基于三维术中超声与光学导航的变形场框架校正术中脑移位的研究

《Scientific Reports》：A preliminary feasibility study of deformation field-driven geometric updating of preoperative MRI using 3D intraoperative ultrasound for glioma surgery

　　

摘要

术中脑移位会降低基于术前MRI的神经导航精度，而术中MRI（iMRI）则会产生高昂成本。本研究探索了一种基于三维术中超声（3D-iUS）和光学导航的变形场框架，通过将术前MRI变形为几何更新的虚拟MRI（vMRI），以校正脑移位所致的空间位移。光学-超声导航平台实现了3D iUS与术前MRI坐标的统一。利用体外脑移位仿体和离体尸体标本模拟了双向肿瘤生长-切除变形。采用B样条自由变形（FFD）算法，根据3D iUS数据计算组织位移场，从而生成vMRI。通过植入标记物和解剖标志计算vMRI与iMRI之间的靶点配准误差（TRE）。算法性能从精度、实时能力和鲁棒性三个维度进行评估。变形校正后，体外平均TRE为2.94 mm，离体平均TRE为2.28 mm，均在临床可接受范围（2–3 mm）内。图像叠加结果显示关键结构对齐良好。算法运行稳定，平均核心计算时间约为2.5分钟，表明变形求解步骤的计算速度令人鼓舞，但仍需进一步流程优化以支持实际术中应用。"3D iUS + 光学导航 + 变形场"流程在体外和离体条件下均具可行性，可实现与iMRI相当的临床可接受配准精度，尽管与刚性配准基线相比的改进未达统计学显著性。上述发现为未来活体验证及无iMRI依赖的动态图像引导导航提供了方法学基础。