要約
拡張現実 (AR) は、体外室ドレーン (EVD) 手術中の外科的ガイダンスを容易にするために使用され、手動手術での位置ずれのリスクを軽減します。
この処置中に極めて重要な課題は、AR 環境における術前画像と実際の患者の解剖学的構造の間の空間的関係を正確に推定することです。
この研究では、正確なEVD手術誘導のために市販の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します。
これまでの研究で ToF センサーの深度エラーが証明されていたため、私たちはまず AR-HMD でのこのエラーの特性について包括的な評価を実施しました。
続いて、正確な表面情報を得るために、深さエラー モデルと患者固有のモデル パラメーターの同定方法が導入されます。
その後、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手順が提案されます。この手順では、空間登録に ToF センサー データを使用して頭部表面が再構成され、追跡ターゲットを患者の頭蓋骨に厳密に固定することが回避されます。
まず、$7.580\pm 1.488 mm$ ToF センサーの深度値エラーが人間の皮膚で明らかになり、深度補正の重要性が示されました。
私たちの結果は、異なる材料の頭部ファントムに対して提案された深さ補正方法を使用することにより、ToF センサーの深さ誤差が $85\%$ 以上減少することを示しました。
一方、補正された深さデータを使用して再構築されたヘッド表面は、ミリメートル未満の精度を達成しました。
羊の頭の実験では、0.79 mm$の再構築誤差が明らかになりました。
さらに、模擬EVD手術における提案されたフレームワークのパフォーマンスに関するユーザースタディが実施され、5人の外科医が仮想ガイダンスを使用して頭部ファントムに9本のkワイヤ注入を実行しました。
この研究の結果、並進精度は $2.09 \pm 0.16 mm$、方向精度は $2.97\pm 0.91 ^\circ$ であることが明らかになりました。
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 pivotal challenge is the accurate estimation of spatial relationship between pre-operative images and actual patient anatomy in AR environment. In this research, we propose 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 conducted a comprehensive assessment for the properties of this error on AR-HMDs. Subsequently, a depth error model and patient-specific model parameter identification method, is introduced for accurate surface information. After that, a tracking procedure combining retro-reflective markers and point clouds is proposed for accurate head tracking, where head surface is reconstructed using ToF sensor data for spatial registration, avoiding fixing tracking targets rigidly on the patient’s cranium. Firstly, $7.580\pm 1.488 mm$ ToF sensor depth value error was revealed on human skin, indicating the significance of depth correction. Our results showed that the ToF sensor depth 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-millimeter accuracy. Experiment on a sheep head revealed $0.79 mm$ reconstruction error. Furthermore, a user study was conducted for the performance of proposed framework in simulated EVD surgery, where 5 surgeons performed 9 k-wire injections on a head phantom with virtual guidance. Results of this study revealed $2.09 \pm 0.16 mm$ translational accuracy and $2.97\pm 0.91 ^\circ$ 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 | 2023-06-27 14:11:48+00:00 |
| arxivサイト | arxiv_id(pdf) |
提供元, 利用サービス
arxiv.jp, Google