論文の概要: EVD Surgical Guidance with Retro-Reflective Tool Tracking and Spatial Reconstruction using Head-Mounted Augmented Reality Device

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2306.15490v2
• Date: Mon, 3 Jul 2023 15:42:19 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-07-04 12:04:41.613049
• Title: EVD Surgical Guidance with Retro-Reflective Tool Tracking and Spatial Reconstruction using Head-Mounted Augmented Reality Device
• Title（参考訳）: 頭部拡張現実デバイスを用いた反射型ツール追跡と空間再構成によるEVD手術誘導
• Authors: Haowei Li, Wenqing Yan, Du Liu, Long Qian, Yuxing Yang, Yihao Liu, Zhe Zhao, Hui Ding, Guangzhi Wang
• Abstract要約: Augmented Reality (AR) は、外室ドレイン(EVD)手術の外科的指導を促進するために用いられている。 主な課題は、AR環境における術前画像と実際の患者解剖との空間的関係を正確に推定することである。 本研究では、市販のARヘッドマウントデバイス(HMD)に組み込まれた飛行時間(ToF)深度センサを正確なEVD手術指導に用いる新しいフレームワークを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 15.006386435500234
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Augmented Reality (AR) has been used to facilitate surgical guidance during External Ventricular Drain (EVD) surgery, reducing the risks of misplacement in manual operations. During this procedure, the key challenge is accurately estimating the spatial relationship between pre-operative images and actual patient anatomy in AR environment. This research proposes a novel framework utilizing Time of Flight (ToF) depth sensors integrated in commercially available AR Head Mounted Devices (HMD) for precise EVD surgical guidance. As previous studies have proven depth errors for ToF sensors, we first assessed their properties on AR-HMDs. Subsequently, a depth error model and patient-specific parameter identification method are introduced for accurate surface information. A tracking pipeline combining retro-reflective markers and point clouds is then proposed for accurate head tracking. The head surface is reconstructed using depth data for spatial registration, avoiding fixing tracking targets rigidly on the patient's skull. Firstly, $7.580\pm 1.488 mm$ depth value error was revealed on human skin, indicating the significance of depth correction. Our results showed that the error was reduced by over $85\%$ using proposed depth correction method on head phantoms in different materials. Meanwhile, the head surface reconstructed with corrected depth data achieved sub-millimetre accuracy. An experiment on sheep head revealed $0.79 mm$ reconstruction error. Furthermore, a user study was conducted for the performance in simulated EVD surgery, where five surgeons performed nine k-wire injections on a head phantom with virtual guidance. Results of this study revealed $2.09 \pm 0.16 mm$ translational accuracy and $2.97\pm 0.91$ degree orientational accuracy.
• Abstract（参考訳）: Augmented Reality (AR) は、外室ドレイン(EVD)手術の外科的指導を促進するために使われており、手動操作におけるずれのリスクを低減する。 この過程で重要な課題は、AR環境における術前画像と実際の患者解剖との空間的関係を正確に推定することである。 本研究では、市販のARヘッドマウントデバイス(HMD)に組み込まれた飛行時間(ToF)深度センサを正確なEVD手術指導に用いる新しいフレームワークを提案する。 tofセンサの奥行き誤差が過去の研究で証明されたので、ar-hmdでその特性を最初に評価した。 その後、正確な表面情報のために深度誤差モデルと患者固有のパラメータ同定法を導入する。 逆反射マーカーと点雲を組み合わせた追跡パイプラインが、正確なヘッドトラッキングのために提案される。 頭部は、深度データを用いて再構成され、患者の頭蓋骨に厳格に追跡対象を固定するのを避ける。 まず, 皮膚に7.580\pm 1.488 mm の深さ値誤差が認められ, 深さ補正の意義が示唆された。 以上の結果から, 頭部ファントムの深さ補正法を用いて, 誤差を85%以上低減した。 一方、修正深度データで再構成した頭部は、サブミリメートル精度を達成した。 羊の頭部実験で0.79mmの再構成誤差が確認された。 また,頭部ファントムに対して5人の外科医が9本のk線注射を行い,仮想指導を行った。 この研究の結果、2.09 \pm 0.16 mm$翻訳精度、2.97\pm 0.91$方向精度が明らかになった。

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