可穿戴柔性超声阵列在经皮舟骨固定术中的实时追踪：首项概念验证研究

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Online Scaphoid Tracking Using a Wearable and Flexible Ultrasound Array: A First Proof of Concept

本研究针对经皮舟骨固定术（PSF）中因手腕运动导致舟骨位移的难题，开发了一种可穿戴柔性超声阵列，结合模板匹配算法实现舟骨实时追踪（28 Hz帧率）。结果表明，该阵列能有效适应腕部曲度，减少运动伪影，其追踪精度与稳定性优于刚性手持探头，为计算机辅助骨科手术（CAOS）系统提供了可靠的动态定位工具，有望替代传统荧光透视引导方式。

　　

手腕舟骨是腕部最易骨折的骨骼，其治疗常采用经皮舟骨固定术（Percutaneous Scaphoid Fixation, PSF）。这种微创手术需将螺钉精准植入舟骨碎片，传统依赖荧光透视引导，但存在两大局限：一是无法提供三维解剖视图，二是患者和医生均暴露于电离辐射。更棘手的是，手术中手腕的微小移动会导致舟骨位置变化，若未实时监测可能造成固定偏差。为此，研究者开始探索超声成像替代方案，但既往系统多要求手腕强制固定，且刚性探头难以贴合腕部曲面，易因失耦合或平面外运动丢失目标。

为解决上述问题，比利时鲁汶大学等团队在《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》发表研究，提出一种可穿戴柔性超声阵列，用于PSF术中舟骨的实时动态追踪。该阵列采用双线性设计，含两个并行64阵元阵列（中心频率7.5 MHz），通过维可牢绑带固定于腕部，利用相位相干法估计阵列曲度并动态调整发射接收延迟，确保声学耦合稳定性。超声图像通过USB 3.0实时传输至MATLAB，通过模板匹配算法（基于归一化二维互相关）追踪舟骨，并以20帧模板均值更新提升鲁棒性。同时，研究将追踪生成的舟骨表面点云与术前CT三维模型通过迭代最近点算法（Iterative Closest Point, ICP）进行注册，对比了柔性阵列与刚性阵列在追踪精度和注册误差上的差异。

主要技术方法

研究通过柔性阵列采集腕部超声数据，利用模板匹配算法实现舟骨实时追踪，并结合ICP算法将超声点云与术前CT模型注册；实验使用臂部仿体模拟PSF手术动作，对比柔性阵列与刚性阵列在运动适应性、图像稳定性及注册误差方面的表现。

实验结果

1. 1.
   实时追踪性能：柔性阵列在28 Hz帧率下稳定追踪舟骨，模板匹配算法能有效跟随仿体运动，无显著延迟。
   
2. 2.
   阵列适应性对比：刚性探头因无法贴合腕部曲面，在平面外运动中出现图像跳变甚至目标丢失（图5b），而柔性阵列凭借曲度自适应能力保持连续成像。
   
3. 3.
   注册精度分析：柔性阵列生成的点云包含更多高程信息，ICP注册误差显著低于刚性阵列（图6），表明其能提升手术导航的几何匹配准确性。
   

结论与意义

本研究首次验证了可穿戴柔性超声阵列在PSF术中实时追踪舟骨的可行性。其28 Hz处理帧率与临床超声设备兼容，且柔性设计克服了传统探头在复杂解剖区域的耦合局限。尽管仍需通过真实数据验证算法精度，但该技术为动态手术导航提供了新思路，有望减少对电离辐射的依赖，推动计算机辅助骨科手术（CAOS）向更安全、精准的方向发展。