虚拟术中CT（viCT）：基于单目内镜视频序贯更新解剖结构以建模内镜鼻窦手术全程组织切除

《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》：Virtual intraoperative CT (viCT): sequential anatomic updates for modeling tissue resection throughout endoscopic sinus surgery

　　

目的：切除不完全是慢性鼻窦炎（CRS）患者持续病变与内镜鼻窦手术（ESS）翻修的常见原因。当前图像引导手术（IGS）系统通常参照静态术前CT（pCT），无法建模不断演变的切除边界。研究人员提出虚拟术中CT（viCT），一种在内镜鼻窦手术（ESS）过程中利用单目内镜视频的术中三维重建序贯更新pCT的方法，以CT格式可视化演变的解剖结构。方法：单目内镜视频通过深度监督神经辐射场（NeRF）框架结合虚拟立体合成处理，在多个手术时间点生成带度量尺度的三维重建。重建结果在3D Slicer中基于解剖对应点进行刚性、地标注册，再体素化入pCT网格。viCT体积通过基于射线的体素占用比较在pCT与重建之间删除过期体素并重映射保留解剖与更新边界生成。性能在四例标本跨越四个ESS阶段的尸体可行性研究中以体积重叠（DSC与Jaccard）与表面指标（HD95、Chamfer、MSD、RMSD）评估，并与真实间隔CT作定性切片比较。结果：viCT更新显示高体积一致性与亚毫米级全局平均表面误差。Dice相似系数（DSC）为0.88±0.05，Jaccard指数为0.79±0.07；95百分位Hausdorff距离（HD95）为0.69±0.28 mm，Chamfer距离为0.09±0.05 mm，平均表面距离（MSD）为0.11±0.05 mm，均方根距离（RMSD）为0.32±0.10 mm。结论：viCT在无外部跟踪或额外术中成像下实现ESS场景中CT格式序贯解剖更新。未来工作将聚焦注册全自动化、活体病例验证扩展及面向术中部署的运行时优化。

研究背景与问题提出

慢性鼻窦炎（CRS）是一种以鼻腔阻塞、流涕、面压及嗅觉障碍为特征的持续性炎症疾病，约八分之一美国成人受累。内镜鼻窦手术（ESS）是药物难治性CRS的主要治疗手段，约28.3%患者接受ESS，但15%–20%需翻修，多次手术者29%在36个月内接受第三次手术。切除不完全是手术失败主因，术后CT可见64%–96%存在残余骨隔或持续炎症。传统图像引导手术（IGS）系统（如Medtronic StealthStation、Acclarent TruDi）仅叠加静态术前CT（pCT）并显示器械位点或累积路径，不直接修改CT体素或描绘当前切除边界；真正术中CT（iCT）虽准却因30–40分钟流程中断、辐射与费用极少使用。因此，研究人员在《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》提出虚拟术中CT（viCT），旨在用单目内镜视频生成CT格式、反映演变切除腔的序贯更新体积，兼顾iCT级解剖保真与无额外辐射/延迟的操作效率。

主要关键技术方法

研究采用四例尸体头颈标本，于术前、上颌窦开放后、前组筛窦部分切除后、后组筛窦与蝶窦切开术后共四个时间点采集间隔CT作金标准；同期用4 mm刚性30°内镜以1080p/30 fps录制约3–5秒扫掠视频。视频经去模糊/去器械遮挡后，以COLMAP估相机内参与外参，送入深度监督NeRF（含多分辨率哈希与球谐视角编码）合成渲染，并通过虚拟立体视差优化（ZNCC最大化）获度量尺度深度，融合多视图得密集三维网格。网格在3D Slicer选取3–10个稳定骨性地标（如鼻额喙、中鼻甲腋、筛前动脉眶口）做刚性注册至pCT坐标系，再经基于射线从相机原点投射顶点生成占用遮罩，形态学闭孔后，与pCT骨阈值遮罩（τ=?300 HU）做射线级占用比对，删除M_pCT∧M_rec交集体素并赋空气HU（?1000），保留未变解剖原HU值，产生原生网格下CT格式viCT体积。验证指标含体积重叠DSC/Jaccard与表面HD₉₅/Chamfer/MSD/RMSD，并在重建定义ROI内做区域特异性分析。

研究结果

定性数据：Specimen 1全间隔轴/冠/矢状viCT与金标准CT切片并列显示腔壁、骨隔缺失与保留解剖对齐良好，证明NeRF重建可反映真实切除形态。

体积相似性：跨四标本各阶段，viCT与间隔CT腔分割平均DSC 0.88±0.05，Jaccard 0.79±0.07，标本间变异小，表明体积重叠高。

表面几何比较：平均HD₉₅ 0.69±0.28 mm，Chamfer 0.09±0.05 mm，MSD 0.11±0.05 mm，RMSD 0.32±0.10 mm，点面对应紧密。104个带区域标签重建在ROI内变化区DSC 0.74–0.80，ASSD 0.22–0.27 mm，前/后筛、上颌、蝶窦等无显著区域失败模式。

讨论部分总结

研究人员指出，viCT首次用深度监督NeRF加虚拟立体从单目视频产生度量三维几何，再以射线占用比对在原pCT网格消除切除体素，输出标准CT三平面视图；相较TruDi等需手动探针注册的表面累积映射，viCT不依赖外部跟踪硬件。当前为回顾性尸体研究，端到端延迟未测（重建<10 min、更新<2 min仅为计算组件），地标注册人工完成；四标本未 powered 检测小残余气房（如额隐窝扁平细胞），未与术中IGS点对位做头对头决策比较。未来将引入Dense Correspondence Analysis（DeCA）与ANTs仿射/非线形细化实现自动注册，并在活体血中分泌物、器械遮挡、形变条件下验证。

结论翻译

本研究证实尸体ESS模型中从单目内镜序贯更新CT的可行性。通过将深度监督NeRF的度量三维重建与原CT以体素级射线占用比对整合，系统在反映手术推进的同时保留解剖语境，生成CT格式更新。跨四标本四阶段，viCT显示高体积一致性与亚毫米级全局平均表面误差，总体HD₉₅为0.69±0.28 mm；104个解剖标注重建中变化区DSC 0.76±0.09、HD₉₅ 1.30±0.69 mm，各代表区域表现相似。不同于现有IGS或先前视觉融合方法，viCT在无外部跟踪硬件下提供组织切除的体积CT可视化，可直观定量表达演变切除边界。未来工作聚焦自动注册、活体验证与术中部署计算优化，并正式评估临床效用与工作流整合。