前言
近日，法国皮茜医疗公司的增强现实(AR)膝关节置换导航系统known获得ce认证，这是首个获准在全膝关节置换中使用AR的骨科导航系统。增强现实技术在手术导航中的应用在世界范围内蓬勃发展。增强现实辅助手术对术前规划、术中指导和术后康复具有重要意义。本文将对其基本概念、技术原理、市场情况、主要公司和代表性产品进行说明，并讨论其未来发展。
一、基本概念
1、增强现实（AR）
增强现实（AR）是将计算机处理后的虚拟模型图像叠加到现实场景中，对现实场景进行增强的一种技术。增强了人们对周围真实世界的感知，将模拟场景、物体及相关提示信息(如声音、视频、图形或GPS数据)融入到真实场景中，从而起到增强作用。增强现实技术的基础学科是计算机视觉。它使用监视器、照相机和传感器等工具将数字信息叠加到现实世界中。
2、手术导航系统
手术导航是将病人手术前或手术中的影像资料与病人解剖结构准确对应，在手术中跟踪器械并将其位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示的一种技术。导航使医生能够一目了然地看到仪器的位置，使手术更快、更准确、更安全。经过多年的发展，手术导航已经成为神经外科治疗的标准，并逐渐在其他领域普及。目前，在美国手术导航市场，每年进行578375例手术，预计到2025年将增加到718224例。在美国，手术导航最常用于神经外科，占病例总数的43.3%。全膝关节置换术(TKA)是欧洲最常见的手术。
二、技术原理
增强现实手术导航系统包括三个核心：虚拟图像或环境建模、虚拟环境与现实空间的配准、虚拟环境与现实环境相结合的显示技术。
1、虚拟图像或环境建模
增强现实系统利用计算机断层扫描或磁共振成像断层扫描和血管造影中解剖结构之间的颜色或纹理差异，在计算机中完成地下目标的三维重建。虚幻渲染或反现实技术可以提高可视化和深度感知。
2、虚拟环境和现实空间配准
配准可以通过多种手段完成，基于框架技术的三维笛卡尔坐标系可以确定成像设备的位置和姿态。
3、将虚拟环境和真实环境结合起来的显示技术
显示技术可大致分为头戴式显示器(HMD)、增强型外接显示器、增强型光学系统、增强型窗口显示和图像投影。HMD的应用不仅可以覆盖用户视觉下的真实世界中的虚拟环境(光学视角)，还可以覆盖真实环境中的视频源(视频视角)。增强型显示器是简单的独立屏幕，在真实世界的视频上显示虚拟内容。光学增强显示是指直接增强手术显微镜或双目观察镜的目镜。窗口增强显示是在手术部位正上方放置一个半透明的屏幕，允许虚拟物体直接显示在屏幕上真实物体的上方。虚拟环境可以用投影仪直接投射到患者身上。
三、市场情况
由于增强现实技术在医疗市场的增强现实（AR）应用增长强劲，预计复合年增长率高达33.36，市场价值从2018年的6.27亿美元预计将增长到2024年的34.97亿美元。,的广泛应用，从评估手术准备到微创手术和康复，医生都非常关注。此外，根据Research and Markets的数据，预计到2025年全球手术影像市场规模将达到17亿美元，预测期内复合年增长率为5.4%。增强现实(AR)在医疗保健领域的最新作用和集成正在增强手术体验。实时可视化平台的快速发展也带来了更好的手术治疗。此外，政府资金的增加、运动损伤患病率的增加以及老年人口的扩大，都是推动全球手术影像市场增长的因素。根据应用，市场细分为神经外科、骨科和创伤外科、心脏和血管外科、普通外科和其他外科。
四、主要公司和代表性产品
1、Pixee Medical公司的Knee+系统
皮茜医疗于2017年10月在法国成立。该公司旨在利用现有的先进计算机视觉和人工智能技术，创建一个高性能的计算机辅助手术解决方案，同时在充满挑战的医疗系统环境中保持低价格。膝关节最近获得了增强现实膝关节置换导航的CE认证。这是第一个在全膝关节置换术中使用增强现实的骨科导航系统。目前，美国食品和药物管理局正在寻求对该系统的510(k)批准。
安装在智能眼镜上的Knee+专利技术结合了专有的计算机视觉和深度学习算法，可以与现成的AR眼镜一起使用，在手术过程中跟踪仪器和植入物。's导航软件与一个小型管理信息系统结合在一起，该系统配有一个可以在高压灭菌器中消毒的标记。并且平衡尺寸和韧带的功能可以快速集成到产品中。作为体积庞大、价格昂贵的机器人系统的替代品，膝关节使用简单、经济有效，不需要术前DICOM或一次性设备。未来的应用可能会引入肩关节和髋关节手术。
