最近的手术:增强现实的发展回顾

文摘

介绍。开发增强现实设备允许医生将数据可视化诊断和治疗程序,提高工作效率,安全,成本和提高手术培训。然而,意识的增强现实的可能性通常是低。本文评估目前增强现实是否能提高手术的结果。方法。我们进行了回顾可用的文学约会从2010年到2016年11月通过搜索PubMed和斯高帕斯使用术语“增强现实”和“手术”。结果。最初的搜索了808项研究。删除重复的,只包括期刊文章后,总共有417项研究确定。通过阅读摘要,91年被选出的相关研究是包括在内。11日聚集在交叉引用的引用。总共有102个研究纳入本文。结论。目前的文献表明越来越感兴趣的关于使用增强现实技术在外科医生手术导致提高了手术的安全性和有效性。许多研究表明,新设计的增强现实系统的性能与传统技术。然而,几个问题需要解决在实现增强现实之前的常规做法。

1。介绍

第一个实验医学图像可以追溯到1895年,当w·c·伦琴发现x射线的存在。这标志着使用医学图像在临床实践的起点。超声(美国)的发展,计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和其他成像技术允许医生使用二维(2 d)医学图像和三维(3 d)重建的各种健康问题的诊断和治疗。医学技术的进一步发展提供了一个机会把解剖和功能(或生理)成像在先进的诊断程序,也就是说,功能性磁共振成像(fMRI)或单光子发射计算机断层扫描(SPECT / CT)。这些方法允许医生更好地了解解剖和功能方面的目标区域。

医学成像技术的最新发展关注实时信息的采集和数据可视化。提高实时数据的可访问性变得越来越重要,因为他们经常使用使更快和更可靠的诊断和治疗。在外科手术中尤其如此,实时访问2 d或3 d重建图像在一个正在进行的手术可以被证明是至关重要的。这种访问进一步加强了增强现实技术的引入(AR)——预计电脑(CG)的融合图像和真实的环境。

共生的工作能力与电脑拓宽视野的什么是可能的手术,作为基于“增大化现实”技术可以改变现实,我们在许多方面的经验。它提供了广泛的可能性,外科医生的挑战我们开发新技术基于“增大化现实”技术。在未来,基于“增大化现实”技术可以完全取代今天的许多项目需要执行一个成功的手术,也就是说,导航,显示器,显微镜,等等,所有在一个很小的可穿戴设备。然而,基于“增大化现实”技术的实现和它所可能提供的意识普遍较低,在当前状态,它并不能完全取代最历史悠久的手术方法。这项工作的主要目的是专注于快速发展的最新趋势增强现实技术和手术之间的联系。

2。方法

我们进行了回顾可用的文学约会从2010年到2016年11月通过搜索PubMed和斯高帕斯使用术语“增强现实”和“手术”。

最初的搜索了808项研究。删除重复的,只包括期刊文章后,总共有417项研究确定。通过阅读摘要,91年被选出的相关研究是包括在内。11日聚集在交叉引用的引用。总共有102个研究纳入本文。

3所示。结果与讨论

3.1。增强现实技术的基本原理

一个增强现实系统为外科医生提供了实时计算机处理图像数据通过专用的硬件和软件。基于“增大化现实”技术的游戏成为可能通过使用的投影显示器,投影仪、相机、追踪器,或其它专用设备。一个基本的基于“增大化现实”技术的主要原理系统呈现在图1。最基本的方法是添加一个CG图像在现实世界的图像被摄像机和显示这些电脑的结合,平板电脑,或者一个视频投影仪(1- - - - - -7]。以防不可能发起视频投影机在手术室,一个便携式视频投影设备设计(3,4]。基于“增大化现实”技术的主要优势是,外科医生看起来不是被迫远离手术部位而不是常见的可视化技术。

另一种可能性是使用一个特殊的头盔显示器(HMD),有时被称为“智能眼镜”)类似于眼镜。头部跟踪,他们使用特殊的投影机和深度摄像头玻璃显示CG图像,有效地创建增强现实的假象。几个AR系统与HMD已经开发成功(1,8]。使用头盔显示器是有益的几乎没有阻碍的外科医生的观点相比,传统的显示;没有必要移动显示,需要一个合适的视线之间的对齐显示和外科医生没有重音(9]。

目前,基于“增大化现实”技术的应用是有限的基本必要的术前医学图像的三维重建。可以创建这些重建利用商业或自制软件从医学数字成像和通信(DICOM)格式(7,10- - - - - -12]。重建的质量取决于输入数据的质量和重建系统的准确性。这样的重建可以用于虚拟勘探目标区域,提前规划一个有效的手术方法,对于更好的方向和导航手术领域。

