要約
拡張現実感（AR）は、体外式心室ドレーン（EVD）手術中の手術ガイダンスを容易にするために使用されており、手作業による誤操作のリスクを軽減している。この手術では、術前画像と実際の患者の解剖学的構造との空間的関係をAR環境で正確に推定することが重要な課題となっている。本研究では、正確なEVD手術ガイダンスのために、市販のARヘッドマウントデバイス（HMD）に統合された飛行時間（ToF）深度センサーを利用した新しいフレームワークを提案する。先行研究でToFセンサーの深度誤差が証明されているため、まずAR-HMDでの特性を評価した。その後、正確な表面情報を得るために、深度誤差モデルと患者固有のパラメータ同定法を導入した。次に、正確な頭部追跡のために、再帰反射マーカーと点群を組み合わせた追跡パイプラインを提案する。頭部表面は、空間レジストレーションのために深度データを用いて再構成され、トラッキングターゲットを患者の頭蓋骨上に固定することを回避する。まず、人間の皮膚において$7.580pm 1.488 mm$の深度値の誤差が明らかになり、深度補正の重要性が示された。その結果、異なる材質の頭部ファントムにおいて、提案する奥行き補正法を用いることで、誤差が$85%$以上減少することが示された。一方、補正された深度データを用いて再構成された頭部表面は、サブミリメートルの精度を達成した。羊の頭部を用いた実験では、$0.79 mm$の再構成誤差が得られた。さらに、5人の外科医がバーチャルガイダンスを用いて頭部ファントムに9回のk-wire注入を行った。その結果、並進精度は$2.09pm 0.16mm$、方位精度は$2.97pm 0.91$であった。
要約(オリジナル)
Augmented Reality (AR) has been used to facilitate surgical guidance during External Ventricular Drain (EVD) surgery, reducing the risks of misplacement in manual operations. During this procedure, the key challenge is accurately estimating the spatial relationship between pre-operative images and actual patient anatomy in AR environment. This research proposes a novel framework utilizing Time of Flight (ToF) depth sensors integrated in commercially available AR Head Mounted Devices (HMD) for precise EVD surgical guidance. As previous studies have proven depth errors for ToF sensors, we first assessed their properties on AR-HMDs. Subsequently, a depth error model and patient-specific parameter identification method are introduced for accurate surface information. A tracking pipeline combining retro-reflective markers and point clouds is then proposed for accurate head tracking. The head surface is reconstructed using depth data for spatial registration, avoiding fixing tracking targets rigidly on the patient’s skull. Firstly, $7.580\pm 1.488 mm$ depth value error was revealed on human skin, indicating the significance of depth correction. Our results showed that the error was reduced by over $85\%$ using proposed depth correction method on head phantoms in different materials. Meanwhile, the head surface reconstructed with corrected depth data achieved sub-millimetre accuracy. An experiment on sheep head revealed $0.79 mm$ reconstruction error. Furthermore, a user study was conducted for the performance in simulated EVD surgery, where five surgeons performed nine k-wire injections on a head phantom with virtual guidance. Results of this study revealed $2.09 \pm 0.16 mm$ translational accuracy and $2.97\pm 0.91$ degree orientational accuracy.
arxiv情報
| 著者 | Haowei Li,Wenqing Yan,Du Liu,Long Qian,Yuxing Yang,Yihao Liu,Zhe Zhao,Hui Ding,Guangzhi Wang |
| 発行日 | 2023-07-03 15:42:19+00:00 |
| arxivサイト | arxiv_id(pdf) |