王 博，谷雪蓮，孫毅勇，周天鵬

（1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093；2.上海微創(chuàng)電生理醫(yī)療科技股份有限公司，上海 201318）

0 引言

快速性心律失常主要包括心房顫動（房顫）、室上性心動過速和室性心動過速等［1］?？焖傩孕穆墒СＮ：^大，若不及時治療將影響心臟泵血功能，誘發(fā)或使心功能不全加重，甚至導致心源性猝死［2］。快速性心律失常的發(fā)病率較高，在普通人群中室上性心動過速的發(fā)病率約為0.225%［3］，房顫的發(fā)病率約為1%［4］，室性心動過速的發(fā)病率約為0%～3%［5］。射頻消融術是目前治療快速性心律失常的一線臨床治療方案，自2010 年起我國射頻消融手術量持續(xù)迅猛增長，年增長率為13.2%～17.5%，2018 年射頻消融手術量達15.16 萬［6］。然而，當前部分快速性心律失常消融手術較為復雜，存在現(xiàn)有手術成功率待提高［7］、手術耗時較長及臨床培訓開展較困難等問題。造成這種現(xiàn)狀可能有如下原因：一是雖然當今可以從電解剖圖系統(tǒng)獲取大量數(shù)據(jù)，但是缺乏更加直觀的可視化技術來展現(xiàn)這些數(shù)據(jù)；二是術者的視線需要在患者病灶部位和屏幕之間來回切換，存在手眼協(xié)調(diào)問題和深度信息缺乏問題［8］。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）領域中的頭戴式顯示設備（Head Mount Display，HMD）的出現(xiàn)使得以上問題有了解決方向，HMD 設備不僅可以更充分地可視化大量數(shù)據(jù)，還具有虛實融合、3D 交互、手眼協(xié)調(diào)能力等優(yōu)勢，這些不僅能增強用戶對周圍真實世界的感知，而且完成三維跟蹤后無需在現(xiàn)實世界和屏幕之間來回切換，可以從根本上解決上述問題［9］。

現(xiàn)階段AR 領域常見的消費級HMD 設備包括Meta2、HoloLens2 等，其中HoloLens2 空間映射率更大，SLAM 更加穩(wěn)定，對環(huán)境的理解更加精準和快速，處于當前HMD 設備發(fā)展的最前沿，其因可以使患者和醫(yī)學影像數(shù)據(jù)潛在地結合，繼而成為AR 結合手術導航討論和研究的重點［10］，HoloLens2目前被認為是最適合手術導航的AR 設備之一［11］。

近年來，消費級HMD 設備的出現(xiàn)推動著AR 技術快速發(fā)展，使得AR 在醫(yī)療領域有了大量應用［12］，但是現(xiàn)階段AR 在快速性心律失常消融手術方面的應用研究還相當少，尚處于起步階段。目前，基于AR 或虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）的快速性心律失常消融手術方面已有一定研究。Loewe 等［13］提出FAMAS-VR 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，其允許在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中與單個患者模型進行實時交互，以模擬放置不同位置消融灶的方式確定消融病變最佳位置，在模擬環(huán)境中可以評估不同的消融策略，有利于最終確定較為合適的手術方案。該系統(tǒng)使得操作者易于獲取心律失常消融手術的經(jīng)驗和技能，可為醫(yī)生提供理想的培訓環(huán)境，但是由于提供的是完全虛擬的環(huán)境，醫(yī)生無法在手術中同時觀察到虛擬模型和真實器官的情況，因此只適合術前規(guī)劃。Avari 等［14］提出增強電生理學交互系統(tǒng)（ēLVIS），該系統(tǒng)使用HoloLens2 顯示實時心臟解剖圖，實現(xiàn)了多臺Holo-Lens 的數(shù)據(jù)共享和交互，且可無菌地通過手勢控制導管定位。該系統(tǒng)改善了醫(yī)療數(shù)據(jù)的可視化和模型交互，將增進對患者特定心臟解剖結構的了解，但是未實現(xiàn)虛實配準。該研究存在問題如下：一是當前數(shù)據(jù)傳輸方案的延遲較大；二是視線需要在患者病灶部位和屏幕之間來回切換，導致手眼協(xié)調(diào)問題。