显示的数据的类型和数量依赖于程序的需求和个人喜好的手术团队。AR是特别有用的可视化等关键结构主要血管,神经,或其他重要组织。时,将这些结构直接投射在病人,基于“增大化现实”技术可以提高安全性和减少所需的时间来完成这个过程。基于“增大化现实”技术的另一个有用的功能是控制显示对象的不透明度的能力(13,14]。HMDs最让佩戴者关掉所有显示图像,变得完全不透明,从而在紧急情况下消除任何可能的干扰。此外,可以利用语音识别创建语音指令,支持免提设备的控制。因为它允许医生在手术时,这尤其重要控制设备或打破无菌协议不需要援助。使用手势识别另一个有趣的选项,允许团队与硬件交互甚至在无菌空气中表面或通过身体动作6]。

3.2。监控最重要的领域

大多数手术目标变形结构,这在一个过程(即变化显著。期间,切除组织切除)。持续监控这个问题需要解决的最重要的领域,并实时显示3 d模型的变化。可以使用围手术期超声(15,16)、CT或MRI更新手术部位的模型。然而,所需的时间来捕捉和重建医学图像具有重要意义。利用CT (17(即)或其修改。,c臂cone-beam CT (18)使病人暴露在辐射中,因此只能在有限的次数。一个开放的围手术期成像MRI是一种可行的选择;然而,单一的手术需要平均40±9.4分钟的扫描和使用专业MRI-compatible仪器(19]。自动医学重建往往包含许多不同的结构,使定位困难,尤其是在腹部手术。在某些情况下,这是可以克服的方法提出的杉本et al。2]。在这个技术,介绍了二氧化碳进入胃肠道,pancreatico-biliary管与静脉注射造影剂,可以更好地显示这些个体结构(2]。重建的质量可能会改善在未来由于成像技术的发展,使更详细和精炼的图像。医学成像可能取代depth-sensing相机或摄像机在某些情况下;然而,这种方法不能检测结构表面下可能否定通过开发一个软件来预测组织行为通过测量力量应用于靶组织。然而,目前提出的所有解决方案需要进一步改善7,12,17,20.,21]。

3.3。增强现实教育与合作

增强现实技术被证明是一个有效的工具,培训和技能评估手术居民,其他医务人员或学生22- - - - - -26]。专业训练模拟器可以创建和使用提高外科医生的技能在各种场景中,以及客观地衡量他们的技术技能。这将是特别有利于学员居民和学生发展中直觉和适当的决策能力,否则可以仅通过长期临床实践。它允许不太可能场景的模拟,可以在有经验的外科医生的帮助下得到了解决。相比,虚拟现实(VR)模拟器,模拟整个参加CG环境中,基于“增大化现实”技术的游戏模拟器的主要优势是能够结合现实生活与CG图像对象,导致令人满意的触觉反馈,而不是虚拟现实。基于“增大化现实”技术也被报道增加基本外科训练的乐趣27]。

基于“增大化现实”技术使有经验的外科医生远程协助居民通过网络连接,因此优秀的遥远的教学开辟了道路。Shenai et al。28)创建的虚拟互动存在和增强现实(VIPAR)系统。通过不断监测和传输两个遥远的电台之间的手术部位的形象,它使远程虚拟协作两个外科医生(28]。这个概念有时被称为“网真。“戴维斯et al。29日)使用VIPAR系统为了让越南和美国之间的沟通。由于是由于传播的高分辨率图像,submillimetre实现精度,和平均237毫秒的延迟;外科医生被形容为有效(之间的交互29日]。

3.4。图像对齐方法

真实环境的精确对齐和CG图像是一个极其重要的方面需要考虑。最简单的方法是手动对齐两个图像(30.]。这种方法是缓慢而可能不精确,因此注册过程(术前的对齐图像与当前治疗的病人)需要不断弥补器官布局的变化,也就是说,在呼吸。的准确对齐图像是通过一组追踪器,用于确定相机的确切位置和病人的身体。这些追踪器通常跟踪基准标记放置在特定的表面结构,仍保持在手术期间(即。髂嵴,锁骨,等等),从而为系统提供点参考。

