评估空间定位在关节镜手术中定位AR指导的效果

研究背景与问题

• 作者发现了哪些问题或挑战？

  • 在膝关节镜手术中，精确地钻孔以替代受损韧带的骨隧道是一项具有挑战性的任务，需要避免损伤周围解剖结构。然而，视野受限、手眼协调非直观以及工具的活动范围有限，使其操作复杂。
  • 现有研究发现，术前规划的隧道位置与术后实际结果之间存在显著差异，目标偏差均值为13毫米。
  • 虽然增强现实(AR)已被用于手术导航中，但有关不同空间锚定策略如何影响表现及用户满意度的研究，尤其在工具为中心的任务（如切削或钻孔）中，仍存在研究空白。

• 为什么这个问题很重要？

  • 膝关节镜手术是最常见的微创手术之一，解决该问题可以显著提高手术精确性和安全性。
  • 精确的骨隧道有助于提高患者术后关节功能恢复，大幅减少术后并发症。
  • 研究空间锚定策略不仅能优化AR在此类工具操作任务中的应用，也能推广至其他需要精确工具使用的领域。

• 研究动机与相关工作

  • 本研究旨在弥补AR指导系统中缺乏空间锚定策略（定位视觉信息的技术）研究的空白。
  • 调查发现手术中主刀医生建议将AR信息显示在患者膝盖、工具，或面前视野中，这成为作者详细设计空间锚定策略的初步依据。
  • 此外，AR指导中视觉表现形式（2D与3D表现）的研究也缺乏与不同锚定策略结合的探索。

解决方案

• 作者提出了哪些方法或解决方案？

  • 提出并比较了三种空间锚定策略：1) 患者锚定（信息显示在患者膝盖上），2) 工具锚定（信息附着于手术工具上），3) 外科医生锚定（信息固定于外科医生视线前方），应用于两种常见AR指导技术：3D轨迹和2D十字准线。
  • 探索不同锚定策略与AR指导技术结合对手术任务精确性、效率及用户偏好的影响。

• 该解决方案的创新之处是什么？

  • 首次对不同空间锚定策略在工具操作任务中的表现进行了系统比较。
  • 结合术前访谈收集的外科医生真实需求，提出锚定策略与视觉展示技术相结合的优化设计。
  • 通过两个实验，分别对非专业用户与专业外科医生进行测试，确保从多个维度验证方案的普适性。

• 实施步骤是什么？使用了哪些关键技术？

  1. 预实验：与外科医生进行半结构化访谈，了解其对AR指导系统的需求。
  2. 实验1（非专业参与者）：招募24位非专业参与者，针对六种锚定方案（3种锚定策略×2种AR技术），使用3D打印对象进行钻孔任务测试。
  3. 实验2（专业外科医生）：招募6名有丰富经验的外科医生，使用更接近真实手术情况的模拟骨进行任务测试。
  4. 数据分析：主要使用目标误差（精度）、完成时间（效率）、易用性评分和用户喜好数据进行统计分析，探讨各方法的表现。

研究成果

• 取得了哪些具体成果？

  • 在3D轨迹技术中：
    • 工具锚定是最为精确的方案，但用户更偏好患者锚定策略。
    • 患者锚定比工具锚定略快，但差异不显著。
    • 外科医生锚定由于信息不稳定且缺乏方向感，表现最差。
  • 在2D十字准线技术中：
    • 锚定策略对精确性没有显著影响，但参与者更偏好患者和外科医生锚定。
    • 工具锚定因显示不稳定，用户体验较差。
  • 两种技术相比，非专业参与者中58%，而所有外科医生均偏好2D十字准线技术。

• 与现有解决方案相比，它有哪些优势？

  • 提出了明确的空间锚定设计推荐：使用工具锚定搭配3D轨迹，或者患者/外科医生锚定搭配2D十字准线。
  • 系统检验了任务表现与主观偏好的交互关系，填补相关研究空白。
  • 提供了既适用于非专业用户又对专业外科医生有参考价值的全面实验结果。

• 实验或评估结果是什么？

  • 在目标误差上：
    • 工具锚定+3D轨迹最为精确，误差最小。
    • 使用外科医生锚定时，目标误差显著增大。
  • 在用户偏好上：
    • 患者锚定普遍受到更好评价，其稳定性受到用户青睐。
    • 工具锚定虽精确，但因抖动感较差的用户体验减分。
    • 外科医生锚定在舒适性上被认可，但会增加认知负担。

• 局限性与未来方向

  • 局限性：
    • 专业外科医生样本较少，仅6人参与实验2，统计能力受到限制。
    • 实验使用的模拟骨（实验2）增加真实感，但无法完全替代真实患者。
    • 工具及视觉显示存在轻微晃动，可能会略微影响主观偏好。
  • 未来方向：
    • 吸引更多外科医生参与更大规模实验，确保结果具有统计学意义。
    • 采用改进的传感器与算法减少工具锚定抖动与追踪误差。
    • 探讨其他领域的工具操作任务锚定优化，如工程施工或装配任务等。

这项研究通过全面比较不同空间锚定与AR技术的结合，为手术涉及的工具导航提出了关键设计指导，也为多领域类似任务提供了设计战略参考。