基于稀疏任意位真实X射线的术中三维重建：解剖学引导的放射影像标准化与高斯溅射框架IXGS的应用

《Scientific Reports》：Intraoperative 3D reconstruction from sparse arbitrarily posed real X-rays

本研究针对脊柱手术中依赖高辐射三维成像或存在配准误差的导航系统问题，开发了IXGS框架，通过解剖学引导的放射影像标准化（IST）结合R2-高斯溅射技术，实现了从稀疏（20-30视图）、任意位姿的真实术中X射线直接重建三维解剖结构。专家评估证实其临床可用性（最高评分4/4），虽定量指标（PSNR 25.73 dB/SSIM 0.79）低于理想合成数据，但突破了传统方法对预训练和固定轨迹的依赖，为低辐射、患者自适应的术中导航提供了新方案。

　　

在脊柱外科手术中，精准的导航系统是保障手术成功的关键。目前临床上主要依赖术前CT（Computed Tomography）配准或术中锥形束CT（Cone-Beam Computed Tomography, CBCT）成像进行引导。然而，前者存在配准误差大、操作依赖经验的问题；后者虽能直接获取三维信息，却需要180至1024次投影，导致患者辐射剂量显著增加（可达传统二维透视的2.8-9.96倍），且设备笨重、采集时间长。近年来，基于监督学习的稀疏视图三维重建方法（如X23D）显示出从少量X射线重建脊柱三维结构的潜力，但这类方法需要大量标注数据进行预训练，难以泛化到未见过的患者解剖或病理条件。此外，它们通常依赖规则圆形扫描轨迹，而真实手术中X射线的位姿往往是稀疏且任意的，这进一步限制了其临床适用性。

针对上述挑战，由Sascha Jecklin、Aidana Massalimova、Ruyi Zha等人组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Intraoperative 3D reconstruction from sparse arbitrarily posed real X-rays”的研究论文。他们提出了一种名为IXGS（Intraoperative X-ray Gaussian Splatting）的新型框架，将实例学习的高斯溅射（Gaussian Splatting）技术扩展到真实术中X射线场景，旨在实现无需预训练、患者自适应的三维重建。该研究的核心假设是：高斯溅射能否从稀疏二维X射线生成足够准确的三维可视化结果用于手术导航？以及需要最少多少张输入图像？为此，团队引入了关键的解剖学引导放射影像标准化步骤，通过风格迁移（Style Transfer）减少真实X射线中的噪声、亮度差异等不一致性，使其更贴合高斯溅射的简化物理模型。

研究方法上，作者首先利用六具离体人体标本构建了配对数据集，包括真实X射线（I_real）和由CT生成的数字重建放射影像（Digitally Reconstructed Radiographs, I_DRR），并通过标定获取精确的相机位姿。随后，采用Pix2Pix模型进行风格迁移，将真实X射线转换为标准化图像（I_ST）。预处理包括图像裁剪和体积归一化。重建阶段，基于R²-高斯溅射框架，从任意位姿的I_ST优化三维高斯核，最终转换为体密度图并后处理阈值化。评估分为两部分：由经验外科医生对三维体积进行定性评分（4分制），以及使用PSNR（Peak Signal-to-Noise Ratio）和SSIM（Structural Similarity Index Measure）定量比较合成视图与保留测试图像。

主要研究结果

三维体积重建质量评估

专家评分显示，使用I_ST作为输入时，重建质量随视图数量增加而提升。当输入图像达到20-30张时，多数标本的体积渲染和切片视图获得“可接受”（3分）至“非常好”（4分）的评分。值得注意的是，直接使用原始真实X射线（I_real）的重建结果质量较差，未纳入临床评估，凸显了风格迁移的必要性。

二维定量重建质量

在50视图条件下，不同输入类型的重建质量依次为：合成圆形数据（I_circ）最佳（PSNR 39.19 dB，SSIM 0.97），合成任意位姿I_DRR次之（29.45 dB，0.89），原始真实X射线（I_real）最差（23.22 dB，0.76）。而经风格迁移的I_ST重建结果（25.73 dB，0.79）显著优于I_real，部分弥合了域差距。视图数量实验表明，性能在20视图后提升趋缓。

讨论与结论

本研究证实了IXGS框架在真实术中条件下从稀疏任意位姿X射线进行三维重建的可行性。其核心贡献在于通过放射影像标准化（I_ST）有效缓解了真实影像与合成模型之间的域差距，使高斯溅射这一神经渲染技术能够稳定收敛。与需要大量预训练的监督学习方法（如X23D）相比，IXGS无需解剖学特定预训练，具备更好的患者适应性，但代价是需要更多输入视图（约20-30张）和更长的重建时间（平均13分33秒）。专家评估与定量指标之间的差异（如I_ST重建虽PSNR/SSIM不高但临床可用性良好）揭示了传统图像质量指标在评估医学图像任务效用方面的局限性，强调需结合临床实际进行评价。

研究也存在一定局限：重建时间较长，存在初始化导致的“云雾状”伪影，切片视图与解剖平面未完全对齐等。未来工作可聚焦于加速重建、提升对异常病例的鲁棒性、开发更贴合临床的评价指标，并最终集成到实时导航系统中。

总之，这项研究首次将高斯溅射成功应用于真实、任意位姿的术中X射线三维重建，通过创新的标准化流程实现了临床可用的解剖结构可视化，为降低脊柱手术辐射剂量、提高导航灵活性提供了重要技术路径。代码及测试数据已公开于https://github.com/MrMonk3y/IXGS。