有几种类型的标记在文献中描述。许多作者使用一组光学标记和一个专用的相机来检测导航(15,31日- - - - - -36]。相机的位置和患者是由测量个人追踪器和标记之间的距离。一些研究报道使用一组红外标记(4,10,13,33,37- - - - - -40]。新方法提出了野生et al。41在腹腔镜手术)是用荧光标记。这些标记的主要优势是清晰可见即使在困难的条件下,能够留在病人手术后。然而,这需要一个内窥镜系统能够检测发射光(41]。Konishi等人提出了一个电磁跟踪系统配合腹腔镜手术的红外传感器(42]。磁跟踪的主要问题是造成的扭曲金属工具和设备,然而可以最小化通过使用一个特殊的校准技术(43]。被动的坐标测量臂(PCMA)方法承诺的可能性非常高的精度和导航没有直接的视线通过使用一个机械手臂距离测量(44]。注册的另一种方法是跟踪的腹腔镜相机和顺向自动对齐捕获视频的三维重建(45]。井上等人证明,使用简单的和负担得起的设备,例如一组常规网络摄像头和免费三维重建软件,可以用来创建一个登记制度从而描绘购买可能性等系统对所有医疗机构(10]。直接视线的必要性降低最大可能的器官变形、旋转以及跟踪工具的最大范围,根据具体的跟踪系统的配置。数量的增加可以使用跟踪标记跟踪失败的几率降到最低由于视线阻塞。有几种商用医疗基于“增大化现实”技术的跟踪系统,主要依靠红外或电磁跟踪46]。

随着技术进步在未来,可以实时追踪器官位置,而无需使用专用标记,使用各种方法分析最重要的领域。Hostettler等人使用一个实时预测模拟腹部器官的47],Haouchine登记等人设计了一个基于物理变形模型(48]。这些方法都是基于使用的计算能力来预测和可视化器官运动和变形。也可以使用一个RGB(红绿蓝)或登记不使用相机来执行范围标记(49,50]。另一方面,哈亚希等人描述自然的参考点跟踪点在病人的身体逐步削减船舶登记标记(50]。Kowalczuk等人创建了一个系统的实时3 d造型的手术部位,与精度在1.5毫米通过使用高清立体相机捕捉的图像和现场重建(51]。

另一种可能性是使用激光表面扫描技术,调整图像扫描大量的表面分不使用基准标记。而克里希南等人发现激光扫描的准确性是足够的(52),另一项研究通过Schicho et al。53]表明低精度与使用基准标记相比,总体偏差为3.0毫米和1.4毫米,分别。作者表明,精度可以使用数量的增加提高了跟踪表面点(53]。额外marker-less注册方法已经被李et al .,描述,作者结合cone-beam CT图像与一个3 d RGB图像足够的精度为2.58毫米;缺乏实时图像对齐然而仍然是一个问题(54]。所有基于成像技术被严重限制了直接的视线的必要性。由Nosrati等设计的新方法。55器官运动结合术前估计数据,术中颜色,视觉线索与血管脉动检测(也被Amir-Khalili et al。56]),导致一个健壮的系统不受常见障碍物(光反射,轻烟)。这种方法比传统技术精度提高了45%。然而,该方法不能实时计算,每个注册需要完成(大约10秒55]。

需要指出的是,所需的时间准备和校准的AR系统需要考虑程序的实现。陈训如et al。12)报道,几秒钟的延迟每一个标记注册。AR-related注册的总时间是8(6 - 10)分钟7,16]。的注册过程marker-less杉等所使用的系统。2)是在5分钟内完成。显示运动的延迟和更低的延迟是重要通常意味着一个更好的体验。

3.5。精度

三维重建成像的准确性和复杂性是至关重要的手术团队提供正确的数据。精确比较具体研究之间的精度是不可能由于变量条件和不同的方法测量精度。在5毫米光学系统特性精度在几项研究[8,10,15,18,35,37,44,57- - - - - -59为临床应用程序),这被认为是足够的。所需的精度大大不同的程序不同,应该单独决定。注册的PCMA方法相对位置代表所有提到的技术,最好的精度< 1毫米的整体精度(44]。吉野等人使用一个高分辨率核磁共振图像重建和光学跟踪系统,报告精度为2.9±1.9毫米在使用手术显微镜实验中一个幻影车型(31日]。两项研究报告使用录像放映机在幻影实验或实际的手术,结果与用电子显示,0.8 - -1.86毫米的精度(1,5]。Gavaghan等人提出了一种便携式投影装置精度为1.3毫米(3]。一些作者实现了< 2.7毫米的偏差在使用头盔显示器(8,40,60]。虽然精密电脑显示器之间的差异和一个头盔显示器不是统计学意义(40]。已经注意到,精度不依赖于医生的经验(8]。最大可以达到的精度进一步降低了由于困难给投影图像的3 d外观(1,31日)或给予正确的深度知觉(8,32,34]。的一个可能的解决方案是显示对象不同的透明度61年]或越来越黑暗的颜色。这可能进一步最小化利用运动视差,可以由跟踪外科医生头和修改相应的投影(62年]。