基于HoloLens2 的快速心律失常消融術的手術導航系統(tǒng)，通過ZeroMQ 中間件實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)實時傳輸和虛擬模型顯示，通過磁定位和Vuforia 的混合跟蹤技術實現(xiàn)虛實配準。目標一是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、低延遲性以及模型顯示的流暢性、穩(wěn)定性；目標二是實時可視化心腔的解剖結構，且實現(xiàn)模型的3D 交互，方便術者和培訓者更好地了解心腔的解剖結構；目標三是高精度的虛實配準，解決手術中醫(yī)生視線需在屏幕和病灶區(qū)域不斷切換的問題。

1 方法

1.1 系統(tǒng)結構設計

本系統(tǒng)主要由3部分組成：基于ZeroMQ 的實時數(shù)據(jù)傳輸、模型的可視化顯示和3D 交互、基于磁定位和Vuforia 混合跟蹤技術的三維跟蹤注冊，如圖1所示。

Fig.1 Overview of workflow of surgical navigation system for tachyarrhythmic ablation based on HoloLens2圖1 基于HoloLens2的快速心律失常消融術的手術導航系統(tǒng)工作流程

基于ZeroMQ 的實時數(shù)據(jù)傳輸：手術過程中，置于手術床下方的磁場發(fā)生器，產(chǎn)生一定強度的磁場將患者心臟包含在內(nèi)，含有磁場感應器的體表參考電極貼片為該磁場的原點，其置于患者背部，當含有磁場傳感器的導管進入患者心腔時，會在心腔內(nèi)壁不同位置進行標測，將導管頂端的三維位置和方向信息傳輸?shù)接嬎銠C工作站［15］。將導管獲取的原始數(shù)據(jù)信息封裝為自定義ZeroMQ 二進制消息格式，在計算機工作站使用ZeroMQ 創(chuàng)建Socket 服務器端，在Unity 編輯器中（HoloLens2）使用ZeroMQ 創(chuàng)建Socket 客戶端，使用ZeroMQ 的Pub/Sub 方式異步并行傳輸方式，將自定義ZeroMQ 二進制消息從服務器端傳輸至客戶端。

模型的可視化顯示和3D 交互：客戶端根據(jù)規(guī)則將自定義ZeroMQ 二進制消息格式解碼，在Unity 中構建模型可視化的程序安裝至HoloLens2，在HoloLens2 運行可以實時顯示的導管模型、導管位置及方向信息，然后移動導管，跟隨導管移動軌跡實時構建心腔模型，通過鍵盤輸入或手勢操作縮放和移動虛擬模型以及切換線框模式。

基于磁定位和Vuforia 混合跟蹤技術的三維跟蹤注冊：制作Vuforia 識別圖，識別圖的中心貼有磁場傳感器，使得識別圖同時擁有磁場坐標系和HoloLens2 坐標系（Unity 坐標系）的坐標位置，通過矩陣變換，建立兩個坐標系的關系，在Unity 編輯器中使用Vuforia 插件實現(xiàn)三維跟蹤注冊，將虛擬心腔模型和導管投影至患者的真實部位，完成實時的跟蹤導航。臨床醫(yī)生可以實時觀察導管在所構建心腔的位置，后續(xù)可以分析電解剖圖的激動傳導順序圖、電壓圖等特征，從而為找到患者心臟病灶位置、選擇手術消融路徑、實施消融、評估消融后的病灶治療情況等提供數(shù)據(jù)和圖像幫助。

