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活动 | 徕卡AR技术亮相太原神经外科会—将不可能变为可能

发布日期: 2018-09-28
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 前  言 

太原,2017年9月9日:中华医学会神经外科学分会第十七次学术会议胜利闭幕。徕卡显微系统(简称“徕卡”)携全球手术显微镜M530 OHX与即将上市的AR荧光(增强现实荧光技术MFL800)亮相此会议。

 

众多参会者对即将上市的AR荧光表现出极大的关注,成为血管荧光突破性新技术的见证者,共同见证“AR荧光”将不可能变成可能。AR荧光好地弥补了手术显微镜传统成像及观察方式的缺陷,是目前市场上可实现“实时可视”的白光血管造影,搭载徕卡M530系列显微镜,为您提供脑血管病的全新解决方案。

 

那下面就随小编来了解徕卡可视化平台—AR荧光在神经外科手术中的应用前景

 

MFL800增强现实(AR)荧光

 

在血管神经外科手术中,手术显微镜用于放大、提供明亮的手术视野。虽然显微镜的图像质量和光学放大效果令外科医生受益匪浅,但目前其局限性促使外科医生必须依靠他们的色彩敏锐度辨别不同的组织类型。挑战之一是同时对组织结构和血流动态进行实时的观察和评估。目前已开发出的荧光技术,比如近红外(NIR)成像方法与吲哚菁绿(ICG)造影剂相结合,通过实现高对比度血流可视化为外科医生提供了辅助手段。但是,这些技术也有局限,尤其是不能同时观察血流和解剖结构细节,而且仅仅生成黑白图像。

 

Leica推出的可视化新技术MFL800增强现实(AR)荧光利用了荧光与ICG结合所产生的高对比度,克服了之前技术的许多局限性,它可以提供血流和解剖结构的实时、多光谱颜色图像,因此帮助外科医生更加自信地开展和评估手术治疗。

 

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图1:MLF800功能下的颅内血管动脉瘤荧光视图。

 

当前血管内血流的可视化:

我们为何需要这一步

NIR荧光与ICG结合的应用,如Leica FL800血管荧光造影模块,已经帮助神经外科医生挽救了无数的生命。但是,由于传统ICG血管荧光造影是将不可见光通过红外摄像头拍摄呈现在显示屏上,并且只能是在显示屏上进行呈现出黑白荧光图像;而清晰的白光解剖图像此时只能通过显微镜的目镜进行观察。

 

外科医生需要分别观看不同的成像模式,记录每种模式下观察到的有用特征,然后在大脑中将这些信息融合在一起,生成被观察组织和血流的复合“图像”。这项操作必须在开展治疗(比如动脉瘤夹闭术)前完成。

 

图2:动脉瘤夹闭术夹闭前图像,外科医生开展手术治疗之前必须脑补合并后的图像内容(FL800NIR荧光和白光)

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NIR荧光图像

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白光图像

 

这项任务造成外科医生时间和精力过度消耗的问题,而且由于难以记住黑白NIR荧光图像的所有空间特征,荧光图像的一些细节可能被忽略掉。即使夹闭后问题仍然存在。

 

图3:动脉瘤夹闭术夹闭后图像,外科医生评估手术治疗之前必须脑补合并后的图像内容(FL800NIR荧光和白光)。

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NIR荧光图像

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白光图像

 

使用NIR荧光问题更加复杂,因为荧光只产生微弱的信号,而且其测量受到显微镜工作距离和放大倍数强烈影响。外科医生只能比较一幅图像中的荧光强度,无法在不同病变位置之间进行比较。

 

Leica凭借MFL800增强现实AR荧光 技术,已经着手解决外科显微镜手术中遇到的这一重大难题。

 

MFL800增强现实AR荧光模块

用于外科手术的优点

MFL800是来自Leica GLOW AR平台的个产品,是一个克服上述局限性、增强操作体验效果的新增强现实产品。它将吲哚菁绿(ICG)NIR荧光信号叠加到白光图像上并合并成一张图片。拥有了这项功能,外科医生可以在同一时间对单幅图像中的ICG荧光和白光信息一目了然 —— 医生可以评估实时的血流和解剖结构。

 

MFL800增强现实AR荧光模块

工作原理

Leica GLOW AR 平台应用新的多光谱成像技术,该技术允许在白光或荧光模式下不同光谱带中同时捕捉多个图像。这项技术采用光谱多路复用技术实现白光和荧光照明,这样一来,混合的白光和荧光激发光照射到组织上,与此同时,多光谱成像传感器利用先进的过滤技术消除不同光谱带之间可能存在的任何干扰。

 

具体而言,在MFL800增强现实AR荧光模块中,白光成像照明包含波长约为400~700 nm的可见光和波长约为700~790 nm的近红外光ICG荧光激发光。所有波长超过790 nm的光都被过滤掉,以免它们干扰荧光发射信号。MFL800多光谱传感器使用滤光片实现四个光谱带的单独测量:白光图像重建中涉及的红光、绿光和蓝光以及ICG荧光可视化中波长为835~880 nm的NIR发射光。 GLOW AR软件对可见光和非可见NIR视频流进行了合并。用户可以看到手术部位的高清视频,其中同时显示荧光信号和白光解剖信息。

 

以下谱图(图4)显示人眼可见和不可见的光波长。非可见光范围内的荧光团经激发后,人眼可透过MFL800模块功能“看见”它们。

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图4:MFL800光谱:绿色曲线表示可见光(400~700 nm)