3.6。使用在临床实践中

增强现实技术可以有效地用于术前计划和完成的实际及时手术。术前3 d重建图像可以修改和准备显示在AR系统。通常,基于“增大化现实”技术用于单独裁剪首选切口和减少飞机1,36,58),套管针的最佳位置,63年)或一般改善安全通过显示的位置主要器官组件(7]。基于“增大化现实”技术的另一个好处是能够帮助外科医生在困难地形新辅助化疗或放疗后(64年]。基于“增大化现实”技术可用于设想和优化手术切除量(16]。在许多程序,AR-assisted手术与其他方法的援助,这些设备的使用取决于外科医生的偏好58]。

增强现实系统中最有用的器官手术很少运动和变形(即。,skull, brain, and pancreas) as the least amount of tracking and processing power is required whereas mobile organs, like the bowel, are significantly more complicated track and display. Considering these facts, the most frequently targeted areas in AR research are the head and brain [1,8,9,11,22,31日,34,36,59,61年,65年- - - - - -69年],骨科手术[4,37,60,70年- - - - - -77年),hepato-biliary系统[2,3,7,13,18,32),胰腺(13,14,35]。最重要的是,基于“增大化现实”技术可以弥补缺乏触觉反馈通常有经验的腹腔镜手术期间通过为外科医生提供视觉线索,提高手眼协调能力和方向,甚至在机器人手术(78年,79年]。许多研究提出使用增强现实技术在腹腔镜手术成功(7,33,38,51,64年,69年]。

外科手术已经成功地使用AR系统,因为头部和大脑运动的固有的局限性。据报道,基于“增大化现实”技术有重大影响在16.7%的神经与血管的手术(34),允许更高的病灶的精确定位和手术时间短相比,传统的二维方法(66年]。神经外科医生利益主要来自个体脑回的精确定位,血管,重要的神经束,走廊计划操作的可能性,例如,去除表面的肿瘤(10,66年),癫痫手术(65年),或在神经与血管的手术80年]。

基于“增大化现实”技术也被证明是有用的在骨科手术和重建,特别是因为它允许直接视图重建病人的身体之上,从而降低干扰引起的数量通过观察外部展示(37]。程序的列表成功利用AR范围从微创经皮手术创伤重建(74年),骨切除术,[截骨术73年,77年,81年),关节镜手术,柯式线位置(82年),关节置换,或肿瘤切除75年,76年]。经皮介入只需要一个表面插入点的指示器,可以显示的基于“增大化现实”技术(4]。荧光dual-laser-based系统被梁等。37)插入指导与令人满意的精度。然而,无法感知的深度插入部队使用额外的技术(37]。尽管如此,基于“增大化现实”技术的使用限制了辐射在透视和执行任务所需的时间(71年,72年)同时最小化不必要的出血的风险。又和Padoy使用基于“增大化现实”技术来创建一个用户友好的可视化散射辐射在一个微创手术70年),使测量和可视化的辐射。基于“增大化现实”技术可以改变创建骨科植入物的工作流,更换不同的模型的3 d打印(60]。也可以采用基于“增大化现实”技术在骨科机器人协助手术(81年]。

更难在腹部手术中使用基于“增大化现实”技术,随着数量的器官运动是至关重要的;然而,目前用于肝脏和胰腺手术,因为它允许更好的投影的船只(39)或肿瘤站点由于这些器官的比较静态特性。通过比较与术中超声重建数据,基于“增大化现实”技术可用于术中指导在肝切除术(83年]。它还可以帮助外科医生建立腹腔镜端口(13)或phrenotomy网站(84年]。同样,肾脏似乎适用于基于“增大化现实”技术的使用、穆勒等人提出来的肾镜取石术,在基于“增大化现实”技术是用于建立经皮肾访问(58]。提出了一个基于“增大化现实”技术的系统使用术前准确检测前哨淋巴结SPECT / CT扫描周围的淋巴结。这允许精确导航到前哨淋巴结和执行切除甚至在复杂地形85年]。使用徒手SPECT扫描辐射分布,重建的实时数据及其实现为基于“增大化现实”技术可以扩展概念(27]。基于“增大化现实”技术也被成功地应用在儿童脾切除术(33)和泌尿程序(86年]。提高精度的基于“增大化现实”技术的系统,他们甚至可以安全地使用在内分泌外科手术87年- - - - - -89年],改良手术[90年],眼科手术[91年),血管手术(92年,93年],或牙科移植学[60];然而,其确切作用在这种手术并不完全量化由于复杂结构(61年]。AR系统经导管主动脉瓣植入术已成功设计和使用Currie et al .,显示类似的精度与传统荧光镜的指导技术,因此避免即将到来的并发症对比剂管理(93年]。

