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術(shù)中模型校準(zhǔn)與可視化引導(dǎo)系統(tǒng)

隨著外科手術(shù)創(chuàng)口的減小，保持和擴(kuò)大醫(yī)生的手術(shù)視野變得尤為重要。以脊柱外科為例，以往的手術(shù)需要大切口，醫(yī)生可以直接看到并觸摸到患者脊柱。近年來，隨著微創(chuàng)手術(shù)中切口變小，醫(yī)生的視野受到限制，所以急需術(shù)中可視化引導(dǎo)系統(tǒng)輔助對患者的觀察。

在手術(shù)過程中，病人的體位和病灶附近的解剖結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，僅依靠術(shù)前重建的三維模型進(jìn)行判斷會(huì)引入較大的偏差，需要在術(shù)中對三維模型進(jìn)行校準(zhǔn)和對手術(shù)軌跡進(jìn)行更新。根據(jù)術(shù)中X線和超聲影像，與術(shù)前三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)，可更新術(shù)區(qū)的解剖結(jié)構(gòu)并隨患者體位移動(dòng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可將虛擬影像疊加至客觀世界，被越來越多的應(yīng)用于手術(shù)可視化引導(dǎo)中?？蓪⑿g(shù)區(qū)三維模型和規(guī)劃的手術(shù)路徑通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)投射至醫(yī)生視野中，顯示當(dāng)前位置與規(guī)劃路徑的偏差，輔助引導(dǎo)醫(yī)生操作。同時(shí)，也可將手術(shù)的各項(xiàng)重要指標(biāo)顯示于醫(yī)生視野中，方便監(jiān)控手術(shù)狀態(tài)，避免反復(fù)查看設(shè)備。

（一）圖像配準(zhǔn)（Image Registration）

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是對一幅醫(yī)學(xué)影像尋找一種空間變化，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖像上的對應(yīng)點(diǎn)達(dá)到空間上的一致，最終使兩幅圖像上的所有關(guān)鍵點(diǎn)都達(dá)到匹配。這也是尋找在不同時(shí)間或不同條件下拍攝的兩幅圖像間的映射關(guān)系的過程，映射關(guān)系通常表現(xiàn)為一系列空間變換，例如剛體變換、仿射變換、投影變換和非線性變換等。

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)可分為單模（Monomodality）和多模（Multimodality）兩類，前者的待配準(zhǔn)圖像來自于同一種成像設(shè)備，而后者是來源于不同成像設(shè)備。對患者進(jìn)行自身圖像配準(zhǔn)，可以監(jiān)視疾病發(fā)展和治療過程；而和不同人和疾病的典型圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，是病癥確診的重要參考。

圖像配準(zhǔn)的主要方法包括：點(diǎn)法、曲線法、表面法、矩和主軸法、相關(guān)法、最大互信息配準(zhǔn)法、圖譜法、非線性變換技術(shù)等。

（二）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝像機(jī)影像的位置及角度并疊加相應(yīng)圖像和視頻的技術(shù)，可在真實(shí)的三維空間定位疊加虛擬物體并具備交互性。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要可分為三類：

顯示器式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。攝像機(jī)拍攝的真實(shí)世界圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，與虛擬景象合成，并輸出到顯示器屏幕，用戶從屏幕上看到最終的增強(qiáng)場景圖片。較頭戴式顯示器（Head-mounted displays，HMD）沉浸感較差。

光學(xué)透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。使用光學(xué)穿透式頭戴顯示器（Optical See-through HMD），用戶可穿過顯示器直接看到真實(shí)場景，虛擬場景則直接輸出至顯示器，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，沉浸感較好。

視頻透視式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。使用視頻穿透式頭戴顯示器（Video See-through HMD），真實(shí)場景通過攝像頭捕獲，并輸出至顯示器與虛擬場景疊加，沉浸感較好。