張大涯，楊 碩，吳 浪，令狐恩強(qiáng)，李明陽

1 解放軍總醫(yī)院研究生院，北京 100853；2 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心 消化內(nèi)科，北京 100853；3 北京理工大學(xué) 混合現(xiàn)實(shí)與新型顯示工程技術(shù)研究中心，北京 100081

筆者早前研究描述了在3D 打印的膽道模型中，電磁導(dǎo)航系統(tǒng)可以精確地輔助內(nèi)鏡下逆行胰膽管造影術(shù)(endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP) 膽管插管[1]。但該模型實(shí)驗(yàn)中屏幕上的導(dǎo)航信息與手術(shù)場景是分離的。為了獲取導(dǎo)航信息，術(shù)者要在屏幕與手術(shù)臺投影之間不斷地切換視野，這影響了手術(shù)的順利進(jìn)行。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體融合于真實(shí)場景中，具有虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互和輔助增強(qiáng)的特點(diǎn)[2]。當(dāng)前，AR 已成為肝手術(shù)和內(nèi)窺鏡的導(dǎo)航輔助手段[3]。目前尚未見AR 輔助導(dǎo)航技術(shù)與ERCP 結(jié)合的研究。本研究應(yīng)用AR 輔助電磁導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)膽道模型ERCP 膽管插管，探討其應(yīng)用的可行性，為進(jìn)一步動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究奠定基礎(chǔ)。

資料與方法

1 資料來源 選取解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心2021年6 月1例肝內(nèi)外膽管擴(kuò)張患者的影像學(xué)資料。患者女性，83 歲，診斷為膽總管結(jié)石，行ERCP 取石術(shù)，術(shù)后恢復(fù)順利。本研究已通過解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心倫理委員會審批(S2021-415-01)?；颊呒凹覍倬炇鹣嚓P(guān)知情同意書。

2 膽道CT 影像的三維重建 獲取患者0.625 mm層厚的腹部CT 醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。使用三維重建軟件(北京精診醫(yī)療科技有限公司，中國)對膽道行三維重建，獲取標(biāo)準(zhǔn)三維圖形文件(STL)。

3 制作膽道模型“靶目標(biāo)” 根據(jù)STL 文件采用樹脂材料打印1∶1.36 的膽道模型，在模型左后肝管分支嵌入一個(gè)標(biāo)記物，即電磁定位精準(zhǔn)導(dǎo)航的“靶目標(biāo)”。

4 體模CT 圖像的三維重建 將膽道模型固定在人體腹部體模中，并在體?；缀推つw表面分別貼上2個(gè)配準(zhǔn)標(biāo)志物和10個(gè)標(biāo)記物(圖1)，對體模進(jìn)行CT 平掃，得到STL 文件。本實(shí)驗(yàn)的配準(zhǔn)標(biāo)志物中含有金屬球，標(biāo)記物為直徑5.0 mm 的圓柱形模型，可滿足導(dǎo)航定位需求。

圖1 體模三維重建 A：膽管模型；B：腹部體模Fig.1 3D reconstruction of the phantom A:bile duct model;B:abdomen phantom

5 安裝實(shí)驗(yàn)裝置 包括電磁導(dǎo)航系統(tǒng)(Aurora，NDI 公司，加拿大)、ERCP 設(shè)備、模擬呼吸裝置、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、腹部體模和具有高性能數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)(圖2)。乳頭括約肌切開刀(威爾遜-庫克醫(yī)學(xué)公司，美國)通道內(nèi)置磁探頭，磁探頭尖端與乳頭切開刀頭端處于同一位置(圖3)。

圖2 導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成Fig.2 Composition of navigation experiment equipment

6 注冊配準(zhǔn) 通過術(shù)前CT 圖像獲得體膜標(biāo)志物的圖像坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中再獲取其磁場坐標(biāo)，基于特征點(diǎn)配準(zhǔn)算法完成配準(zhǔn)，直到配準(zhǔn)誤差＜1 mm，并記錄電磁導(dǎo)航的注冊配準(zhǔn)誤差[4]。

