基于曲率校正的视网膜OCT术前-术中配准新方法及其在机器人辅助玻璃体视网膜手术中的应用

《Scientific Reports》：Curvature-corrected retinal registration of diagnostic OCT with instrument-integrated OCT

本研究针对玻璃体视网膜手术中术前诊断OCT与术中器械集成OCT坐标系统不统一、光学畸变影响配准精度的难题，开发了一种创新的曲率校正配准管道。研究人员通过特征提取、球面拟合曲率校正、初始对齐和精细配准等步骤，在人工模型眼和离体猪眼实验中验证了该方法。结果显示，曲率校正后配准精度显著提升（人工眼标志物误差降至103μm），为机器人辅助视网膜手术提供了可靠的拓扑导航背景，实现了术前高分辨率影像信息与术中实时环境的有效融合。

　　

在精细如发的玻璃体视网膜手术领域，外科医生常需在显微镜下剥离薄如蝉翼的视网膜前膜(ERM)，这一操作对稳定性要求极高——手部微小震颤可能导致不可逆的视网膜损伤。尽管术前光学相干断层扫描(OCT)能清晰显示视网膜各层结构，但手术中，医生却面临“信息断层”：高分辨率的术前影像无法直接指导术中操作，而实时影像又受限于器械集成OCT(iiOCT)较低的分辨率，难以识别最佳膜剥离点。更棘手的是，眼球曲率、角膜和晶状体光学特性造成的图像畸变，使得将诊断级OCT数据用于机器人导航时，坐标系统难以精准匹配。

针对这一临床痛点，由卡尔蔡司公司牵头的国际研究团队在《Scientific Reports》上发表了创新性研究，提出了一套融合曲率校正的视网膜配准管道，成功桥接了术前诊断与术中操作的信息鸿沟。该研究通过机器人精准控制iiOCT探头扫描视网膜表面，获取真实曲率信息，进而校正诊断OCT的几何畸变，最终实现两种模态数据的高精度配准。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过分段提取内界膜(ILM)层生成点云；利用iiOCT测量数据拟合眼球球面模型，对诊断OCT进行曲率校正(CC)；基于黄斑中心凹和视神经头(ONH)标志进行初始对齐；最后采用迭代最近点(ICP)算法完成精细配准。实验样本包括具有真实解剖结构的Lankenau人工模型眼和保持闭眼状态的离体猪眼，通过工业机器人和专用GEYEDANCE手术机器人系统采集数据。

结果

曲率校正效果显著

在人工模型眼实验中，iiOCT测得的视网膜曲率半径为9.356mm，而诊断OCT原始数据曲率半径达20.6mm，经校正后降至9.373mm，误差仅0.017mm。离体猪眼实验中，校正将曲率半径从28.8mm优化至11.166mm，虽误差稍大(0.460mm)，但仍将畸变控制在亚毫米级。这表明基于球面拟合的校正方法能有效还原视网膜真实几何形态。

配准精度达到临床应用要求

配准后的人工眼标志物平均误差(MFME)最低为103μm，Chamfer距离(CD)降至54.7μm，相当于两个iiOCT扫描间距的精度水平。离体猪眼配准后MFME为320μm，CD为243μm。研究还比较了不同扫描轨迹(T1为10mm×10mm网格，T2为5mm×5mm网格)和点间距(S1-S3)的影响，发现即使减少数据量，配准性能仍保持稳定，为缩短术中采集时间提供了依据。

曲率校正提升配准鲁棒性

对比校正前后的距离分布直方图发现，校正后点云距离集中分布于150μm以内，而未校正数据分布分散。统计检验表明校正带来的精度提升具有高度显著性(p<10^-18)。特别是在周边区域，未校正配准出现明显间隙，而校正后点云贴合紧密。

非刚性配准方法对比

研究还测试了相干点漂移(CPD)非刚性配准算法，发现其难以有效校正曲率畸变：过大的相干参数(α=2)导致刚性过高，而过小参数(α=0.00005)又会产生不连续变形。优化参数下CPD配准误差仍高于本文提出的曲率校正刚性配准方法。

讨论与结论

该研究的核心创新在于利用iiOCT术中实时测量的精确几何信息，反向校正诊断OCT的固有畸变。这种思路避免了传统光学校正方法对眼球生物测量参数(如眼轴长度、角膜曲率)的依赖，提高了方法的实用性和鲁棒性。值得注意的是，离体猪眼实验精度低于人工眼，主要归因于闭眼状态下机器人远程运动中心(RCM)约束带来的误差、玻璃体对光信号的衰减以及组织死后变化等因素。

从临床适用性角度看，最耗时的环节是机器人采集iiOCT数据，全程需17分钟。但通过优化扫描轨迹(如聚焦黄斑和视神经头的小范围补丁扫描)，可大幅缩短至0.5分钟，使其更贴合手术流程。未来面临的挑战包括活体中视网膜因呼吸、心跳产生的运动(振幅10-20μm)，以及病理状况下的出血、 artifacts干扰等，需开发更先进的信号处理和运动补偿算法。

这项研究的意义在于首次实现了诊断OCT与iiOCT的高精度配准，为机器人辅助视网膜手术提供了至关重要的“地图-导航”集成系统。它不仅使术前规划的剥离点能精准映射到术中场景，还为后续开发自动化抓取、虚拟现实导航等高级辅助功能奠定了技术基础。随着硬件进步和算法优化，这种多模态配准方法有望成为智能眼科手术的标准配置，显著提升手术安全性和成功率。