[논문 리뷰] 3D Augmented Reality-Assisted CT-Guided Interventions: System Design and Preclinical Trial on an Abdominal Phantom using HoloLens 2

Brian Park, Stephen J. Hunt외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 19.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Microsoft HoloLens 2를 사용한 3차원 증강현실(AR) 보조 내시적 유도 시스템을 제안하여 CT 유도 생검의 정밀도를 향상시키며, 특히 평면 외 목표물에 대한 도움을 제공한다. 복부 페르포트에서의 전임상 시험에서 AR 유도는 평균 7.4회에서 3.4회로 54.2% 감소한 바늘 통과 수, 41.0% 감소한 방사선 선량, 비표적 병변에 대한 합병증이 완전히 제거되었으며, 모든 경험 수준의 의료진 간에 일관된 성능을 보였다.

ABSTRACT

Background: Out-of-plane lesions pose challenges for CT-guided interventions. Augmented reality (AR) headset devices have evolved and are readily capable to provide virtual 3D guidance to improve CT-guided targeting. Purpose: To describe the design of a three-dimensional (3D) AR-assisted navigation system using HoloLens 2 and evaluate its performance through CT-guided simulations. Materials and Methods: A prospective trial was performed assessing CT-guided needle targeting on an abdominal phantom with and without AR guidance. A total of 8 operators with varying clinical experience were enrolled and performed a total of 86 needle passes. Procedure efficiency, radiation dose, and complication rates were compared with and without AR guidance. Vector analysis of the first needle pass was also performed. Results: Average total number of needle passes to reach the target reduced from 7.4 passes without AR to 3.4 passes with AR (54.2% decrease, p=0.011). Average dose-length product (DLP) decreased from 538 mGy-cm without AR to 318 mGy-cm with AR (41.0% decrease, p=0.009). Complication rate of hitting a non-targeted lesion decreased from 11.9% without AR (7/59 needle passes) to 0% with AR (0/27 needle passes). First needle passes were more nearly aligned with the ideal target trajectory with AR versus without AR (4.6° vs 8.0° offset, respectively, p=0.018). Medical students, residents, and attendings all performed at the same level with AR guidance. Conclusions: 3D AR guidance can provide significant improvements in procedural efficiency and radiation dose savings for targeting challenging, out-of-plane lesions. AR guidance elevated the performance of all operators to the same level irrespective of prior clinical experience.

연구 동기 및 목표

• CT 유도 생검에서 평면 외 목표물에 대한 임상적 과제를 해결하기 위해.
• 실시간 수술 유도를 위한 HoloLens 2 기반 3차원 증강현실 내시적 유도 시스템을 설계하고 평가하기 위해.
• 다양한 경험 수준의 의료진 간에 수술 효율성, 방사선 선량, 정확도 향상 여부를 평가하기 위해.
• AR 유도가 의료 훈련생과 전문의 간 성능을 표준화할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• HoloLens 2를 통한 실시간 공간 추적 기술과 CT 영상 데이터를 통합한 3차원 AR 내시적 유도 시스템을 개발하였다.
• CT 영상와 AR 시각화를 정렬하기 위해 피드유얼 기반 정렬을 사용하여 가상의 3차원 바늘 유도 신호를 물리적 페르포트에 매핑하였다.
• HoloLens 2 헤드셋의 사용자 시야에 바늘 경로, 목표물, 궤도를 실시간으로 시각화할 수 있도록 하였다.
• 복부 페르포트에서 AR 보조 및 전통적 CT 유도 바늘 정렬을 비교하기 위해 전향적이고 이중盲검 시험을 실시하였다.
• 첫 번째 바늘 통과가 이상적인 궤도와 얼마나 정렬되어 있는지 정량화하기 위해 벡터 분석을 사용하였다.
• 수술 효율성(통과 수), 방사선 선량(DLP), 합병증 발생률(비표적 병변 타격 수)을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 AR 유도가 CT 유도 생검에서 목표에 도달하기 위한 바늘 통과 수를 줄일 수 있는가?
• RQ2 AR 유도가 CT 유도 수술 중 방사선 선량 노출을 유의적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 AR 유도가 평면 외 병변에 대해 특히 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 AR 유도가 비표적 구조물에 타격을 입히는 합병증 위험을 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 AR 유도가 다양한 임상 경험 수준의 의료진 간 성능을 동일하게 만들 수 있는가?

주요 결과

• AR 없이 평균 7.4회였던 바늘 통과 수가 AR 유도 시 3.4회로 54.2% 감소하였다(p = 0.011).
• AR 없이 평균 DLP 538 mGy-cm였던 것이 AR 유도 시 318 mGy-cm로 41.0% 감소하였다(p = 0.009).
• 비표적 병변 타격 합병증 발생률은 AR 없이 11.9% (59회 통과 중 7회)에서 AR 유도 시 0% (27회 통과 중 0회)로 감소하였다.
• 첫 번째 바늘 통과에서 AR 유도 시 이상 궤도와의 오차가 4.6°로, AR 없이 8.0°보다 유의적으로 줄어들었다(p = 0.018).
• 의과 학생, 인턴, 전문의 모두 AR 유도 시 유사한 성능 수준을 달성하여 성능 표준화가 이루어졌음을 시사하였다.
• 모든 지표에서 의료진의 경험 수준과 관계없이 일관된 향상이 관찰되었다.