Validation of a Mixed Reality Neuronavigation System Using Standardized 3D-Printed Skull Phantoms
本研究通过使用3D打印颅骨模型验证了一种混合现实神经导航系统，证明其达到了临床可接受的精度和低延迟，使其成为传统光学系统的可行且具有成本效益的替代方案。
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在手术室里，神经外科医生最关键的任务通常是寻找大脑深处一个微小且隐藏的目标，并在不干扰周围脆弱健康组织的情况下将其移除。为了安全地完成这一任务，医生依赖于导航系统，这些系统就像高科技 GPS 一样，向他们展示器械相对于患者解剖结构的确切位置。几十年来，这些系统通过将二维图像投影到独立的显示器上进行工作。这迫使医生必须不断从患者头部移开视线去查看屏幕，然后再转回来看手术，从而打破了他们的专注力并增加了精神压力。一种被称为混合现实的新型方法试图解决这个问题，它通过将大脑的三维全息图直接投射到医生的视野中，让医生能够像看透患者头骨一样观察内部结构。然而，为了让这项技术在生死攸关的情况下获得信任，它必须被证明与目前正在使用的成熟系统一样准确且响应迅速。
珠海市人民医院的研究人员及其合作者致力于测试一套定制的混合现实导航系统是否能达到这些严格的标准。由于在人类患者身上进行测试在伦理上非常复杂且对新设备而言具有风险，研究人员没有采用这种方式，而是利用五个高度精确的人类头骨 3D 打印模型创建了一个受控的测试场。这些模型是根据真实的医学扫描数据制造的，并在特定且已知的位置放置了小型钢钉，作为参考点。团队利用这些模型，将他们研发的新型混合现实系统与目前在医院中广泛使用的标准商业光学导航系统进行了对比。他们测量了数字地图与物理模型之间的匹配程度，以及当医生移动工具时系统的响应速度。
结果显示，混合现实系统的表现非常出色。当研究人员测量数字目标与实际钢钉之间的距离时，新系统的平均误差为 1.37 毫米。现有的商业系统精度略高，平均误差为 1.1 毫米。虽然新系统还未达到传统系统那样完美，但两者都完全处于医生认为脑外科手术可接受的安全范围内（通常在 2 毫米以内）。这意味着全息引导的准确性足以在真实的操作系统中安全使用。
速度是另一个关键因素，因为即使在移动工具与屏幕显示移动之间存在极小的延迟，也可能是危险的。研究人员通过高速视频记录系统的反应来测量这种延迟。他们发现，混合现实系统的反应时间约为 108 毫秒。这个速度对于人类外科医生来说足以感觉是即时的，确保了全息图像能与物理器械保持完美同步。研究结论指出，这种 3D 打印测试方法为验证该技术提供了一种可靠的方式，证明了混合现实系统是一种可行、具有成本效益且用户友好的传统复杂导航工具的替代方案。通过让医生无需移开视线即可观察三维大脑，这项技术有望减轻疲劳并提高未来神经外科手术的精准度。
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