西安交通大学梁利斌老师特邀综述“微创介入中智能化光学辅助技术与激光消融治疗的研究进展”，被选为《中国激光》生物医学光子学专题刊亮点文章。

 

原文链接：梁利斌，李亮，高婷婷，王广志，丁辉，万明习，张镇西. 微创介入中智能化光学辅助技术与激光消融治疗的研究进展[J]. 中国激光，2023，50(15): 1507201

 

一、背景介绍

 

微创介入是一种“不开刀的手术”，通过微小的创伤，就能使得很多复杂病症得到有效的治疗，近年来在临床中得到广泛应用。通常，微创介入技术利用腔镜、针状设备或导丝，经皮穿刺或经自然腔道（血管、气管等）到达病灶，结合物理切除、热损伤、放射等手段进行治疗；但由于手术过程采用小切口、并需尽可能减少对正常组织的损伤，限制了医生的手术视野以及操作空间。

 

影像引导是微创介入过程中医生的“第三只眼”，可在术中为医生提供辅助信息。但传统影像引导包括CT、MRI、超声和X射线透视在手术信息获取与呈现方面仍存在以下问题：1）无法提供立体视觉；2）操作者注意力需要频繁在屏幕和手术位置之间切换，存在手眼协调问题；3）难以实时、连续、准确地追踪病灶和手术工具的相对位置。因此，手术效果高度依赖医生的经验和空间想象力。此外，现有微创介入手术在治疗形式（如机械切除、热疗或放射治疗）或术中治疗状态监测方面也存在限制，难以精确控制治疗范围。

 

光学技术作为一种兼具能量属性和信息属性的手段，近年来被广泛应用于生物医学领域，同时也为解决上述问题提供了新方案。增强现实（AR）技术可以将手术场景与虚拟影像融合呈现给医生，提供新的术中信息可视化方案；光学追踪与感知技术可以提供定量空间信息，用于定位病灶组织或手术工具，为精准的手术操作奠定基础；此外，激光能量集中且空间指向性好，激光消融技术可通过细长光纤灵活地将激光传递至病灶，并配合术中MRI温度监测，实现更加精准的治疗效果。在人工智能发展的背景下，本文关注光学辅助技术与激光消融治疗的发展，从AR辅助技术、光学追踪与感知技术和激光消融治疗三个方向进行综述。

 

二、关键技术进展

 

1. 微创介入中的AR辅助技术

AR辅助技术为微创介入提供了新的信息可视化方式，常见的包括三大类，如图1所示。

图1 应用于微创介入的三种典型AR类型。（a）基于显示器的AR；（b）基于投影的AR；（c）基于光学透视的AR

 

基于显示器的AR原理是采用相机记录手术场景的光学信息，并在计算机中将实际影像与虚拟影像进行融合，最后进行透明度以及色彩调节，通过显示器输出融合的光学信息。基于投影的AR原理是通过设计光路将虚拟影像直接投射至实际场景的物体表面，达到视觉增强的效果。基于光学透视的AR设备通常包括图像源器件和显示光学系统。传统的显示光学系统关键部件为半透半反镜，图像源器件将虚拟影像投射到镜子上，投射光路经反射与入射的实际场景光路叠加，实现虚拟与现实融合的效果。三种AR临床应用如图2所示。三种AR技术在实际使用中各有优缺点，见表1。

 

图2 AR 辅助微创介入的临床研究示例。（a）基于显示器的AR引导胸腹腔镜手术示意；（b）C形臂X射线机的原位投影增强系统以及投影增强示意；（c）机器人-投影仪-相机系统及其投影AR功能；（d）HoloLens 引导下的椎弓根骨钉植入实验示意；（e）HoloLens 引导下的脑室外导流示意

 

表1 不同AR技术的优缺点

 

总体而言，头戴式的光学透视AR技术是目前发展的趋势和热点。“智能化”与AR辅助技术结合是重要的发展方向，使得增强现实中的配准和交互更加智能、准确与高效。一方面，结构光、深度相机等新的光学设备为术中表面获取提供了便利，在此基础上，基于深度学习、物理模拟的形变配准算法展现出潜力，使得配准更加便捷、准确和实时。其次，与AR设备的交互是其临床推广需要面对的重要问题，现阶段的发展趋势是结合多元信息的感知以及人工智能技术。新技术应用将使得增强现实在交互方面更加智能，能够理解人的操作，降低操作者的使用负担。

