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文/VR陀螺 豌豆
医学成像早先被用于辅助指导传统的手术导航系统，为了给外科医生提供参考信息，传统的手术可视化系统使用超声波、磁共振成像（MRI）或患者术前计算机断层扫描（CT）和其他医学成像技术。
脊柱导航手术台（图源：网络）
以骨科手术为例，外科医生需要在手术过程中将相关2D图像和3D空间结合起来进行对比，有时难以定位较为隐蔽的病灶，导致术前获得的信息与术中信息不完全匹配。
图源：Vuzix
近些年，手术可视化系统得到普遍应用，而基于AR的手术导航系统开始被用于手术室，这项技术可以实时提供患者的清晰3D数字化图像，以辅助术中导航和操作。
XR技术供应商Vuzix针对美国506名外科专业医生进行调查，该报告显示，高达25%的外科医生已经采用了AR设备，并将其无缝融入到手术流程中；31%的受访对象表达了积极的态度，正在考虑使用AR设备。此外，有19%的外科医生之前曾尝试过AR技术，证明了其功效及其益处。外科逐渐关注并开始将AR技术应用到手术领域。
让外科医生拥有“X射线视力”
Augmedics成立于以色列，现总部位于美国芝加哥，自2014年成立以来，长期以来收到多家投资机构关注，并完成多轮融资。前段时间该公司宣布完成8250万美元（折合人民币近约6亿）的D轮融资，这笔最新的投资使Augmedics的融资总额达到1.436亿美元，但并未披露估值。
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Augmedics融资情况（图源：VR陀螺整理）
Augmedics首款产品“xvision Spine System”（XVS）是一种AR手术导航系统，包含AR头显及配套软件，使外科医生在复杂的手术过程中可以像拥有“X射线视觉”一样实时观察患者的3D解剖结构图像，并在脊柱手术期间准确导航器械和植入物。
人类脊柱示意图（图源：网络）
Augmedics xvision在真正落地到手术应用之前，曾通过5例尸体标本进行实验研究，由3名从未使用过xvision或其他AR设备的专业脊柱外科医生进行操作，从T6到L5总共置入120个椎弓根螺钉，术后由两名神经放射科医生根据Gertzbein量表（GS）和Heary-Gertzbein量表（HGS）进行评估分级，并与文献中报告的手动操作、手动计算机导航和机器人辅助计算机导航的置入准确性进行比较。
结果显示，AR系统实现的总体螺钉放置精度基于HGS为96.7%，基于GS为94.6%。AR辅助椎弓根螺钉置入是一种技术上可行且准确的置入方法。
xvision系统于2019年获FDA批准后，第二年便展开落地应用。后来有更多美国外科医生开始使用xvision系统。据悉xvision目前已累计在美国21个州治疗了4000多名患者，并植入了20000多个椎弓根螺钉。Augmedics表示xvision在多项患者研究中证明椎弓根螺钉放置的准确性为97-100%。
该公司表示，将利用本次融资的资金扩大其在美国的影响力，使xvision技术得以大规模采用。据悉，Augmedics在新一轮融资完成后，还计划收购Surgalign数字健康资产，以加深医疗领域的AR/AI产品融合，为AR脊柱手术领域的发展进一步铺平道路。
XVS系统及其操作
搭载高速处理器，可实现无缝视觉追踪的xvision头显（图源：Augmedics）
据了解，即便采用标准的手术可视化方法进行脊柱手术，也可能会出现螺钉定位不准确；螺钉错位导致患者的神经系统并发症；个别患者可能需要短期内重新手术二次置钉等情况。而Augmedics推出的xvision系统可以满足更多外科医生对准确定位的需求，改善手术结果。
佩戴xvision头显后的医生视角（图源：St. John's Health / YouTube）
xvision的工作流程与用于椎弓根螺钉置入的传统导航技术类似，完成术前准备及定位后，使用到O臂或C臂进行术中CT成像，并将结果直接输入xvision系统。在图像采集过程中，外科医生会佩戴定制的无线xvision AR头显，所有导航图像和实时3D图像叠加都会通过显示器进行可视化。
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xvision系统 螺钉置入模拟演示（图源：St. John's Health / YouTube）
通过AR将3D图像叠加在患者手术区域，可以快速定位椎弓根起点并在横截面成像上进行验证，且用于椎弓根螺钉置入的每种器械都可以通过追踪系统进行注册，包括手锥、丝锥、钻头和螺钉。
从显示屏上查看脊柱3D模型以及横截面成像上的实时螺钉操作路径（图源：国际脊柱外科杂志）
（A）3D脊柱显示新器械和以前的椎弓根螺钉起点。（B）横截面成像展示改变新置入物轨迹。（图源：国际脊柱外科杂志）