7 構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺 通過標(biāo)志靶版(圖4)將虛擬膽管模型投影在腹部模型皮膚表面，然后分別獲取真實(shí)皮膚靶點(diǎn)與虛擬投影靶點(diǎn)中心的坐標(biāo)值，并分別記錄皮膚表面每個(gè)虛擬靶點(diǎn)與真實(shí)靶點(diǎn)間的歐式距離，作為AR 融合誤差。每組測定10個(gè)標(biāo)記靶點(diǎn)，共測量10 組，記錄各靶點(diǎn)平均融合誤差，量化分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的精度。AR 平均融合誤差＜10 mm，則符合臨床要求[5]。

圖4 體模的AR 融合效果圖，其中紅色圓球?yàn)榉指钏锰摂M靶點(diǎn)Fig.4 AR fusion rendering of the phantom,in which the red sphere is the virtual target obtained by CT segmentation

8 體模實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用AR 輔助電磁導(dǎo)航軟件可實(shí)時(shí)顯示電磁追蹤下乳頭括約肌切開刀在膽道3D 打印模型中的位置。在定位跟蹤下，行乳頭括約肌切開刀膽管插管探查，并測量切開刀到達(dá)膽管模型靶點(diǎn)時(shí)圖像空間中傳感器與靶點(diǎn)之間的距離，即體模電磁導(dǎo)航精度誤差。根據(jù)De Jong 等[6]的報(bào)道，在體模中加入運(yùn)動裝置后，在設(shè)定的最大呼吸浮動下進(jìn)行乳頭括約肌切開刀膽管插管。

9 分割ERCP 術(shù)中膽道影像 采集并分割ERCP患者在麻醉狀態(tài)的左側(cè)臥位和平臥位兩個(gè)呼吸相膽管造影X 線下的動態(tài)序列影像。

結(jié) 果

1 體模注冊配準(zhǔn)誤差 10 次測試，平均誤差為(0.337±0.004) mm。見表1。

2 體模AR 融合誤差 10 組實(shí)驗(yàn)，總平均值為(2.76±0.16) mm。見表1。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示 乳頭括約肌切開刀在進(jìn)入肝總管分叉處、左肝管分支和右肝管分支前，可在CT 影像中被實(shí)時(shí)追蹤導(dǎo)航，并精準(zhǔn)進(jìn)入目標(biāo)膽管，同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示效果良好。見圖5。

圖5 電磁導(dǎo)航追蹤下乳頭括約肌切開刀在體模的探查圖例A：切開刀進(jìn)入膽道模型的右肝管；B：綠色標(biāo)記為電磁導(dǎo)航系統(tǒng)顯示磁探頭位于右肝管；C：AR 界面上的紅點(diǎn)顯示磁探頭位于右肝管；D：切開刀進(jìn)入膽道模型的左后肝管屬支，且到達(dá)目標(biāo)靶點(diǎn)；E：綠色標(biāo)記為電磁導(dǎo)航系統(tǒng)顯示磁探頭位于左后肝管屬支，黃色標(biāo)記表示目標(biāo)靶點(diǎn)在三維圖像的位置；F：AR 界面上的紅點(diǎn)顯示磁探頭位于左后肝管屬支Fig.5 Detection legend of the sphincterotomy in the phantom under electromagnetic navigation trackingA:Sphincterotomy enters the right hepatic duct of the biliary tract model;B:The green mark means that the electromagnetic navigation system is located in the right hepatic duct;C:The red dot on the AR interface shows that the magnetic probe is located in the right hepatic duct;D:Sphincterotomy enters the branch of the left posterior hepatic duct of the biliary tract model,and reaches the target point;E:The green mark indicates that the magnetic probe is located in the branch of the left posterior hepatic duct by electromagnetic navigation system,and the yellow mark indicates the target in the three-dimensional image;F:The red dot on the AR interface shows that the magnetic probe is located in the branch of the left posterior hepatic duct

4 體模電磁導(dǎo)航精度誤差 10 次實(shí)驗(yàn)，平均值為(0.949±0.033) mm。見表1。

表1 體模電磁導(dǎo)航誤差參數(shù)(mm)Tab.1 Electromagnetic navigation error parameters of the phantom (mm)