1.2 基于ZeroMQ的實時數(shù)據(jù)傳輸

ZeroMQ 是一個基于消息隊列的多線程網(wǎng)絡庫，號稱最快的消息隊列系統(tǒng)，因其開源、高性能、跨平臺而被廣泛應用［16］。射頻消融手術中數(shù)據(jù)的采集主要依靠磁傳感器，采集的數(shù)據(jù)在HoloLens2 上進行顯示，需依靠磁傳感器和HoloLens2 之間的網(wǎng)絡通訊傳輸，這點類似于物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，loT），廣義上loT 是各種傳感器設備與互聯(lián)網(wǎng)結合形成的巨大網(wǎng)絡［17］。而ZeroMQ 相對于其他消息中間件在loT 系統(tǒng)中有高吞吐量/低延遲的表現(xiàn)［18］，滿足手術導航系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸性能方面的要求，前綴匹配功能使得每條消息可以包含不同類型的數(shù)據(jù)（包括導管、心腔的頂點數(shù)據(jù)和索引值以及鍵盤輸入數(shù)據(jù)等），雖然當前常見手術導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案尚未使用ZeroMQ，但根據(jù)以上分析，在快速心律失常射頻消融手術中使用ZeroMQ實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨冈诶碚撋鲜强尚械摹?/p>

基于ZeroMQ 的實時數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)包括3 部分：環(huán)境配置、數(shù)據(jù)預處理以及數(shù)據(jù)傳輸。

環(huán)境配置：HoloLens2 應用程序在Unity 中運行，需要在“Universal Windows Platform”（UWP）上進行設置，項目開啟“Windows Mixed Reality”和“InternetClient”，“Internet-ClientServer”，“Microphone”，“PrivateNetworkClientServer”，“SpatialPerception”功能，完成項目的環(huán)境配置。

數(shù)據(jù)預處理：設置不同前綴將采集的原始數(shù)據(jù)轉化為自定義ZeroMQ 消息格式（如表1所示），使每條消息包含不同類型的數(shù)據(jù)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理和模型可視化顯示。ASCII 碼格式的數(shù)據(jù)傳輸效率不高，將自定義ZeroMQ 消息數(shù)據(jù)轉為二進制消息數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，完成項目數(shù)據(jù)預處理。

數(shù)據(jù)傳輸：HoloLens2 和計算機工作站連接到同一Wi-Fi 網(wǎng)絡，在HoloLens2 應用程序（Unity 編輯器）中使用ZeroMQ 構建Socket 客戶端套接字，在計算機工作站程序中使用ZeroMQ 構建Socket 服務端套接字。如圖2 所示，當HoloLens2 應用程序（Unity 編輯器）運行時，客戶端開始偵聽服務端IP 地址，該IP 地址設置為計算機工作站的IP 地址，若計算機工作站的服務器端開啟，此時客戶端偵聽到服務端的IP，對應的端口號將和服務端對應的端口號進行綁定，使用ZeroMQ 的Pub/Sub 方式異步并行傳輸自定義格式的消息數(shù)據(jù)，3 個端口的消息數(shù)據(jù)分別為：端口一（9002）傳輸導管和心腔的Mesh 數(shù)據(jù)（包括頂點數(shù)據(jù)、索引值等）；端口二（9002）傳輸導管的位置和方向數(shù)據(jù)；端口三傳輸鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。