使用xvision系统，可根据3D叠加和横截面成像上的投影轨迹在皮肤上标记理想的起点。椎弓根插管后，螺钉轨迹和所需的螺钉宽度和长度信息可以保存并叠加到横截面成像上，从而无需直接测量椎弓根螺钉。
几位实际利用xvision系统进行手术操作的脊柱外科医生（Augustus J. Rush，Nicholas Shepard，Michael Nolte，Krzysztof Siemionow和Frank Phillips）总结了该系统的优点：
“学习时间短，使用过程中姿势自然，在手术室占地面积最小（仅头显），手术工作流程中断次数少（不超过传统导航）。根据我们的经验，该技术似乎最适合辅助其他微创手术（例如微创手术椎间融合术）。在需要调整器械的情况下尤其如此，AR能够识别现有器械以方便移除，并协助准确放置新器械。”
AR手术导航优势：将医生视线聚焦在手术区域
脊柱手术中的椎弓根螺钉置入手术（一种操作难度很大的手术）可以牢牢固定脊柱，防止背部过度伸展、弯曲或旋转时造成伤害。通常情况下，螺钉放置不正确会导致神经和血管出问题，因此需要使用导航系统协助正确定位。
在手术室，外科医生会用到手术导航系统，该设备两侧设有传感器，通过这两个传感器来读取手术工具的位置，并将它投影到术中CT的显示屏上，外科医生能实时查看手术工具的位置，清楚知道周围血管神经的解剖信息，以便减少术中血管、脏器等重要神经的损伤。
外科医生需要在长时间的手术过程中保持专注（工作时间甚至长达12小时），但需要反复将视线从手术区域移开以观察显示屏上的影像数据，然后再回来看手术中操作的器械并确认位置。这种视线转移的干扰以及不可避免的注意力转移已经对手术中的认知负荷和工作流程优化产生了影响，一定程度上延长了手术时间。
不仅如此，现场的物体（包括医生的手或者其他仪器）也可能遮挡导航摄像头的视野，导致追踪中断。
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图源：Augmedics
通过AR设备外科医生能够利用AR实时获取手术中必要的信息，包括3D解剖图像和模型、实时医疗参考和患者信息，而无需转移视线，抬头看显示屏以观察患者实时影像，降低手术风险。
为了安全高效地完成脊柱手术，术中获得良好的X射线影像十分重要。在手术过程中，若系统能够保证足够的定位精度，以此减少手术操作时间，这意味着患者和外科医生都能减轻受到辐射暴露的影响。
迄今为止，除了脊柱手术导航，AR技术还被广泛应用于外科的各个领域，包括神经外科、骨科和脊柱外科、腹腔镜外科、肝胆外科、口腔外科等。同样，研究人员还在其他各个领域探索将AR技术用于图像引导手术，通过虚拟内容增强手术室（OR）的功能，降低手术的复杂性。
AR中的可视化数据（图源：MDPI）
AR医疗落地：仍缺乏在实践中评估AR技术的具体标准
在过去几十年的综合临床研究中，已建立的手术机器人系统和许多科学平台的性能、优势和功效已经得到评估和验证。AR在医疗方面的优势在于能够在最少甚至是无暴露的情况下获得解剖信息，目前还未能实现大范围应用。
AR手术技术的评估指标参考（图源：MDPI）
现阶段AR技术面临的挑战一方面是准确性，具体表现为图像延迟、图像分辨率/质量差、不准确的3D渲染、视觉疲劳（近眼显示）等，由于使用了多个复杂的系统，不确定性大幅增加。
另一方面则是安全性，患者的术后恢复期、成功率和复发率需要通过手术时间和效率来进行长时间观察。除此之外，还有采购成本、学习成本等因素限制了AR在医疗手术辅助操作更进一步的落地应用。
数据和实操案例不足也是影响AR医疗技术落地的重要因素。在脊柱外科领域，以AR为核心的专业出版物以及相关的临床试验报告和文献的数量都非常少，无法更为客观地反映AR技术的实际效用。
此外，还要考虑到医生的情况，多数情况下外科医生普遍担心术中患者状态是动态变化的，而AR无法实现预期操作从而导致医疗事故。而且在实际手术操作的情况下，AR头显及系统必须要无缝融入到医生的工作流程中，且能够满足长时间的手术使用，并能够连续、近乎完美地追踪手术区域的所有细微变化，能够在整台手术的干预过程中清晰透明地呈现手术信息，交互方式需要更加灵活。现阶段有必要在临床和技术层面对AR手术导航系统进行更细致的评估。
AR在医疗领域有着巨大的潜力，Research and Markets的报告显示：在医疗保健领域，一个潜力巨大的利基市场正在形成，AR/VR技术越来越多被应用于医疗环境，预测大约五年后，AR/VR医疗保健市场规模预计将接近100亿美元。
随着技术的发展，上述问题有望进一步解决，AR手术导航将逐步规范化，或成为外科手术中常见的辅助技术。
参考文章：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30925479/
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