5 動態(tài)體模導(dǎo)航 在最大呼吸浮動下，膽管模型內(nèi)的磁探頭在導(dǎo)航顯示上已在膽管內(nèi)徑外。見圖6。

6 術(shù)中動態(tài)膽道影像分割 膽道位置和形態(tài)隨患者呼吸脈搏和體位的變化而變化。

討 論

在消化系統(tǒng)研究中，Tang 等[7]首次報(bào)道了有關(guān)AR 導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于膽道鏡的研究，通過在膽道鏡內(nèi)部安裝電磁傳感器，跟蹤其在3D 打印模型中的軌跡，基于AR 導(dǎo)航平臺，在3D 打印模型上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。我們的研究發(fā)現(xiàn)AR 輔助電磁導(dǎo)航系統(tǒng)定位與ERCP 乳頭切開刀進(jìn)入的膽道打印模型中膽道屬支基本匹配，其導(dǎo)航精度誤差為(0.9490±0.0331) mm。在臨床實(shí)際應(yīng)用中，＜2 mm 的導(dǎo)航精度是非常理想的[4]。

目前導(dǎo)航技術(shù)多用于神經(jīng)外科和骨科[8-9]。主要是因?yàn)檫@兩個(gè)科室疾病可以參照手術(shù)區(qū)域的骨性結(jié)構(gòu)較多，沒有呼吸運(yùn)動干擾、軟組織變形等影響，配準(zhǔn)手術(shù)路線相對容易，可以實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的導(dǎo)航精度。但腹部區(qū)域的AR 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)易受運(yùn)動、呼吸的影響，這使導(dǎo)航注冊過程變得更困難[10]。我們的模型是靜態(tài)模型，而真實(shí)膽道會受自身呼吸和脈搏影響而相對移動[11]。因此，AR 輔助電磁導(dǎo)航引導(dǎo)ERCP 膽管插管應(yīng)用于臨床，其最大的難度是配準(zhǔn)精度。有研究為了減少臨床病例呼吸運(yùn)動和體位變化對導(dǎo)航腎穿刺的影響，采用與術(shù)中同一體位拍CT 及麻醉狀態(tài)下短時(shí)間控制呼吸的辦法[12-13]。筆者認(rèn)為此種方法不適合用于ERCP 手術(shù)。大量采集ERCP 患者術(shù)前CT 和相應(yīng)的術(shù)中膽道顯影X 線下1個(gè)呼吸相位的動態(tài)序列，進(jìn)一步分割能解決術(shù)前和術(shù)中真實(shí)膽道與呼吸脈搏和體位相關(guān)的注冊影響的技術(shù)方面難題。

ERCP 乳頭括約肌切開刀進(jìn)入人體膽管時(shí)可能迷失方向。應(yīng)用支氣管鏡電磁導(dǎo)航程序可使真實(shí)內(nèi)鏡所見與虛擬內(nèi)鏡畫面進(jìn)行匹配，進(jìn)而校正內(nèi)鏡位置[14]。有研究發(fā)現(xiàn)一種基于單目內(nèi)窺鏡的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜先心病畸形病灶定位方法，有精準(zhǔn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果[15]。這種通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行虛實(shí)配準(zhǔn)的方法類似于一種自動圖像識別或多點(diǎn)識別技術(shù)[16]。未來我們也將嘗試選用ERCP 下膽道顯影實(shí)時(shí)畫面與虛擬膽道畫面進(jìn)行二次配準(zhǔn)。

綜上，本研究將AR 輔助電磁導(dǎo)航系統(tǒng)引入ERCP 膽管插管，在基于膽道3D 打印模型的試驗(yàn)中可達(dá)到精確的導(dǎo)航效果。雖然應(yīng)用于臨床仍需解決一些技術(shù)問題，但筆者認(rèn)為這些技術(shù)難題通過研究終將被解決，該項(xiàng)導(dǎo)航技術(shù)一定有臨床應(yīng)用前景。