用于骨科手术的4D混合现实工具——一项可行性研究

《Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization》：4D mixed reality tool for orthopaedic surgery - a feasibility study

髋关节变形诊断中4D混合现实工具的临床可行性研究。开发基于HoloLens 2和光学追踪系统的4D混合现实工具，实现患者髋关节实时动态三维可视化，结合CT和X光影像对比。临床测试显示外科医生使用该工具定位变形体的信心达100%，显著优于CT（25%）和X光（0%），且能更准确关联症状与解剖结构。研究验证了混合现实在骨科诊断中的潜力，但存在注册精度依赖皮肤固定标记、依赖CT扫描、准备时间较长等局限。未来计划优化表面注册技术和追踪系统，提升临床实用性。

　　在医学影像技术不断进步的背景下，诊断关节疾病和骨骼变形仍然是一个极具挑战性的任务。传统的2D影像技术，如X射线和CT扫描，虽然在临床中被广泛使用，但它们在展示复杂的解剖结构和动态变化方面存在一定的局限性。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于4D混合现实技术的新工作流程，旨在提供一种非侵入式的“X光视觉”体验，以帮助外科医生更准确地识别导致患者疼痛的骨骼变形。本文介绍了这一技术的可行性研究，以及其在临床环境中的应用效果。

### 1. 临床需求与现有技术的局限性

骨骼变形可能由多种疾病和状况引起，例如股骨头与髋臼之间的异常接触，这在医学上被称为股骨头髋臼撞击综合征（Femoroacetabular Impingement, FAI）。FAI主要表现为股骨头或髋臼的形态异常，这些异常会影响关节的正常活动范围，导致疼痛和软骨损伤。对于这类疾病，外科医生需要在诊断过程中准确识别骨骼变形的位置，以便进行适当的治疗决策。然而，现有的影像技术，如X射线和CT扫描，虽然能够提供详细的解剖信息，但它们仍然以静态图像为主，难以全面展示动态变化。此外，3D打印模型虽然能够提供更直观的解剖结构展示，但存在准备时间长、成本高以及无法与患者实时互动等缺点。

因此，研究人员提出了一种新的解决方案，即利用混合现实技术实现对患者髋关节的实时动态可视化。这种技术不仅能够展示骨骼结构，还能够模拟关节在运动过程中的动态行为，从而帮助医生更直观地理解骨骼变形如何影响患者的日常活动和疼痛感受。

### 2. 4D混合现实技术的原理与实现

4D混合现实技术的核心在于将三维模型与患者的实时动作相结合，从而创造出一种动态的可视化效果。这种技术通常依赖于混合现实头戴式设备（如Microsoft HoloLens 2）和光学跟踪系统（Optical Tracking System, OTS）。通过这些设备，医生可以在患者身上看到一个实时更新的三维模型，该模型能够随着患者的运动而变化，从而模拟出一种“X光视觉”的体验。

在实际应用中，研究人员通过在患者皮肤上放置特定的标记物（如ECG电极贴片），利用光学跟踪系统获取这些标记物的位置信息，并将其与CT扫描数据进行配准。这样，医生可以在实际操作中看到一个与患者骨骼结构完全匹配的三维模型，并能够通过调整标记物的位置，实现更精确的配准效果。此外，系统还能够通过不断更新模型的位置信息，确保在患者移动时，三维模型能够同步变化，从而提供动态的解剖可视化。

这种技术的实现过程包括以下几个关键步骤：首先，通过CT扫描获取患者的骨骼图像；其次，使用专业的软件（如3DSlicer和ITK-SNAP）对图像进行分割，生成三维模型；然后，将这些模型上传至HoloLens设备，并进行配准；最后，医生在实际操作中可以利用这些动态模型进行诊断和手术规划。整个流程需要约1.5至2小时，包括数据采集、模型重建和配准过程。相比之下，光学跟踪系统的注册过程只需约5分钟，但仍然受到设备性能和使用经验的影响。

### 3. 临床评估与用户反馈

为了验证这一技术的临床可行性，研究人员邀请了三位有经验的外科医生参与评估。每位医生对四位患者进行了三种不同的影像评估：X射线、CT扫描结合3D模型，以及4D混合现实工具。评估过程中，医生需要在操作中定位导致患者症状的骨骼变形，并在评估后在3D打印的股骨模型上绘制变形的位置。最后，医生填写了一份问卷，以评估他们对每种影像方法的满意度和诊断价值。

根据问卷结果，医生对4D混合现实工具的评价显著优于X射线和CT扫描。在定位变形位置的准确性方面，所有医生都对混合现实工具表示“强烈同意”（100%），而X射线和CT扫描的医生则分别为0%和25%。这表明，混合现实工具在帮助医生更准确地识别骨骼变形方面具有明显的优势。此外，医生普遍认为，混合现实工具能够提供更好的三维解剖理解，使他们能够从不同角度观察患者的解剖结构，并更好地理解患者的疼痛与骨骼变形之间的关系。

### 4. 技术优势与局限性

从医生的反馈来看，4D混合现实工具的主要优势在于其动态可视化能力。医生可以直观地看到骨骼变形如何在患者运动过程中与髋臼发生接触，从而更好地理解病情的动态变化。这种能力在传统影像技术中是难以实现的，因为X射线和CT扫描只能提供静态图像，无法展示骨骼结构在运动中的动态行为。

此外，混合现实技术还具有促进医生之间沟通的优势。由于医生可以同时观察同一个三维模型，这种技术有助于团队协作，提高手术规划的效率。然而，该技术也存在一些局限性。首先，由于标记物需要固定在患者皮肤上，而皮肤本身具有一定的柔韧性，这可能导致配准误差。其次，该技术依赖于CT扫描，因此在某些情况下，患者可能需要接受额外的扫描，这在实际临床操作中可能带来不便。此外，整个流程的时间成本较高，特别是在数据采集和模型重建方面，可能影响医生的效率。

### 5. 未来发展方向与改进方向

为了进一步提升4D混合现实工具的临床实用性，研究人员提出了几个改进方向。首先，他们计划采用一种不依赖于患者皮肤标记物的表面配准方法，以减少配准过程中的误差并提高操作的便捷性。其次，他们正在探索使用新的光学跟踪系统，以减少设备的体积和提高跟踪精度。此外，研究人员还希望优化整个工作流程，使其更加高效，并减少对患者的影响。

从长远来看，4D混合现实技术有望成为骨科诊断的重要工具。它不仅能够提供更直观的解剖可视化，还能够帮助医生更好地理解患者的病情，并制定更精确的治疗方案。随着技术的不断进步，未来可能会出现更加智能化和自动化的混合现实系统，从而进一步提升其在临床中的应用价值。

### 6. 结论

综上所述，4D混合现实工具在股骨头髋臼撞击综合征的诊断中展现出了巨大的潜力。它能够提供动态的解剖可视化，帮助医生更准确地识别骨骼变形，并更好地理解患者的疼痛与解剖结构之间的关系。尽管目前仍存在一些技术上的挑战，如配准精度和时间成本，但随着技术的不断优化，这些问题有望得到解决。因此，4D混合现实技术有望在未来成为骨科诊断和手术规划的重要辅助工具，为患者提供更精准的治疗方案，从而提高整体的医疗效果和患者满意度。