[論文レビュー] Toward Accurate and Accessible Markerless Neuronavigation

Ziye Xie, Oded Schlesinger+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2026

Gaze Tracking and Assistive Technology被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、顔の priors を用いた RGB-D およびステレオ RGB カメラを用いたマーカーレス神経ナビゲーション手法を開発し、50名の被験者と比較して従来のマーカーベースシステムに対する中位差を約 2.0–2.3 mm、約 2°程度に達成した。

ABSTRACT

Neuronavigation is widely used in biomedical research and interventions to guide the precise placement of instruments around the head to support procedures such as transcranial magnetic stimulation. Traditional systems, however, rely on subject-mounted markers that require manual registration, may shift during procedures, and can cause discomfort. We introduce and evaluate markerless approaches that replace expensive hardware and physical markers with low-cost visible and infrared light cameras incorporating stereo and depth sensing combined with algorithmic modeling of the facial geometry. Validation with $50$ human subjects yielded a median tracking discrepancy of only $2.32$ mm and $2.01°$ for the best markerless algorithms compared to a conventional marker-based system, which indicates sufficient accuracy for transcranial magnetic stimulation and a substantial improvement over prior markerless results. The results suggest that integration of the data from the various camera sensors can improve the overall accuracy further. The proposed markerless neuronavigation methods can reduce setup cost and complexity, improve patient comfort, and expand access to neuronavigation in clinical and research settings.

研究の動機と目的

• 被験者取り付けマーカーを置換して神経ナビゲーションの不快感とワークフローの複雑さを低減する動機づけ。
• RGB-D およびステレオ RGB データを用いたマーカーレス頭部追跡パイプラインの開発と評価。
• 統計的頭部 priors を組み込み、頭部形状推定を規制して追跡の頑健性を向上。
• 多様な被験者コホートに対して、従来のマーカーベースの参照システムと複数のマーカーレス手法を比較。

提案手法

• 3つのマーカーレス追跡戦略を開発：モノクロRGB、ステレオ RGB、深度ベース追跡。
• MediaPipe を用いて468 の顔特徴点を検出し、追跡に適した堅牢なサブセットを選択。
• モノクロ・ステレオ環境で PnP による SE(3) 最適化として頭部 pose 推定を定式化。
• 深度ベース追跡では被験者固有の顔テンプレートを構築し、 Chamfer 距離で整合を取る。
• すべての手法を、Complete head representation を作成する 3D 形状変形頭部モデルを適合させる Personalized Head Model (PHM) で強化。
• 被験者 50 名のコホートにおいて標準の NDI Polaris Vicra システムと照合して検証・比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マーカーレス頭部追跡は従来のマーカーベース神経ナビゲーションと同等の臨床的に関連する精度を達成できるか？
• RQ2 マーカーレス頭部 pose 推定においてモノクロ、ステレオ、および深度データはどのように比較されるか？
• RQ3 個別化された頭部 priors を組み込むと追跡の頑健性と精度は改善されるか？
• RQ4 さまざまな頭部運動とポーズがマーカーレス追跡性能に与える影響は？
• RQ5 標準化条件下での既存のマーカーレス手法（MarLe）と比較して、マーカーレス追跡はどの程度の利得があるか？

主な発見

• 従来のマーカーベースシステムと比較して、マーカーレス法の翻訳誤差/回転誤差の中央値は約 2.0–2.3 mm および約 2.0–2.0°に達した。
• PHM の有無を問わず、ステレオ RGB はモノクロ RGB 手法および深度のみ追跡よりも大幅に優れていた。
• 深度ベース追跡は PHM と組み合わせると頑健に機能し、低 RMSD と比較的低い故障率を達成した。
• マーカーレス法は以前のマーカーレス手法（MarLe）よりも顕著な精度向上を示し、設置コストと複雑さを低減する可能性を示した。
• 50名の参加者を対象とした総合評価により、多様な顔特徴に対する一般化可能性が示された。