 

2. 微创介入中的光学追踪与感知技术

 

微创手术中患者病灶多位于体内深部，治疗过程通常在皮下进行，医生难以直接观察，因此需对解剖结构与手术器械进行定位追踪和感知。相关技术包括：光学追踪技术、光纤布拉格光栅（FBG）技术、光学成像技术以及基于光学的3D表面重建的技术。

 

光学追踪系统是手术导航设备的核心部分，主要利用了光的直线传播原理，一般由双（多）目相机、追踪标记和控制器组成，如图3（a）所示。在完成工具标定与空间配准后，光学追踪系统可以实时获取工具与手术对象的空间位置关系，相当于医生手术的GPS。随着微创介入手术的日益普及，手术导航有了更多智能性的需求，这要求光学追踪系统不仅能精准获得位姿，还能感知更多手术场景信息，如NDI公司最新的 Polaris Vega® VT光学追踪系统不仅可以追踪定位，还可以进行实时视频捕捉。

 

FBG是一类光纤传感器，具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、易于分布式布置的优点，可以实现形变、应力、温度、振动等各类信号的测量。FBG纤芯内部有周期性分布的光栅，对入射光的波长具有选择作用。当宽带光源进入光纤中时，只有特定波长的光信号会反射，在反射谱上呈现波峰。当等距的光纤光栅受外力、温度等能量作用时，光栅间距会发生改变，从而引起反射波峰的偏移通过对偏移量的分析可以确定光栅部位的物理信息变化，如图3（c）所示。随着柔性器械在微创介入中应用的深入，FBG成为微创医疗传感领域关注的热点，在器械-组织间的力传感、组织温度传感、器械形变传感等方面均有巨大的应用潜力。

 

图3 （a）典型的光追踪系统；（b）应用在机器人手术导航中的光学追踪系统；（c）光纤布拉格光栅测量应力与温度的原理

 

光学成像技术和基于光学的3D表面重建技术在感知组织形态方面具有重要作用。比如，3D表面重建技术广泛应用于腹腔镜手术中，用于感知组织的表面几何信息。各类光学成像技术，则可以获取组织表层以及的图像，用于引导手术，比如光学相干断层成像（OCT）、光声成像（PAT）和共聚焦成像等。近年来，人工智能技术进一步推动了光学追踪与感知领域的发展，一些传统的难题正在被逐渐攻克，比如光学追踪的空间配准和遮挡问题，3D表面重建问题以及三维图像分割与识别等。

 

3. 微创介入中的激光消融技术

 

激光消融治疗原理是细长光纤经皮或经自然腔道植入到病灶，激光由光纤传导作用于组织，组织升温使得蛋白质变性、组织凝结，进而达到治疗目的。现有的激光消融设备中，光纤外部均加有透明导管，用于降低光密度，防止过热；同时引入了冷却机制，如图4（a）所示。通常，激光作用于组织有多种效应如光化作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除、光致破裂。其中，热相互作用的临床应用最为典型，可用于神经外科、以及各类肿瘤治疗。激光消融配合实时MR温度监测，可以完成脑部肿瘤的精准微创治疗，是神经外科领域的重要技术进展，如图4（b）所示。此外，激光消融也适用于血管病变的治疗，尤其是血栓溶栓，如图4（c）所示。

 

 

图4（a）激光消融光纤的结构；（b）脑部激光消融结合MR温度监测的示意图；（c）激光消融溶栓的示意图

 

三、总结与展望

 

在人工智能快速发展的背景下，光学辅助技术与激光消融技术为精准微创介入手术注入了新的活力。AR技术提供了全新的可视化方式，提升了医生的操作自信；光学追踪与感知技术使手术变得更加智能和精准；激光消融也展现了在肿瘤精准治疗方面的优势。当前，相关研究不断涌现，我们有理由相信，随着光学辅助技术与激光消融技术的不断发展，未来的微创介入手术将更加智能、精准和个性化。

 

通信作者简介

 

 

梁利斌，西安交通大学助理教授，硕士生导师，主要从事计算机辅助手术，手术导航，个性化手术规划与模拟等方面的研究工作，探索基于医学影像的微创手术智能辅助技术。曾在IEEE Transactions on medical imaging以及医学图像处理顶会MICCAI上发表论文。目前承担国家自然青年科学基金项目、博士后基金、浙江省自然科学基金等多个项目。

 

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