的快速發(fā)展，目前影響數(shù)字技術(shù)在骨科應(yīng)用的制約點(diǎn)將被克服并得到成熟應(yīng)用。