手术「黑科技」:虚拟导航技术助力颌面手术

2017-03-28 18:35 来源:丁香园 作者:bojun92
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在神经、整形、耳鼻喉外科手术中,手术导航系统得到广泛应用。手术导航系统基于术前采集的图像行三维重建,术中通过跟踪器将虚拟影像与患者实际的解剖结构行三维匹配、实时交互,避开重要功能区、血管、神经等,进行精准的手术操作。

来自上海交通大学附属第九人民医院的朱明医生等利用增强现实(Augmented Reality,简称 AR)成像技术为颌面外科手术导航,以虚实结合的方式进行视觉增强,更好地保护下牙槽神经术(inferior alveolar nerve bundles,简称 IANs),其研究成果发表于 2017 年 2 月的 Scientific Reports 上。

在 2014 年 3 月至 2015 年 10 月期间,研究人员共进行了 20 例 AR 系统导航的颌面整形手术(图 1),手术分别涉及下颌角切除、牵引成骨术、下颌成形术、颏成形术。

首先,术前采用 CT 多层面扫描重建 3D 影像,利用不同灰度差使术区解剖结构清晰可视(图 2),制定手术方案(图 3),另根据患者下颌形态定制牙颌模型、牙合垫(图 4),追踪模型上基准点定标(图 5),最后将 CT 重建 3D 影像及牙颌模型扫描图整合为集成图像(图 6,图 7)。

术中根据 AR 系统显示的集成虚拟图像导航,使手术精确地按方案进行(图 8),避开术区重要神经、血管,保护下牙槽神经束(图 9)。

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图 1 示实验的工作流程图

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图 2 示 IANs 解剖结构图 :基于不同 CT 灰度,能对 IANs 独立显示,再对下颌骨及 IANs 行三维重建

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图 3 示 3D 影像上手术方案的制定 (A) 患者头颅 3D 重建 (B) 下颌骨设计 2 条截骨线,将偏斜下颌分成 3 部分(C)中间部分的下颌骨块(黄色)旋转 180°矫正不对称下颌

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图 4 示牙颌模型、牙合垫及定标物粘合固定

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图 5 示在 3D 影像及模型上定标的 11 个基准点

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图 6 示 3D 影像与牙颌模型整合过程 (A) 牙颌模型、牙合垫及定标物的 3D 模型的扫描图 (B)CT 多层面扫描重建的下颌骨 3D 影像 (C) 整合后的 AR 集成虚拟影像

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图 7 示虚拟 IAN 影像在模型上的「集成图像」

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图 8 示 AR 技术在术中应用(A)AR 系统下虚拟图像应用在真实场景(B)虚拟图像覆盖于下颌骨(C)在 AR 系统导航下,按设计的截骨线进行手术(D)使用 L 型板固定下颌骨骨块

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图 9 示 3D 图像中重建 IANs,设计的截骨线避开 IANs。术中在 AR 系统导航下显露 IANs 图像,使术者截骨时不损伤 IANs

实验结果示 AR 系统虚拟图像显示的 IANs 覆盖在正确的位置,并且随下颌运动时,同步跟踪标记、实时交互。AR 系统导航下可见每个方位、多个视图的立体图像。术前施术者用 1-5 分钟时间评价虚拟影像与对应位置的误差,误差范围 0.52–2.00 mm。研究者认为误差值近可忽略不计,AR 系统导航可认为是高度精准。在 AR 系统导航下,帮助术者精细化操作,避免重要结构损伤,提高术后效果、减少并发症(图 10,图 11)。

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图 10 示一例,27 岁,男性,诊断下颌偏斜伴右半侧下颌骨肥大畸形,行下颌成形术(上)术前(下)术后 3 月,患者满意术后效果

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图 11 示一例,30 岁,女性,诊断下颌角肥大畸形,行下颌角切除术(上)术前(下)术后 4 月,患者满意术后效果

综上所述,手术导航系统在外科手术的辅助作用毋庸置疑,虽然手术导航系统使手术更耗时,但大大提高了手术操作的精细程度。但在临床应用上,对硬件设备及相关计算机专业知识要求高,模型制作技术要求、耗时,眼镜佩戴给术者不适应、额外负担等实际问题仍待解决。

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编辑: 费杨虹虹

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