Table 1 Custom ZeroMQ binary message format表1 自定義ZeroMQ二進制消息格式

1.3 模型可視化顯示及3D交互

如圖2 所示，HoloLens2 應用程序（Unity 編輯器）通過客戶端接收到數(shù)據(jù)，并通過前綴匹配分別解碼數(shù)據(jù)，最后在HoloLens2 中構建模型可視化顯示程序。服務器端默認On 鍵關閉，在端口一，接收到前綴為“v”的數(shù)據(jù)，根據(jù)表1說明對消息進行解碼，獲取導管Mesh 的頂點數(shù)據(jù)，接收到前綴為“f”的數(shù)據(jù)，根據(jù)表1 說明對消息進行解碼，獲取導管Mesh 的索引值數(shù)據(jù)。在服務器端點擊On 鍵，每次導管移動時，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將會更新，此時發(fā)出前綴為“v”和“f”的數(shù)據(jù)同時包含導管Mesh 和心腔Mesh 的頂點和索引值數(shù)據(jù)，接收到前綴為“g”的數(shù)據(jù)，根據(jù)表1 說明對消息進行解碼，同時根據(jù)解碼后的“v”、“f”和“g”數(shù)據(jù)，客戶端實現(xiàn)沿著導管軌跡實時構建心腔模型的效果。在端口二，接收到前綴為“s”的消息數(shù)據(jù)，根據(jù)表1 說明對消息進行解碼，客戶端實時顯示導管的位置信息和方向信息。端口三，當服務器端通過鍵盤輸入“I”（放大）、“O”（縮?。ⅰ癢”（線框模式），客戶端接收前綴為“k”的消息數(shù)據(jù)，通過鍵盤可以縮放模型和切換線框模式。在Unity 編輯器中導入官方的MRTK 工具包，在模型的Object 上添加自帶的NearInteractionGrabbable.cs 和MainipulationHandler.cs 腳 本，將Host Transform 指定為模型的Object，實現(xiàn)手勢移動和縮放模型。

1.4 基于磁定位和Vuforia的混合跟蹤技術三維跟蹤注冊

三維跟蹤注冊指AR 設備對現(xiàn)實場景中圖像或物體進行定位和跟蹤。三維跟蹤注冊包括基于計算機視覺的跟蹤注冊技術、基于硬件傳感器的跟蹤注冊技術以及混合跟蹤注冊技術［19］。HoloLens 2 受限于硬件處理器，其計算處理能力不強［20］，而基于標志物的三維跟蹤注冊對硬件處理器要求不高，具有較高的魯棒性、較好的實時性和準確性，適用于計算處理能力較差的PC 端和移動終端。當前，基于標志物的三維跟蹤注冊的主要解決方案包括：ARTool-Kit、Wikitude、Vuforia 和Metaio 等［21］。Vuforia 成熟度較高，對物體的追蹤和識別效率最高，也較穩(wěn)定，支持的平臺更多，且對HoloLens 2有專有的適配［22］。

Fig.2 Real-time data transfer schematic based on ZeroMQ圖2 基于ZeroMQ的實時數(shù)據(jù)傳輸示意圖

基于磁定位和Vuforia 的混合跟蹤技術三維跟蹤注冊的實現(xiàn)主要包括兩個部分：相關坐標系（磁坐標系、Unity坐標系、Hololens2 坐標系）之間的矩陣變換、基于Vuforia的三維跟蹤注冊。

相關坐標系之間的矩陣變換如圖3 所示，手術床下方的磁場發(fā)生器會產(chǎn)生一定強度的磁場，該磁場以體表參考電極的位置為坐標零點A0，計算機工作站可以采集磁場內(nèi)所有磁傳感器的位置信息。在Vuforia 識別圖M 的中心位置固定磁傳感器S，將S 置于磁場內(nèi)，計算機工作站將會實時獲取S 在磁坐標系｛C｝中的坐標S（xc，yc，zc），Vuforia 的標識圖同時有基于兩個參考系的坐標：基于｛C｝的坐標M（xc，yc，zc）、基于HoloLens2 的坐標系｛H｝的坐標M（xm，ym，zm）。T1和T2分別為M 到A0的變換矩陣、｛C｝到｛H｝的變換矩陣，T1、T2均已知。計算機工作站采集的原始數(shù)據(jù)基于磁坐標系M（xm，ym，zm），在HoloLens2 中顯示的虛擬模型數(shù)據(jù)基于｛H｝為V（xh，yh，zh），原始數(shù)據(jù)通過ZeroMQ傳輸至HoloLens2，HoloLens2 將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過T2變換矩陣后進行顯示，當HoloLens2 檢測到Vuforia 識別圖時，虛擬模型將以M 為世界坐標的中心進行顯示，虛擬模型進行T1矩陣變換，虛擬模型將以A0為世界坐標的中心進行顯示，｛C｝和｛H｝實現(xiàn)對齊。

