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前 言
太原，2017年9月9日：中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)外科學(xué)分會第十七次學(xué)術(shù)會議勝利閉幕。徠卡顯微系統(tǒng)（簡稱“徠卡”）攜手術(shù)顯微鏡M530 OHX與即將上市的AR熒光（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)熒光技術(shù)MFL800）亮相此會議。
眾多參會者對即將上市的AR熒光表現(xiàn)出極大的關(guān)注，成為血管熒光突破性新技術(shù)的見證者，共同見證“AR熒光”將不可能變成可能。AR熒光好地彌補(bǔ)了手術(shù)顯微鏡傳統(tǒng)成像及觀察方式的缺陷，是目前市場上可實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)可視”的白光血管造影，搭載徠卡M530系列顯微鏡，為您提供腦血管病的全新解決方案。
那下面就隨小編來了解徠卡可視化平臺—AR熒光在神經(jīng)外科手術(shù)中的應(yīng)用前景。
MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）熒光
在血管神經(jīng)外科手術(shù)中，手術(shù)顯微鏡用于放大、提供明亮的手術(shù)視野。雖然顯微鏡的圖像質(zhì)量和光學(xué)放大效果令外科醫(yī)生受益匪淺，但目前其局限性促使外科醫(yī)生必須依靠他們的色彩敏銳度辨別不同的組織類型。挑戰(zhàn)之一是同時(shí)對組織結(jié)構(gòu)和血流動態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察和評估。目前已開發(fā)出的熒光技術(shù)，比如近紅外（NIR）成像方法與吲哚菁綠（ICG）造影劑相結(jié)合，通過實(shí)現(xiàn)高對比度血流可視化為外科醫(yī)生提供了輔助手段。但是，這些技術(shù)也有局限，尤其是不能同時(shí)觀察血流和解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而且僅僅生成黑白圖像。
Leica推出的可視化新技術(shù)MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）熒光利用了熒光與ICG結(jié)合所產(chǎn)生的高對比度，克服了之前技術(shù)的許多局限性，它可以提供血流和解剖結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、多光譜顏色圖像，因此幫助外科醫(yī)生更加自信地開展和評估手術(shù)治療。
圖1：MLF800功能下的顱內(nèi)血管動脈瘤熒光視圖。
當(dāng)前血管內(nèi)血流的可視化：
我們?yōu)楹涡枰@一步
NIR熒光與ICG結(jié)合的應(yīng)用，如Leica FL800血管熒光造影模塊，已經(jīng)幫助神經(jīng)外科醫(yī)生挽救了無數(shù)的生命。但是，由于傳統(tǒng)ICG血管熒光造影是將不可見光通過紅外攝像頭拍攝呈現(xiàn)在顯示屏上，并且只能是在顯示屏上進(jìn)行呈現(xiàn)出黑白熒光圖像；而清晰的白光解剖圖像此時(shí)只能通過顯微鏡的目鏡進(jìn)行觀察。
外科醫(yī)生需要分別觀看不同的成像模式，記錄每種模式下觀察到的有用特征，然后在大腦中將這些信息融合在一起，生成被觀察組織和血流的復(fù)合“圖像”。這項(xiàng)操作必須在開展治療（比如動脈瘤夾閉術(shù)）前完成。
圖2：動脈瘤夾閉術(shù)夾閉前圖像，外科醫(yī)生開展手術(shù)治療之前必須腦補(bǔ)合并后的圖像內(nèi)容（FL800NIR熒光和白光）
NIR熒光圖像
白光圖像
這項(xiàng)任務(wù)造成外科醫(yī)生時(shí)間和精力過度消耗的問題，而且由于難以記住黑白NIR熒光圖像的所有空間特征，熒光圖像的一些細(xì)節(jié)可能被忽略掉。即使夾閉后問題仍然存在。
圖3：動脈瘤夾閉術(shù)夾閉后圖像，外科醫(yī)生評估手術(shù)治療之前必須腦補(bǔ)合并后的圖像內(nèi)容（FL800NIR熒光和白光）。
NIR熒光圖像
白光圖像
使用NIR熒光問題更加復(fù)雜，因?yàn)闊晒庵划a(chǎn)生微弱的信號，而且其測量受到顯微鏡工作距離和放大倍數(shù)強(qiáng)烈影響。外科醫(yī)生只能比較一幅圖像中的熒光強(qiáng)度，無法在不同病變位置之間進(jìn)行比較。
Leica憑借MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光 技術(shù)，已經(jīng)著手解決外科顯微鏡手術(shù)中遇到的這一重大難題。
MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光模塊
用于外科手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
MFL800是來自Leica GLOW AR平臺的個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)克服上述局限性、增強(qiáng)操作體驗(yàn)效果的新增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。它將吲哚菁綠（ICG）NIR熒光信號疊加到白光圖像上并合并成一張圖片。擁有了這項(xiàng)功能，外科醫(yī)生可以在同一時(shí)間對單幅圖像中的ICG熒光和白光信息一目了然 —— 醫(yī)生可以評估實(shí)時(shí)的血流和解剖結(jié)構(gòu)。
MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光模塊
工作原理
Leica GLOW AR 平臺應(yīng)用新的多光譜成像技術(shù)，該技術(shù)允許在白光或熒光模式下不同光譜帶中同時(shí)捕捉多個(gè)圖像。這項(xiàng)技術(shù)采用光譜多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)白光和熒光照明，這樣一來，混合的白光和熒光激發(fā)光照射到組織上，與此同時(shí)，多光譜成像傳感器利用先進(jìn)的過濾技術(shù)消除不同光譜帶之間可能存在的任何干擾。
具體而言，在MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光模塊中，白光成像照明包含波長約為400～700 nm的可見光和波長約為700～790 nm的近紅外光ICG熒光激發(fā)光。所有波長超過790 nm的光都被過濾掉，以免它們干擾熒光發(fā)射信號。MFL800多光譜傳感器使用濾光片實(shí)現(xiàn)四個(gè)光譜帶的單獨(dú)測量：白光圖像重建中涉及的紅光、綠光和藍(lán)光以及ICG熒光可視化中波長為835～880 nm的NIR發(fā)射光。 GLOW AR軟件對可見光和非可見NIR視頻流進(jìn)行了合并。用戶可以看到手術(shù)部位的高清視頻，其中同時(shí)顯示熒光信號和白光解剖信息。
以下譜圖（圖4）顯示人眼可見和不可見的光波長。非可見光范圍內(nèi)的熒光團(tuán)經(jīng)激發(fā)后，人眼可透過MFL800模塊功能“看見”它們。
圖4：MFL800光譜：綠色曲線表示可見光（400～700 nm）
熒光激發(fā)
790 nm
熒光信號
835 nm
表1
MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光模塊使用視頻處理單元（VPU）采集、處理和顯示攝像頭（內(nèi)置于顯微鏡光學(xué)頭）拍下的兩個(gè)視頻流數(shù)據(jù)。這種圖像處理提供如下關(guān)鍵功能。
將黑白熒光圖像白光化處理
NIR熒光的標(biāo)準(zhǔn)圖像只有黑白兩種顏色，但MFL800用戶可以根據(jù)個(gè)人喜好選擇7種不同的顏色（見下圖5和表2）以觀察白光熒光信號。
圖5：可視化熒光顏色概覽
表2
亮度均化
為了克服手術(shù)顯微鏡系統(tǒng)亮度分布的不均勻性，傳入的每一幀都使用均化處理，該處理系統(tǒng)基于顯微鏡設(shè)置（工作距離、放大倍數(shù)、光圈、照明）進(jìn)行像素級分區(qū)，使測量亮度歸一化，如下圖6所示。系統(tǒng)使用與每個(gè)圖像成比例的補(bǔ)償系數(shù)。通過亮度均化，可以補(bǔ)償偏重中央?yún)^(qū)域的照明效果。均化值范圍為0%（無）～100%（大）。
圖6：非均化圖像和均化圖像。非均化圖像亮度不均勻，一些區(qū)域較暗，尤其是視野外側(cè)。在均化圖像中，全部區(qū)域亮度均勻，熒光信息在整個(gè)視野中更加穩(wěn)定。
非均化圖像
均化圖像
此外，為了補(bǔ)償手術(shù)部位到兩個(gè)傳感器芯片之間光路的任何差異，熒光圖像在均化處理前進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移和縮放變換。運(yùn)行時(shí)應(yīng)用雙線性插值，從周圍像素推導(dǎo)非整數(shù)原點(diǎn)坐標(biāo)處的熒光強(qiáng)度。
強(qiáng)度比例調(diào)節(jié)
所獲圖像的亮度隨工作距離和放大倍數(shù)的增大以及光強(qiáng)度的減弱而減小。為了補(bǔ)償該減小值，對熒光圖像使用比例系數(shù)。