2、Augmedics公司的XVision Spine系统
Augmedics是一家致力于外科治疗技术开发的公司，成立于2014年。第一个产品xvision-spine(XVS)系统是一个增强现实手术导航系统。借助XVS系统，外科医生可以实时看到手术工具在皮肤和组织下的位置和轨迹，并在患者体内导航，从而使手术更容易、更快、更安全。XVS使用获得专利的透视光学器件，以手术精度和出色的深度感知实时将3D图像以及轴向和矢状平面投影到外科医生的视网膜上。
XVS系统包括一个透明的近眼显示耳机，具有传统导航系统的所有元素。它实时准确地确定手术工具的位置，并将其叠加在患者的计算机断层扫描数据上。然后，使用透明的近眼显示耳机将导航数据投射到外科医生的视网膜上，使得外科医生可以在不将眼睛移动到远程屏幕的情况下观察患者并同时查看导航数据。在芝加哥拉什大学医学中心进行的一项研究中，发现XVision可以将外科医生的准确率提高到令人印象深刻的98.9%。整个系统的精度约为1.4 mm，满足美国FDA对小于2 mm的要求。
3、VOSTARS视频光学透视增强现实手术系统
沃斯塔斯是一个创新的行动项目，由地平线2020计划资助。欧洲科学家研发的增强现实(AR)手术护目镜，可以看到X射线图像和所有关键数据在3D中与解剖结构完美叠加，同时可以自由移动。VOSTARS视频光学透视增强现实手术系统将在外科医师的视野内方便地显示患者的麻醉数据、心率、体温、血压和呼吸频率等。手术的准确性将显著提高，手术时间将减少(每三小时手术可节省20分钟)，麻醉下的时间和任何手术的费用都将减少。该项目计划于2022年实现量产。
该系统结合了两种现有的增强现实技术：视频透视(VST)和光学透视(OST)。VST和OST都不适合对活着的病人进行手术。OST系统，如微软Hololens，使用半透明的镜子，通过将计算机生成的图像叠加在用户的视野上，为用户提供对自然环境的直接观察。VST的系统，如掩星裂谷，通过封闭的头戴式显示器(HMD)、立体摄像机和屏幕将用户淹没在虚拟世界中。
4、TrueVision3D Surgical系统
TrueVision 3D Surgical是数字3D可视化的全球领导者，是显微外科的风向标。TrueVision成立于2003年，总部位于美国加州圣巴巴拉，通过自主研发的数字3D可视化平台，帮助医生进行显微手术。公司开发的智能、实时、三维可视化手术及计算机辅助教学平台已获得专利。
该系统使外科医生能以3D方式录制手术过程并以流媒体方式进行手术视频直播，使之成为一个全新的教学工具。公司研发的三维引导在显微外科手术中的应用，可以提高手术效率和患者的治疗效果。该系统可用于显微外科、眼科、神经内科，可与各种应用平台集成，也可在部分平台与机器人手术集成。全球数百家主流医院和机构都在使用这一系统。
五、增强现实（AR）手术导航系统未来的发展探讨
增强现实在临床外科的应用跨越了计算机科学、计算机视觉、传感器、通信、临床医学、人机工程学等多个学科。我们可以从下面的增强现实(AR)辅助手术路线图中看到：未来追踪技术和图像处理将更偏向以深度学习为代表的智能技术，显示器和传感器将更偏向于与人体器官高度关联的技术，如视网膜显示器和人机共生技术。.
同时，增强现实辅助手术的发展也面临着挑战和障碍。例如，对于一些显示技术，将3D虚拟对象显示为真实世界的图像存在挑战。虚拟环境和真实环境之间的时间同步是所有AR系统面临的另一个挑战，尤其是快速的视角变化。在手术过程中，有些情况下，影像构图需要专业的电脑团队来执行；增强现实手术导航系统与相关设备和解决方案之间的兼容性和互操作性需要优化和提高。数据隐私问题等。
结语
医学导航是增强现实技术的重要应用之一。在图像引导手术时代，增强现实(AR)技术代表了将引导系统集成到手术工作流程中的下一个前沿。随着显示技术和交互技术的快速发展，增强现实技术将在现代外科手术室中发挥越来越重要的作用。
-结束-
作者王旭|编辑杨刘荣|排版Elsa-爆款文章推荐-
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