Fig.3 Conversion of 3D registration coordinate圖3 三維注冊坐標轉換

基于Vuforia 的三維跟蹤注冊如圖4 所示，在Unity 中導入最新的Vuforia SDK，制作識別圖，將識別圖上傳至Vuforia 官網(wǎng)的云端識別庫，生成UnityPackage 資源包，將資源包導入Unity。在Unity 中對Vuforia 插件進行相關配置，創(chuàng)建ImageTarget，掛載導管和心臟模型的Object，生成應用程序安裝至HoloLens2。Target Manager 中的image 檢測出的特征點保存在數(shù)據(jù)庫中，HoloLens2 運行應用程序，主攝像頭實時檢測真實圖像中的特征點與模板圖片特征點數(shù)據(jù)進行匹配，若匹配就將則將虛擬模型顯示在預設位置，實現(xiàn)三維跟蹤注冊。

Fig.4 Implementation process of 3D registration method based on Vuforia圖4 基于Vuforia的三維跟蹤注冊方法實現(xiàn)流程

1.5 性能測試

1.5.1 實驗環(huán)境

實驗環(huán)境使用Columbus 心臟電生理三維標測系統(tǒng)的計算機工作站作為服務器端，其主要配置為CPU：Intel（R）Xeon（R）W-2123 CPU@3.60GHZ、GPU：NVIDIA Ge-Force GTX 1060、網(wǎng)卡：650Mbps、ZeroMQ 版本：4.3.1。HoloLens2 作為客戶端，其主要配置CPU：Qualcomm Snapdragon 850、GPU：第二代自定義構建的全息處理單元、WLAN：802.11ac 2x2、Unity 版本：2019.4.4f1、Vuforia 版本：2.40。精度測量設備：基恩士顯微鏡KEYENCE VHX-S90BE。

1.5.2 顯示幀率測試

虛擬模型的顯示幀率是衡量虛擬圖像顯示流暢性和穩(wěn)定性的重要指標之一，因此對虛擬模型的顯示幀率進行測試。

當心腔模型的三角面數(shù)量高于12k 時，可以顯示較完整的心腔解剖結構，因此記錄心腔模型的三角面數(shù)量增大到20k 的過程具有臨床參考價值，記錄顯示幀率的實時變化，重復實驗10次，求其平均值。

1.5.3 數(shù)據(jù)傳輸延遲測試

數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延是衡量數(shù)據(jù)傳輸性能的重要指標之一，因此對3個訂閱端接收消息的延遲情況進行測試。

考慮到當傳輸?shù)男那荒Ｐ偷娜敲鏀?shù)量增大時，可能會影響傳輸?shù)难舆t，因此對于端口一，需要分傳輸導管數(shù)據(jù)和同時傳輸心腔數(shù)據(jù)以及導管數(shù)據(jù)這兩種情況。

端口一的測試方法：固定導管和移動導管（服務器端開啟On 鍵）兩種情況，分別記錄每條消息發(fā)送和接收的時間差；端口二的測試方法：記錄每條消息發(fā)送和接收的時間差；端口三的測試方法：計算機工作站鍵盤分別輸入“I”（放大）、“O”（縮?。ⅰ癢”（線框模式），記錄每次按鍵后發(fā)送的消息數(shù)和接收的時間差。以上端口測試均重復實驗10次，求其平均值。

1.5.4 數(shù)據(jù)傳輸可靠性測試

數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率是保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的重要指標之一，因此對3個訂閱端的數(shù)據(jù)丟包進行測試。

