基于振动声学传感的脊柱椎弓根钻孔过程中骨壁穿破自动检测
计算机视觉与模式识别
2023-03-28 v1
摘要
椎弓根钻孔是一项复杂且关键的脊柱外科手术任务。在导孔钻孔过程中检测手术器械对皮质骨壁的穿破（breach）或穿透，对于避免损伤椎弓根附近的重要解剖结构（如脊髓、血管和神经）至关重要。目前，椎弓根钻孔的引导采用图像引导方法，其辐射量大且局限于术前信息。本工作提出一种新型无辐射穿破检测算法，结合非视觉传感器设置与深度学习方法。多个振动声学传感器，如接触式麦克风、自由场麦克风、三轴加速度计、单轴加速度计和光学跟踪系统被集成至该设置中。数据收集自四具人类尸体脊柱，范围从 L5 到 T10。一名经验丰富的脊柱外科医生依靠光学导航进行椎弓根钻孔。本文引入一种基于跟踪数据的自动标注方法。标注后的数据随后以梅尔频谱图形式输入网络，将数据分类为穿破与非穿破。对不同传感器类型、传感器位置及其组合进行了评估。单个传感器在穿破召回率上的最佳结果可通过附着于背侧皮肤的接触式麦克风（85.8%）和夹持于被钻孔椎体棘突的单轴加速度计（81.0%）实现。性能最佳的数据融合模型结合了上述两种传感器，穿破召回率达 98%。所提方法展示了非视觉传感器融合在避免椎弓根钻孔过程中螺钉错位和意外骨穿破方面的巨大潜力，并可扩展至其他手术应用。
引用
@article{arxiv.2303.15114,
title = {Automatic breach detection during spine pedicle drilling based on vibroacoustic sensing},
author = {Aidana Massalimova and Maikel Timmermans and Nicola Cavalcanti and Daniel Suter and Matthias Seibold and Fabio Carrillo and Christoph J. Laux and Reto Sutter and Mazda Farshad and Kathleen Denis and Philipp Fürnstahl},
journal= {arXiv preprint arXiv:2303.15114},
year = {2023}
}