基于“增大化现实”技术的使用在机器人手术迅速扩张,由于它能够轻松地将基于“增大化现实”技术的直接进入运营商的控制台,它允许外科医生更快和更好地识别重要的导航结构(7,94年]。重心投影可以显示单独或作为一个覆盖所需的实时视频的外科医生。几个作者成功地应用AR在机器人手术满意的结果,显示可能的角色机器人手术(基于“增大化现实”技术的未来趋势12,79年,95年]。

3.7。使用增强现实技术先进的图像融合

增强现实不能只显示CG图像但也可以显示图像通常不可见。少数的研究成功地结合光学图像与近红外荧光图像(96年- - - - - -99年]。这种技术可以用来增加精度为外科医生提供额外的数据需要考虑。使用这种技术,外科医生能够检测血管器官表面或下检测其他组织异常。Koreeda et al。One hundred.)提出了另一个有趣的概念。这里,基于“增大化现实”技术已经被用于可视化领域被手术器械在腹腔镜手术,使工具似乎看不见。这个系统还有助于有效地减少在缝合针出口点错误,而达到平均1.4毫米的准确性和可接受的延迟62.4毫秒(One hundred.]。

3.8。增强现实的问题

增强现实技术引入了许多新的可能性和外科科学增加了一个维度。外科医生可以使用额外的数据进行决策,提高安全性和有效性。技术进步允许基于“增大化现实”技术设备和提高精度和更低的延迟显示信息。尽管不断改进,有很多困难需要解决。目前,所有重建图像需要使用复杂的算法提前做好准备需要强大的计算机。然而,由于预期的技术的进步,高分辨率的实时采集医学扫描和三维重建是可能的。这样的重建手术领域的整体精度显著提高。尽管基于“增大化现实”技术可以加快手术,准备整个系统的必要性,使所需的注册和测量通常增加必要的时间来完成手术,时间取决于手术的类型和AR系统的复杂性。全自动系统的引入消除这个问题,减少所需的总时间完成。

完成一个过程所需的时间减少了在使用任何形式的基于“增大化现实”技术;然而,有一定的局限性。其中一个是无意视盲”(一个事件,外科医生并不认为一个意想不到的对象突然出现在他的视野),这是一个有关的问题,需要解决在使用3 d覆盖(101年]。的信息量通过AR在手术外科医生提出了增加和可能会分散注意力60]。因此,有必要只显示重要数据或提供一种方法来切换不同的信息需求。减少认知的方法提出的要求是汉森et al。102年]。通过优化个体结构的空间关系,减少造成的阻塞AR最低,和最大化的对比,外科医生可以减少视觉上的混乱在某些情况下(102年]。达到一个适当的图像对比在直接投影到器官也是必要的(13]。困难在正确创建一个3 d和深度知觉也依然存在。整个系统的延迟也担心因为过度延迟可能会降低精度和减少外科医生的安慰。康等人测量光学系统的延迟对腹腔镜手术(144±19毫秒15]。

当前使用的头盔显示器通常重量几百克,产生大量的热量;因此,长期穿着舒适是一个问题。这些需要解决在未来更好的符合人体工程学和允许长期连续使用。众所周知,虚拟和现实增强预测在模拟器HMDs产生疾病,提出的恶心、头痛、眩晕和呕吐在最糟糕的情况下。模拟器疾病背后的确切原因不明;然而,差异视觉、本体和前庭输入可能是如此。

4所示。结论

研究表明,AR系统正在成为与传统的导航技术,精度和安全足够的日常临床实践。将解决大多数问题目前面临进一步的医学和技术研究。增强现实似乎是一个强大的工具可能能够通过合理使用手术领域产生了革命性的影响。在未来,基于“增大化现实”技术可能会作为一个先进的人机界面,在共生与外科医生工作,使他们能够获得更好的结果。然而,进一步发展更需要获得最大的潜在的增强现实技术和成本效益。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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