端口一和端口二的測試方法：移動導管（服務器端開啟On 鍵），實時記錄發(fā)送的消息數(shù)和接收的消息數(shù)，分別記錄當傳輸?shù)南⒘繛?00、600、900、1 200、1 500 時，發(fā)送端的三角面數(shù)和接收端的三角面數(shù)。端口三的測試方法是，計算機工作站鍵盤分別輸入“I”（放大）、“O”（縮?。?、“W”（線框模式），記錄每次按鍵后發(fā)送的消息數(shù)和接收的消息數(shù)。以上端口測試均重復實驗10次。

1.5.5 三維跟蹤注冊的精度測試

識別圖的位置和大小會影響HoloLens2 的位姿估計，從而影響三維跟蹤注冊的準確性［23-24］?？紤]到磁場發(fā)生器的范圍有限，將識別圖如圖5（a）放置，各位置距離心腔模型的原點均為10cm，由于識別圖如果放置在位置4 會妨礙醫(yī)生的手術操作，將有很大的安全隱患，因此剔除該種情況?？紤]到磁場大小有限和識別圖太大可能會遮擋外科醫(yī)生對手術部位的視野，因而將識別圖的大小設置為4cm2、8cm2、12cm2。相機到圖像識別圖的距離和角度也會影響HoloLens2 的位姿估計［25］，因此結合臨床醫(yī)生在手術中可能的運動范圍，確定距離和角度，將HoloLens2 距離識別圖的距離分為40cm、60cm 和80cm，觀察角度分為0°、45°、90°3 種情況。最后，為了更全面地了解實際誤差，還需要模擬臨床醫(yī)生在手術中的操作，使用機械臂將操作導管的速度分為0、3cm/s、6cm/s 3 種情況，導管以預置速度沿著X 軸和Z軸、Y 軸和Z軸運動，方便測量動態(tài)誤差。

為了定量地分析識別圖位置、識別圖大小、觀察角度、觀察距離和導管移動速度5 個因素對誤差的影響，本文選擇正交實驗設計方案進行研究。因素水平表如表2 所示，本次實驗按表3的實驗方案完成實驗，實驗場景如圖5所示。

測量工具：將A4紙固定在桌面，A4紙每個間距格子的大小為1mm*1mm，拍照記錄，測量虛擬導管和真實導管的尖端以記錄精度（（X 軸向誤差+Y 軸向誤差+Z 軸向誤差）/3），每個方案重復10次，計算精度的平均值。

2 結果

2.1 顯示幀率

心腔模型的三角面數(shù)量增大到15k 的過程中，虛擬模型顯示幀率主要分布在50～60FPS，占總顯示幀率的0.78，其中占比最高的顯示幀率是57FPS（占比0.12），如圖6（a）所示。當心腔模型的三角面數(shù)量為5k、10k、15k 時，分布在50～60FPS 的顯示幀率分別占總顯示幀率的0.79、0.77、0.78，而占比最高的顯示幀率分別為58FPS（占比0.13）、57FPS（占比0.11）、56FPS（占比0.11），當心腔模型的三角面數(shù)量增加至20k 左右后，顯示幀率會顯著下降，分布在50～60FPS 的顯示幀率僅占總顯示幀率的0.1，而占比最高的顯示幀率為43FPS（占比0.14），如圖6（b）所示。

Table 2 Factor level表2 因素水平

Table 3 Orthogonal experimental design表3 正交實驗方案

Fig.5 Experimental setup圖5 實驗裝置

Fig.6 Frame rate during observation圖6 觀察期間顯示幀率情況

2.2 數(shù)據(jù)傳輸延遲

觀察期間數(shù)據(jù)傳輸延遲的平均值和標準差如表4 所示。當端口一僅傳輸導管數(shù)據(jù)時，傳輸延遲的區(qū)間在0.17～0.44ms，其中最高的傳輸延遲為0.433ms，傳輸延遲的平均值為0.216ms，傳輸延遲的標準差為0.028ms，如圖7（a）所示。當端口一同時傳輸導管數(shù)據(jù)和心腔模型數(shù)據(jù)時，傳輸延遲的區(qū)間在0.32～0.99ms，當心腔三角面數(shù)量為14k 時延遲最大（0.99ms），如圖7（d）所示。端口二傳輸延遲的區(qū)間在0.17～0.22ms，傳輸延遲的平均值為0.186ms，傳輸延遲的標準差為0.015ms，如圖7（b）所示。針對端口三，傳輸延時區(qū)間在0.000 1～0.000 7ms，傳輸延遲的標準差為7.78e-5ms，如圖7（c）所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸可靠性

