在过去20年中，图像引导手术已被用于多种外科学科，主要用于定位不能直接观察的表面下目标。目前的导航系统需要外科医生将患者二维（2D）图像，例如计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）主观转化为三维（3D）解剖结构，或在计算机中渲染为患者的3D解剖结构，在观察显示器的同时进行手术操作。

增强现实（AR）系统实现了虚拟领域和物理领域的统一，它把计算机生成的2D或3D图像叠加在用户可视的真实世界。这与虚拟现实（VR）有本质差别，虚拟现实是指户完全沉浸在计算机生成的虚拟环境中，可以应用于模拟练习，但在手术室中就显得有些不切实际。简单来说，AR补充和整合了单纯靠依赖虚拟现实的传统手术导航的概念，它是用更多的虚拟内容丰富现实的过程，某种程度上代表着下一个能应用手术室的重要技术。

1.手术AR系统

手术AR系统包括三个核心部件：

①虚拟图像或环境必须建模。当代AR系统利用源自CT或MRI断层成像中解剖结构之间的颜色或纹理区别以及全脑血管造影，在计算机中完成表面下目标的3D重建。非真实渲染或“反转现实”技术可以改善可视化和深度感知。现代AR设备比早期系统在使用更具灵活性，可以根据需要随时去除虚拟图像。

②AR系统的第二个必要条件是虚拟环境和现实空间配准（registration）。配准技术对于AR系统至关重要，因为我们的感知系统对视觉失准更敏感。配准可以通过多种手段完成，基于帧技术的三维笛卡尔坐标系统（Cartesian system），可以确定成像设备的位置和姿态，同时还允许虚拟环境在现实观察位置变与现实空间已知解剖标志进行配准。

③AR系统的最终需求是将虚拟环境和真实环境结合起来显示技术。显示技术广义上可以分为头戴式显示（HMD），增强型外部显视器，增强型光学系统，增强型窗口显示和图像投影。

运用HMD既可以将虚拟环境覆盖于用户视野下的真实世界（光学透视），又可以覆盖到真实环境的视频源中（视频透视）。增强显示器是简单的独立屏幕将虚拟内容显示在源于真实世界的视频上。光学增强显示是指直接增强手术显微镜或双筒观察镜的目镜。窗口增强显示是一种新兴技术，它将一块半透明的屏幕直接放置在手术部位上方，允许在现实物体上方屏幕直接显示虚拟对象。虚拟环境可以用投影机直接投射到患者身上。

2.AR在神经外科的应用

AR用基于现实的虚拟内容丰富现实内容，有助于诊断及辅助制定手术计划，对病变准确定位和最大化切除病灶有很大帮助。随着AR不断发展，其在神经外科中应用有广泛前景。我们回顾AR在神经外科的应用，并探索AR在本领域面临的挑战。

2.1AR在神经肿瘤手术中的应用：在神经肿瘤手术中，AR主要应用于神经胶质瘤和脑膜瘤的开颅手术。对于大多数研究，是运用基准标记点或解剖标志把重建肿瘤的体积图用AR设备重叠到体模或患者身上的。而手术过程中神经外科医生总是试图切除包含肿瘤的最小的脑组织。Edwards等和Kockro等认为在巨大肿瘤手术中AR系统在优化皮肤切口、最小化开颅骨瓣的手术初始阶段具有优势。Gildenberg等的大样本研究中，使用AR设备在不增加手术时间的同时，与无AR手术相比还可以减少ICU入住时间和平均住院天数。而在打开硬膜切除凸面、矢状窦旁和廉旁脑膜瘤时，Low等的研究中通过AR设备观察到肿瘤下面的引流静脉，避免其损伤。但目前大部分AR设备与传统神经导航系统一样，仍无法考虑手术中的脑移位，一旦大量的肿瘤或脑脊液被移除，这可能是术中重合误差的重要来源。

Reinertsen等在相关研究中运用三维超声计算出脑移位后的即时变化，并在术中做出校正。而Drouin等则将术中超声校准技术与AR设备进行整合为IBIS平台，并且经过体模及手术验证，使该系统在可以迅速进入手术室进行各类手术。随着智能手机的普及，Hou等利用iPhone辅助的AR定位方案在技术有助于幕上病变定位。

