自由手3D超声成像技术在面部中部骨骼表面重建中的应用，用于术中图像配准

《MEDICAL PHYSICS》：Freehand 3D ultrasound imaging toward midfacial bone surface reconstruction for intraoperative image registration

图像引导手术中提出基于自由hand三维超声成像的非侵入式解决方案，结合定制立体摄像机跟踪、短时密集连接网络（STDC）分割骨表面和自监督FUNSR网络优化三维重建，显著提升配准精度（SRE 0.387mm，TRE 0.802mm），志愿者试验中SRE降至0.445mm，Cohen's d显示方法有效，为颌面外科手术导航提供新方法。

　　

摘要

背景

图像引导手术是颌面外科中的关键技术。图像引导手术的基础是图像配准。传统的图像配准方法在侵入性、复杂性和准确性方面存在局限性。使用可追踪的2D超声探头进行的手动3D超声成像可能提供一种非侵入性、实时且准确的替代方案。目的 本研究旨在开发一种新的手动3D超声成像框架，用于中面部骨骼表面的重建和与术前3D数据（例如计算机断层扫描）的配准，以实现颌面外科手术中的精确术中导航。

方法

首先，使用定制的立体相机在手动超声扫描过程中追踪2D超声探头的姿态，以对准中面部骨骼表面。然后，采用短期密集连接网络（STDC）从超声图像中分割骨骼表面。带有空间信息的分割像素实时形成粗略的3D体积。接着将3D体积的体素转换为粗略的点云。利用模板匹配去噪技术去除噪声和异常点，随后通过自监督的手动3D超声神经表面重建网络（FUNSR）将点云重建为平滑的表面网格。最后，将得到的精细骨骼表面与术前3D数据进行配准以进行定量评估。共使用了1000张颧骨超声图像（分为700张训练图像、150张验证图像和150张测试图像）来训练分割网络。重建网络通过自监督方式进行训练。使用表面配准误差（SRE）验证网络的重建精度，并通过目标配准误差（TRE）验证配准精度。通过检验和方差分析来评估方法性能的改进，应用Tamhane的T2检验进行多重比较校正以控制假发现率。计算Cohen效应量来量化性能差异。

结果

在模拟实验中，平均SRE为0.387毫米，平均TRE为0.802毫米。与仅使用体素重建结果的配准方法（SRE = 1.301毫米，TRE = 1.155毫米）相比，精度得到了提高（Cohen's d值分别为9.416和1.247）。此外，精度在中面部的不同区域保持一致（平均值为0.918毫米）。当仅使用局部区域重建进行配准时，整体精度的下降相对较小（仅为0.025毫米）。在志愿者试验中，平均SRE为0.445毫米。与我们的基本框架相比（SRE = 0.955毫米），所提出的模板匹配去噪和表面重建组件进一步提高了配准精度（精度提高了0.001，Cohen's d值为2.0）。

结论

所提出的手动3D超声成像框架可以为颌面外科中的中面部骨骼表面重建和图像配准提供一种非侵入性、准确且准实时的解决方案。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

超声图像分割的代码和数据集可应要求提供。