Fig.7 Data transmission delay during observation圖7 觀察期間數(shù)據(jù)傳輸延遲情況

Table 4 Mean and standard deviation of data transmission delays during the observation表4 觀察期間數(shù)據(jù)傳輸延遲的平均值和標準差

如圖8（a）和（b）所示，服務器端的心腔模型數(shù)據(jù)發(fā)送和客戶端的心腔模型數(shù)據(jù)接收的實時曲線趨勢相同，如圖8（c）所示，分別取傳輸?shù)南⒘繛?00、600、900、1 200、1 500 時，服務器端發(fā)送的三角面數(shù)和客戶端接收的三角面數(shù)是相同的，分別為50 688、1 341 800、3 703 508、7 005 256、10 000 000。

2.4 三維跟蹤注冊精度

利用多因素方差分析研究識別圖位置、識別圖大小、觀察角度、觀察距離和導管移動速度共5 項對于誤差的差異關系，如表5 所示。模型R 平方值為0.994，意味著識別圖位置、觀察角度、觀察距離和導管移動速度可以解釋誤差的99.4%的產(chǎn)生原因。

分析可知，識別圖大小、觀察距離會對誤差產(chǎn)生顯著性差異關系（p<0.05），影響因素的主次關系為B>D>C>A>E。從表3 可知，實驗誤差范圍為1.17～4.52mm。從圖9（a）可知各影響因素不同水平下的誤差，影響程度最大的影響因素是識別圖大小，誤差變化量為2.36mm，影響最小的影響因素為導管移動速度，誤差變化量為0.10mm，當實驗方案是A1B3C1D3E2時，誤差最小。

Table 5 Analysis of variance表5 方差分析

3 討論

針對該手術導航系統(tǒng)的可用性問題，本文從臨床手術角度出發(fā)，分析影響因素主要在模型顯示效果、數(shù)據(jù)傳輸性能和三維跟蹤注冊精度3 個方面。模型顯示效果主要體現(xiàn)在顯示的流暢性和穩(wěn)定性上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苤饕w現(xiàn)在延遲性和可靠性上，而三維跟蹤注冊的精度不僅受到三維注冊方法的影響，還應該考慮到臨床醫(yī)生的手術操作行為，將觀察距離和觀察角度兩個方面納入討論范圍，最大限度還原實際手術場景。

（1）模型顯示效果。模擬手術實際場景，實時構建心腔模型的三角面數(shù)量增大到15k 的過程中，虛擬模型的顯示幀率基本處于50FPS 以上，顯示幀率變化較小且穩(wěn)定，而隨著心腔模型的三角面數(shù)的增加，顯示幀率占比情況基本不受影響，因而在完整的手術過程中，虛擬模型的顯示較為穩(wěn)定流暢且不受數(shù)據(jù)量大小的影響。但是，當三角面數(shù)量增大至20k 時顯示幀率會顯著下降，虛擬模型的顯示幀率基本處于50FPS 以下，這應該是受HoloLens2 的處理器性能限制所致。

Fig.8 Reliability of data transmission during observation圖8 觀察期間數(shù)據(jù)傳輸可靠性情況