 

荧光激发

790 nm

荧光信号

835 nm

表1

MFL800增强现实AR荧光模块使用视频处理单元(VPU)采集、处理和显示摄像头(内置于显微镜光学头)拍下的两个视频流数据。这种图像处理提供如下关键功能。

 

将黑白荧光图像白光化处理

NIR荧光的标准图像只有黑白两种颜色,但MFL800用户可以根据个人喜好选择7种不同的颜色(见下图5和表2)以观察白光荧光信号。

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图5:可视化荧光颜色概览

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表2

 

亮度均化

为了克服手术显微镜系统亮度分布的不均匀性,传入的每一帧都使用均化处理,该处理系统基于显微镜设置(工作距离、放大倍数、光圈、照明)进行像素级分区,使测量亮度归一化,如下图6所示。系统使用与每个图像成比例的补偿系数。通过亮度均化,可以补偿偏重中央区域的照明效果。均化值范围为0%(无)~100%(大)。

 

图6:非均化图像和均化图像。非均化图像亮度不均匀,一些区域较暗,尤其是视野外侧。在均化图像中,全部区域亮度均匀,荧光信息在整个视野中更加稳定。

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非均化图像 

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均化图像 

 

此外,为了补偿手术部位到两个传感器芯片之间光路的任何差异,荧光图像在均化处理前进行旋转、平移和缩放变换。运行时应用双线性插值,从周围像素推导非整数原点坐标处的荧光强度。

 

强度比例调节

所获图像的亮度随工作距离和放大倍数的增大以及光强度的减弱而减小。为了补偿该减小值,对荧光图像使用比例系数。

 

强度相对于物体细节调节荧光对比度、亮度和透明度。强度值范围为0%(刚好看见荧光/组织结构占主导地位)~100%(荧光可见度高,占主导地位)。

 

临床实践

通过使用Leica M530手术显微镜,MFL800增强现实AR荧光模块使用户能够应用NIR荧光评估多光谱全色血流。激活MFL800模式时,徕卡显微镜的白光照明扩展到近红外激发药物(ICG)荧光,被过滤的(ICG)NIR荧光信号经由NIR敏感型摄像机采集,并在MFL800 VPU中处理。

 

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图7:图1中的动脉瘤夹闭后的视图。血流和解剖结构颜色鲜明,外科医生可以更好地评估夹闭后的动脉瘤夹和血流。

 

MFL800增强现实AR荧光提供两种不同的观察模式:传统荧光黑白图像和AR图像同时并列显示视图,或者仅黑白荧光视图。在两种观察模式中,都可以通过徕卡手术显微镜视频显示器或显微镜目镜(需配置Leica CaptiView图像投射模块)观察荧光信号。

 

MFL800模块使用增强现实算法实现高水平同步效果,确保颜色自然并完全融入图像中,无需考虑观察工具——2D屏幕、3D1屏幕或显微镜目镜(需配置CaptiView模块)。这些算法还确保不出现异步运动或延迟。

 

MFL800模块的这些功能使其成为外科医生的有用工具,他们可以同时观察血流和解剖组织。

 

图8:动脉瘤夹闭前。

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NIR荧光

相对应的“白光”

相对应的MFL800

 

 

图9:动脉瘤夹闭后。

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NIR荧光

 

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相对应的“白光”

 

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相对应的MFL800

 

 

GLOW AR平台及未来应用

GLOW AR是一个新的增强现实平台,是构成MFL800增强现实荧光模块的基础。它通过同时获得白光和荧光信号,使所有工作流相关信息均可在单一增强现实视图中显示,从而提供新的外科可视化成像体验。

 

如果没有荧光信号,观察到的组织为自然白光图像;荧光出现后,观察到明亮的荧光图像,与组织的自然色调形成对比。专用的算法,加上使用直观的组织发光效果显示荧光强度,可确保组织解剖结构忠实呈现。并可同时使用不同的颜色观察到多个荧光信号,无需切换模式或其他用户干预。

 

此外,GLOW AR平台提供荧光强度的可视化,而且这与照明和成像光学元件的工作距离、放大倍数及不均匀性无关。这种度使得外科医生可以比较不同成像位置、手术甚至患者之间的荧光效果。

 

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图10:GLOW AR平台:未来应用

 

MFL800模块也可与GLOW400兼容,经相关监管部门批准后,可以通过升级提供GLOW400功能。

 

其它AR应用技术正在开发中,敬请期待!

 

 

 

关于徕卡显微系统Leica Microsystems

 

徕卡显微系统是全球显微科技与分析科学仪器之领导厂商,总部位于德国维兹拉(Wetzlar, Germany)。主要提供显微结构与纳米结构分析领域的研究级显微镜等专业科学仪器。自公司十九世纪成立以来,徕卡以其对光学成像的追求和不断进取的创新精神始终得到业界广泛认可。徕卡在复合显微镜、体视显微镜、数码显微系统、激光共聚焦扫描显微系统、电子显微镜样品制备和医疗手术显微技术等多个显微光学领域处于全球地位。

 

徕卡显微系统在全球有七大产品研发与生产基地,在二十多个国家拥有服务支持中心。徕卡在全球一百多个国家设有区域分公司或销售分支机构,并建有遍及全球的完善经销商服务网络体系。

 

 

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