2.2AR在神经血管手术中的应用：在神经血管手术中，外科医生使用显微镜可以放大感兴趣的区域。然而，显微镜对可见表面下方血管的形态学结构和位置不提供任何信息。AR应用于神经血管手术时，可以将虚拟对象（例如血管的术前图像）与真实世界（例如手术视野）合并，允许术者更好地理解可见表面下血管的形态结构、位置及血管的类型（动脉或静脉）。这种以研究立体增强显微镜的可视化类型可以帮助临床决策，减少手术的时间，并且可以增加手术的精确度。

现已经提出了几个应用于神经血管手术的AR系统，例如Cabrilo等描述了唯一用于神经导航的商用AR系统———Zeiss Pentero 900神经外科显微镜，以及Kersten-Oertel等描述的IGNS系统，并研究了可能给予大脑血管相对深度感知的单视觉深度线索，开发了将虚拟血管与真实场景的图像结合的可视化技术，使得血管似乎位于可见表面下方；Drouin等则在研究中报道了IBIS系统，该系统可以结合术中超声解决了脑移位后的配准问题，并且可以优化手术流程。

其中，在动脉瘤夹闭的一系列手术中，对那些需要非常规径路、暴露有限以及有隐藏分支的动脉瘤来说，AR系统是最有用的。Cabrilo等研究中28例（39个动脉瘤）患者接受了AR手术，其中66.7%动脉瘤可以改善暴露，与没有AR对照组相比，AR引导的手术在术中动脉瘤夹矫正率或3个月的患者功能结局上无差异。AR在动静脉畸形（AVM）切除中的作用可能更为有限，在Cabrilo等关于AVM的研究中，AR用于5例接受AVM手术的患者，由于AVM血管构筑的复杂性，供血动脉辨认不能用现有系统来解决，特别是术前已破裂、周围有出血的情况。有人认为将血流动力学信息添加到AR视图中可以使AR在这种类型的手术中更有用。

Kersten-Oertel等认为尽管在深部供血动脉中使用手动识别的标记物，但AR设备在识别供血动脉的深度方面仍然存在的问题。Drouin等的研究表明，AR可视化（空间透视，色度差，锐化等）可能有助于术者规划开颅手术，区分动静脉和真实静脉（通过在AR视图中使用不同颜色编码），并确定最佳边界来切除目标。对于颅外-颅内旁路手术，AR覆盖物使识别皮肤表面上的供体血管更容易，便于皮肤切口和血管的获取，可以优化皮肤切口、最小化开颅骨瓣。AR引导优于手动脉冲触诊，可与多普勒超声或术中DSA引导的供体血管识别相媲美。

3.AR面临的挑战

尽管AR将多个3D影像形式覆盖到重要工作区域非常有用，但仍面临诸多挑战。首先，针对某些显示技术将3D虚拟对象显示成真实世界的图像时存在挑战。视频透视系统的配准误差主要由相机校准误差、图像失真和物象－患者重合误差组成。光学透视系统需要跟踪头部和眼睛的移动，在不同的角度上实现物理和虚拟内容的同步，因而引入额外的误差。图像投影技术和AR窗口将2D光投影到3D表面上时，由于表面高度弯曲，使得投影变得不精确。

其次，虚拟环境和真实环境的时间同步是所有AR系统的另一个挑战，特别是快速透视变化。这一点在光学透视系统中表现得最为明显，在这种情况下，即使虚拟图像与现实环境重新重合时有轻微的延时效应，但是位置的变换仍然会对外科医生造成视觉上的刺激。

最后，尽管AR中的图像融合有提供多个可视化3D数据集的优势，但无关信息可能会扰乱正在进行手术的医生。对于“无意视盲”的现象，有人建议使用网状结构和“反转现实”覆盖技术，有助于减少手术中潜在的“无意视盲”。因此，AR系统仍需做许多工作才能提高效率，简化工作流程，尽量减少外科医生的分心和视觉疲劳。

4.结语

在图像引导手术时代，AR代表了将引导系统融合到手术工作流程中的下一个前沿。神经外科作为最依赖于先进成像技术的手术学科之一，常规采用AR设备仍然存在挑战，但是，随着显示技术和交互技术的快速发展，在现代神经外科手术室中，AR的作用越来越大。