Fig.9 Experimental results圖9 實驗結果

（2）數(shù)據(jù)傳輸性能。針對數(shù)據(jù)傳輸延遲，端口一：傳輸?shù)难舆t會隨著心腔模型三角面數(shù)的增加而增大，但總體小于1ms；端口二：數(shù)據(jù)傳輸延遲波動較小，整體維持在0.2ms左右；端口三，當鍵盤輸入數(shù)據(jù)時，發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸，傳輸延遲波動較小，整體小于0.8us。綜上所述，雖然端口一數(shù)據(jù)量的增大會導致傳輸延遲增大，但在實時構建由14k 個三角面組成的心腔模型時，延遲小于1ms，仍然達到實際手術需求，因而端口一、端口二、端口三的數(shù)據(jù)傳輸均滿足要求。針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，從服務器端和客戶端心腔模型三角面?shù)量的實時變化曲線，以及采樣某消息條數(shù)時刻服務器端和客戶端心腔模型三角面數(shù)量可知，該數(shù)據(jù)傳輸方案實現(xiàn)了消息發(fā)送與接收不丟包，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

（3）三維跟蹤注冊精度。結合臨床手術的實際場景，確定了誤差的主要影響因素為識別圖大小、觀察的距離，次要影響因素為觀測角度和識別圖位置，最小影響因素為導管運動速度，其中識別圖的大小和觀察距離都很大程度上會影響HoloLens2 對識別圖特征點的采集，識別圖過小或者觀察距離過大，都會導致HoloLens2 采集識別圖的特征點減少，從而使得識別精度下降。識別圖置于1 位置優(yōu)于2、3 位置，原因是識別圖放置在攝像機視圖截錐的中軸或以上，可以提高邊緣識別準確性。雖然觀察角度在0～90°變化的影響略大于識別圖位置，但是要求佩戴Holo-Lens2 的外科醫(yī)生將頭部固定在預定靜態(tài)角度的方案并不合理，故可以暫不考慮該影響。此外，導管速度在0～6cm/s范圍變化對誤差影響最小，故該方案可以承受實際手術操作的移動速度。最后，雖然根據(jù)實驗結果分析得到，觀察距離越近，識別圖越大，誤差就會越小，但是無限追求更近的距離和更大的識別圖，在手術中并不符合實際，主要有兩方面原因：①要求醫(yī)生長時間低頭操作，容易疲勞，導致手術風險增加；②識別圖過大，可能會遮擋外科手術醫(yī)生的手術視野，也可能會超出磁場的范圍。因此在臨床實踐中，需要在保證手術安全性的情況下，根據(jù)實際情況確定識別圖大小、觀察距離和識別圖位置以實現(xiàn)最小誤差。

4 結語

本文基于HoloLens2 的快速心律失常消融術的手術導航系統(tǒng)，為手術導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案和三維跟蹤注冊方案提供了新的思路。采用ZeroMQ 的Pub/Sub 模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，采用磁定位和Vuforia 的混合跟蹤技術三維跟蹤注冊技術實現(xiàn)虛擬配準。當模型的三角面數(shù)量小于15k時，模型顯示幀率主要分布在50～60FPS，占總比例的78%，實時數(shù)據(jù)傳輸可以保證數(shù)據(jù)不丟失且整體延遲低于1ms。三維跟蹤注冊的正交實驗誤差范圍是1.17～4.62mm，根據(jù)磁場的覆蓋范圍和識別效果，確定將識別圖置于1 位置，識別圖尺寸設置為12cm2，然后臨床醫(yī)生在保證手術效果和安全的情況下，盡量降低減小觀察距離，這是最優(yōu)的實踐方案，最小誤差為1.17mm。結果證明了該系統(tǒng)的實際醫(yī)用性，且通過鍵盤和手勢3D 交互進行優(yōu)化，該系統(tǒng)為提高手術成功率、降低手術時長、加強臨床培訓開展等方面作出了努力，為臨床手術的優(yōu)化方向給出了參考建議。后續(xù)將嘗試疊加電生理信息以更好地跟蹤導管找到病灶，且考慮只采用基于磁傳感器的三維跟蹤以保證心臟電生理三維標測系統(tǒng)的整體性。