基于光学追踪系统的增强现实辅助颌面骨畸形导航系统的临床前研究

Accurate surgical correction of maxillofacial skeletal deformities is the challenge and goal of clinical treatment. Current studies have confirmed that the virtual surgical simulation could significantly improve the accuracy of the operation. However, how to accurately transfer the virtual plan to the surgical field is still a problem. Augmented Reality (AR) technology realizes integration of virtual-real world by superimposing virtual images on real scenes; among them, head-mounted AR devices have good immersion, little environmental interference, and excellent virtual-real fusion display effects. Optical tracking system could accurately locate the spatial location of the identified object. In this, we intend to use the augmented reality (AR) technology to realize the fusion reality between the virtual scheme image and the patient entity with the head-mounted AR device; the optical tracking system is used to directly locate the relative position of the head-mounted AR device and the patient. The position and orientation information are used to render and display the virtual image at a certain position to achieve the fusion of the virtual world and the real world. The skull model and the animal experiment are designed to verify the accuracy and feasibility of this method and completes the preclinical study. This project will lay the foundation for the clinical application of the accurate treatment of maxillofacial skeletal deformity with the guidance of augmented reality (AR) technology in the visual image level.

颌面骨畸形的精准治疗是临床治疗的挑战和目标。研究证实虚拟手术方案设计可以显著提高手术准确性，但如何将虚拟方案直观、准确的转移到术中实际仍是国内外研究的难题。增强现实（Augmented Reality，AR）技术通过将虚拟图像叠加到真实场景上，实现虚-实世界的“无缝”集成；其中头戴式AR设备具有沉浸感好、受环境干扰小、虚-实融合显示效果好等优势。光学追踪技术可准确定位所识别物体的空间位置。鉴于此，我们提出基于增强现实技术，使用头戴式AR设备实现虚拟方案图像与患者实体的融合显示；采用光学追踪系统直接定位AR设备与患者的相对位置，为虚拟图像的渲染和定位显示提供位置和位姿信息，完成虚实结合，并从头颅模型和动物实验两个方面验证该方案的准确性和可行性，完成临床前研究。本项目将为实现在图像水平直观完成术中指导，增强现实技术在颌面骨畸形精准治的临床应用奠定基础。

如何将术前制定的虚拟手术方案准确转移到术中进行实施，指导手术医生按计划准确、便捷的完成手术，实现颌面骨畸形的精准矫治是临床医学亟待解决的一大问题，也是目前国内外研究的热点与难点。手术导航是重要的术中指导技术，也是虚拟手术方案实现术中指导的经典方法。但目前手术导航技术由于体积庞大、虚实图像显示分割等原因，手术导航技术的发展及推广遇到明显瓶颈。针对传统手术导航技术的不足，本项目建立基于增强现实（augmented reality，AR）技术的颌面领域手术导航系统。.本项目研发单目光学定位系统，大大缩小导航追踪设备的体积和工作距离，根本上解决传统导航系统体积庞大的问题。单目光学定位系统的有效计算帧率可到100Hz，工作空间内（50cm到160cm）测量误差小于0.1mm，满足手术导航设备的追踪定位要求。通过设置虚拟相机，与真实相机进行匹配，完成真实世界与虚拟图像的准确融合显示。.基于研发的技术方法，成功建立基于光学追踪系统的颌面领域增强现实辅助外科导航系统，并完成样机制作。通过准确性实验显示设备样机的定位平均误差为1.127mm，满足临床使用要求。.所建立对AR导航系统具有以下主要优势：（1）虚拟方案使用AR技术直接显示于术区，为术者提供直观指导；（2）多功能集成的便携导航设备可在手术台上完成全部指导功能；（3）完整呈现手术方案，术者不再需要通过点定位构想手术方案。.项目研究成果将为外科导航技术的广泛应用和推广普及提供了基础。虚拟手术方案的完整AR显示，为手术方案的术中转移提供了更优的解决方案。同时，AR辅助功能的优势也为远程医疗和术中指导提供了新的方向。本项目的研究成果为发展AR技术在术中辅助指导的临床应用奠定基础。