強(qiáng)度相對于物體細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)熒光對比度、亮度和透明度。強(qiáng)度值范圍為0%（剛好看見熒光/組織結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位）～100%（熒光可見度高，占主導(dǎo)地位）。
臨床實(shí)踐
通過使用Leica M530手術(shù)顯微鏡，MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光模塊使用戶能夠應(yīng)用NIR熒光評估多光譜全色血流。激活MFL800模式時(shí)，徠卡顯微鏡的白光照明擴(kuò)展到近紅外激發(fā)藥物（ICG）熒光，被過濾的（ICG）NIR熒光信號經(jīng)由NIR敏感型攝像機(jī)采集，并在MFL800 VPU中處理。
圖7：圖1中的動脈瘤夾閉后的視圖。血流和解剖結(jié)構(gòu)顏色鮮明，外科醫(yī)生可以更好地評估夾閉后的動脈瘤夾和血流。
MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR熒光提供兩種不同的觀察模式：傳統(tǒng)熒光黑白圖像和AR圖像同時(shí)并列顯示視圖，或者僅黑白熒光視圖。在兩種觀察模式中，都可以通過徠卡手術(shù)顯微鏡視頻顯示器或顯微鏡目鏡（需配置Leica CaptiView圖像投射模塊）觀察熒光信號。
MFL800模塊使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)算法實(shí)現(xiàn)高水平同步效果，確保顏色自然并*融入圖像中，無需考慮觀察工具——2D屏幕、3D1屏幕或顯微鏡目鏡（需配置CaptiView模塊）。這些算法還確保不出現(xiàn)異步運(yùn)動或延遲。
MFL800模塊的這些功能使其成為外科醫(yī)生的有用工具，他們可以同時(shí)觀察血流和解剖組織。
圖8：動脈瘤夾閉前。
NIR熒光
相對應(yīng)的“白光”
相對應(yīng)的MFL800
圖9：動脈瘤夾閉后。
NIR熒光
相對應(yīng)的“白光”
相對應(yīng)的MFL800
GLOW AR平臺及未來應(yīng)用
GLOW AR是一個(gè)新的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺，是構(gòu)成MFL800增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)熒光模塊的基礎(chǔ)。它通過同時(shí)獲得白光和熒光信號，使所有工作流相關(guān)信息均可在單一增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視圖中顯示，從而提供新的外科可視化成像體驗(yàn)。
如果沒有熒光信號，觀察到的組織為自然白光圖像；熒光出現(xiàn)后，觀察到明亮的熒光圖像，與組織的自然色調(diào)形成對比。專用的算法，加上使用直觀的組織發(fā)光效果顯示熒光強(qiáng)度，可確保組織解剖結(jié)構(gòu)忠實(shí)呈現(xiàn)。并可同時(shí)使用不同的顏色觀察到多個(gè)熒光信號，無需切換模式或其他用戶干預(yù)。
此外，GLOW AR平臺提供熒光強(qiáng)度的可視化，而且這與照明和成像光學(xué)元件的工作距離、放大倍數(shù)及不均勻性無關(guān)。這種度使得外科醫(yī)生可以比較不同成像位置、手術(shù)甚至患者之間的熒光效果。
圖10：GLOW AR平臺：未來應(yīng)用
MFL800模塊也可與GLOW400兼容，經(jīng)相關(guān)監(jiān)管部門批準(zhǔn)后，可以通過升級提供GLOW400功能。
其它AR應(yīng)用技術(shù)正在開發(fā)中，敬請期待！
關(guān)于徠卡顯微系統(tǒng)Leica Microsystems
徠卡顯微系統(tǒng)是顯微科技與分析科學(xué)儀器之，總部位于德國維茲拉(Wetzlar, Germany)。主要提供顯微結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的研究級顯微鏡等專業(yè)科學(xué)儀器。自公司十九世紀(jì)成立以來，徠卡以其對光學(xué)成像的追求和不斷進(jìn)取的創(chuàng)新精神始終得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。徠卡在復(fù)合顯微鏡、體視顯微鏡、數(shù)碼顯微系統(tǒng)、激光共聚焦掃描顯微系統(tǒng)、電子顯微鏡樣品制備和醫(yī)療手術(shù)顯微技術(shù)等多個(gè)顯微光學(xué)領(lǐng)域處于地位。
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