从概念到临床：增强现实辅助开放胰腺手术的多学科设计、开发和临床验证

研究背景与问题

• 作者发现了哪些问题或挑战？

  • 作者指出，尽管增强现实（AR）技术在外科导航领域表现出了巨大潜力，但针对腹部开放手术的 AR 系统开发仍面临许多限制。具体挑战包括器官位移与变形、环境因素（如时间压力、卫生要求、精确性需求）以及由遮挡和光照条件导致的跟踪困难。此外，大多 AR 手术辅助系统主要集中在平板、便携式或显示器上的应用，而非充分利用可穿戴 AR 技术。

• 为什么这个问题很重要？

  • 腹部手术特别是胰腺肿瘤切除手术，因胰腺的位置及其附近重要血管的复杂解剖结构而面临高风险。精准地定位血管和肿瘤的位置对于减少对周围健康组织的伤害至关重要。

• 研究动机与相关工作

  • 本研究旨在填补开放手术中 AR 技术验证的空白，并开发用于胰腺手术的 AR 辅助系统（ARAS）。相关工作表明， AR技术在手术中的应用主要停留于实验室环境或体外测试，缺乏真实手术环境的验证。此外，已有的基于增强现实的手术导航系统（如显示器或手持设备）虽然提供了精确的信息，但因影响外科医生专注手术操作而对临床应用效果有限。

解决方案

• 作者提出了哪些方法或解决方案？

  • 作者开发了一个基于用户需求的 AR 帮助系统——ARAS，通过可穿戴 AR（HoloLens 2）设备为胰腺开放手术提供实时导航支持。
  • ARAS结合双层基于标记的注册方法，以确保手术关键阶段的准确注册。在早期阶段，标记被定位于胸骨，以提供稳定且持续的附着点；后期阶段则利用腔静脉分支作为辅助标记点。

• 该解决方案的创新之处是什么？

  • 双层标记注册方法克服了手术中因器官位置移动而导致的注册不准确问题。
  • 实现了针对胰腺手术的一种完全可穿戴的增强现实系统，将预手术数据整合到实时手术导航中。
  • 采用完全语音控制的交互模式，解决了有限空间和卫生规则所带来的交互挑战。

• 实施步骤是什么？使用了哪些关键技术？

  • 开发与实施：
    • 使用 Unity 3D 游戏引擎设计 ARAS 软件，与 HoloLens 2 兼容，提供患者特定的解剖模型和相关数据可视化。
    • 通过 CT 扫描重建胰腺附近的关键血管和肿瘤的三维模型。
    • 在术前阶段，通过双层标记（胸骨和腔静脉分支标记）进行可靠注册。
  • 临床验证：
    • 在具有高复杂性的胰腺切除手术中进行了 20 次临床试验，通过超声和医生的主观评估验证系统精度。

研究成果

• 取得了哪些具体成果？

  • ARAS 系统成功实现了胰腺手术期间患者特定数据的准确可视化，并优化了术前和术中决策。
  • 临床试验结果表明，系统在手术的早期阶段（准备和切除阶段）表现出高准确性（注册质量评分平均在 4.6/5 左右）。

• 与现有解决方案相比，它有哪些优势？

  • 与基于显示器或手持设备的 AR 系统相比，ARAS 的可穿戴设计消除了医生转移视线的需求，提高了工作流效率。
  • 双层标记方法显著改善了注册精度，使其适合复杂的手术环境。

• 实验或评估结果是什么？

  • 平均手术时间为 245.9 分钟，其中 ARAS 使用占 50.37%。系统质量在用户体验问卷 UMUX-Lite 中得分为6.5（满分7），对应的 SUS 评分为82.48（接近优秀）。
  • 在术后调查中，多数医生报告通过 AR 导航系统避免了对血管和肿瘤的误定位，改善了整体手术效率。

• 局限性与未来方向

  • 局限性：
    • 手术中因器官变形和移动导致3D模型注册精度在后期阶段下降。
    • 没有使用实时更新的患者数据（如实时超声或 MRI）来改进模型精度。
    • HoloLens 2 的佩戴舒适性在长时间使用中存在一定问题。
  • 未来方向：
    • 研究可集成实时器官数据更新的解决方案。
    • 探讨增强佩戴设备舒适性的方法，例如解决与放大镜兼容性的问题。
    • 开发适应不同外科医生角色和任务的定制模式（例如导航模式与外科主导模式）。

本研究展示了 AR 技术在复杂手术中的潜力，并为未来实现 AR 技术与手术环境的深度整合提供了重要设计指导。