医疗领域的创新：低成本立体内窥镜与增强现实在手术中的应用

### 医疗领域的创新：低成本立体内窥镜与增强现实在手术中的应用 在当今医疗技术不断发展的时代，机器人手术和增强现实（AR）技术正逐渐成为手术领域的热门话题。它们不仅为手术带来了更高的精准度和效率，还为医生提供了更直观的手术视野和更丰富的信息支持。本文将介绍两种在医疗领域具有创新性的技术应用：低成本立体内窥镜实验室模型和用于评估颞下颌关节运动的多模态跟踪AR应用。 #### 低成本立体内窥镜实验室模型助力机器人手术研究 在机器人手术中，内窥镜是获取手术视野的关键工具。传统的内窥镜设备往往价格昂贵，限制了研究和测试的开展。为了解决这个问题，研究人员设计了一种低成本的立体内窥镜实验室模型（SELM），旨在加速临床前测试的编程和AR范式的实施。 SELM的设计灵感来源于Da Vinci Xi机器人手术系统的视觉工具。它具有立体视图、直径为5.5毫米的摄像头、1280×720的分辨率、7 - 40厘米的景深、80°的视角和30帧每秒的帧率。通过与Da Vinci Xi系统中现有内窥镜的技术特性进行比较，并结合两者的校准结果，研究人员发现SELM在视觉质量上可以替代Da Vinci内窥镜。 使用SELM的好处显而易见。首先，它可以在生物工程实验室中进行测试和模拟，避免了前往机器人手术室的繁琐过程，从而缩短了新机器人和AR技术的开发时间。其次，SELM的成本较低，使得更多的研究机构和实验室能够负担得起，促进了相关技术的研究和发展。 #### 增强现实在正颌外科中的应用：多模态跟踪评估颞下颌关节运动 增强现实技术在手术领域的应用越来越广泛，尤其是在正颌外科中。颞下颌关节（TMJ）的评估对于正颌手术的诊断和治疗至关重要。传统的临床检查方法往往依赖于医生的直接观察和触诊，缺乏对关节内部结构和运动的直观展示。为了改善这一状况，研究人员开发了一种基于Microsoft HoloLens2头戴式显示器（HMD）的新型AR应用。 ##### AR技术在手术中的应用现状 AR技术通过将计算机生成的元素与现实场景相结合，为用户提供了更丰富的感知和理解能力。在手术中，AR可以将患者的解剖信息和手术规划直接投影到手术视野中，帮助医生更好地进行手术操作。近年来，AR技术已经在神经外科、骨科、颌面外科等多个手术领域得到了应用。 头戴式显示器（HMD）是AR技术在手术中的一种重要应用形式。其中，Microsoft HoloLens HMD在过去五年中在医疗AR研究中得到了广泛的应用，可用于诊断、治疗规划和治疗执行等任务。然而，目前AR系统在手术导航中的应用仍面临一些技术挑战，如精度问题。在当前技术水平下，通用HMD如HoloLens在术前规划和手术模拟中具有很大的潜力，因为这些场景对精度的要求相对较低。 ##### 颞下颌关节评估的传统方法与挑战 在正颌外科中，颞下颌关节的评估通常通过临床检查进行。医生会观察患者张嘴和闭嘴时的切牙间线，并直接触诊TMJ，但这种方法缺乏对关节内部结构的直观展示。在某些情况下，会使用颌运动描记法来定量评估TMJ紊乱，但这种方法在临床常规中并不广泛应用。 ##### 新型AR应用的设计与实现 为了支持颌面外科医生对颞下颌关节进行临床评估，研究人员开发了一种基于Microsoft HoloLens2 HMD的新型AR应用。该应用采用了多模态跟踪方法，结合了无标记和基于标记的跟踪方式，以同时跟踪关节的固定部分（颞骨的关节窝）和移动部分（下颌髁突）。 - **解剖3D建模和虚拟内容准备** 1. 研究选择了一名有面部CT扫描数据的志愿者，并获得了大学伦理委员会的批准。 2. 使用Mimic