虚拟动点OptiTrack空间定位结合动捕技术，助力首例增强现实手术完成

众所周知,脊柱是位于背侧的支撑性中轴骨骼,可以支撑躯干、保护内脏、保护脊髓并支持人体运动,是全身最主要也是最重要的骨骼。

脊柱出现问题时,传统脊柱手术形式多为大创面、大开口进行脊柱修正,但手术操作风险以及给患者带来的痛苦很大,术后恢复期较长,“如何降低脊柱手术风险、为患者减轻痛苦”也早已成为医学学术界相关领域中热议的话题。

20世纪90年代末我国微创手术起步,这种手术方式的出现虽减少了脊柱手术的软组织相关并发症,但由于是借助手术显微镜或内窥镜等进行引导操作,难度提高,所以所带来的其他风险也更高。

全球首例通过光学空间定位和增强现实技术的手术,是由一家名为Holosurgical的数字外科手术公司完成的。最新的技术手段帮助外科医生缩短了手术时间,有效减少软组织的发病率,并且显著的优化了颅骨和脊柱神经外科手术过程。

计算机可扫描识别病人皮肤下的3D内部骨骼,并通过OptiTrack空间定位技术追踪骨骼和医生的3D眼镜,将内部骨骼在手术部位上方的屏幕中显示出来,使医生手术视野内的骨骼情况实时且立体。

应用过程与技术原理

超现实手术中,计算机可通过X光技术透过皮肉组织扫描病人内部骨骼,并将骨骼3D图像实时呈现在病人手术部位上方的显示屏镜中。医生佩戴好3D眼镜后,骨骼的呈现变得立体且有空间感,在透明显示屏镜中所处位置与病人实际骨骼位置相同,做到虚拟图像在实际空间中完全与病人真实骨骼覆盖,从而便于医生进行实时手术操作。

得益于OptiTrack空间定位技术,显示屏镜中的虚拟骨骼可以和病人真实骨骼精准地重合,同时手术器械、显示设备等也被实时定位,实现了虚拟与现实的统一。

手术过程中,医生头戴的3D眼镜上附有标记点(Markers),随着医生头部的转动或移动,这些标记点被OptiTrack红外摄像机捕捉,随即进行3D重建运算并输出被标记目标的空间姿态信息,在计算机控制系统中则反映出医生视线角度的变化,使得医生偏头、换角度观看显示屏镜中的骨骼时,能够得到实时的、不同角度的真实观感呈现。

这套外科手术引导系统在微创手术的基础上增加了增强现实与人工智能技术,不仅可以减少软组织和肌肉损伤、降低术中血液流失、缩小术后感染等风险,而且还通过OptiTrack空间定位技术为医生操作提供了巨大便捷。大尺寸显示屏和立体化呈现方式使医生仿若真实看见病人骨骼整体架构。在此基础上,实时分析还能够有效引导医生的手术动作,减少人为操作失误概率,进一步降低手术风险。

总体来说,这种技术对小创面骨科手术成果进行了大幅提升,同时也省去了因无法看见骨骼全貌导致的复杂手术过程。外科手术医生Rafal Pankowski博士在接受采访时频频称赞增强现实为该类骨骼手术带来的便利。

此外博士还提到自动骨骼分类和标色系统的实用性,医生可以选择在手术过程中仅观察需要看到的东西、隐藏阻碍视线的东西,例如通过透视工具,医生可以选择只看手术部位工具与相关骨骼组织的互动情况,简化了手术视野,提升了效率。

光学空间定位和增强现实技术的手术指导系统使微创手术发生了革命性的变化,这是世界上第一个使用光学空间定位和增强现实技术的手术指导系统,也是OptiTrack空间定位技术在医疗领域创新发展中的又一次落地。