术中模型校准与可视化引导系统

随着外科手术创口的减小，保持和扩大医生的手术视野变得尤为重要。以脊柱外科为例，以往的手术需要大切口，医生可以直接看到并触摸到患者脊柱。近年来，随着微创手术中切口变小，医生的视野受到限制，所以急需术中可视化引导系统辅助对患者的观察。

在手术过程中，病人的体位和病灶附近的解剖结构会发生变化，仅依靠术前重建的三维模型进行判断会引入较大的偏差，需要在术中对三维模型进行校准和对手术轨迹进行更新。根据术中X线和超声影像，与术前三维模型进行配准，可更新术区的解剖结构并随患者体位移动。

增强现实可将虚拟影像叠加至客观世界，被越来越多的应用于手术可视化引导中。可将术区三维模型和规划的手术路径通过增强现实技术投射至医生视野中，显示当前位置与规划路径的偏差，辅助引导医生操作。同时，也可将手术的各项重要指标显示于医生视野中，方便监控手术状态，避免反复查看设备。

（一）图像配准（Image Registration）

医学图像配准是对一幅医学影像寻找一种空间变化，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致，最终使两幅图像上的所有关键点都达到匹配。这也是寻找在不同时间或不同条件下拍摄的两幅图像间的映射关系的过程，映射关系通常表现为一系列空间变换，例如刚体变换、仿射变换、投影变换和非线性变换等。

医学图像配准可分为单模（Monomodality）和多模（Multimodality）两类，前者的待配准图像来自于同一种成像设备，而后者是来源于不同成像设备。对患者进行自身图像配准，可以监视疾病发展和治疗过程；而和不同人和疾病的典型图像进行配准，是病症确诊的重要参考。

图像配准的主要方法包括：点法、曲线法、表面法、矩和主轴法、相关法、最大互信息配准法、图谱法、非线性变换技术等。

（二）增强现实（Augmented Reality，AR）

增强现实是一种实时计算摄像机影像的位置及角度并叠加相应图像和视频的技术，可在真实的三维空间定位叠加虚拟物体并具备交互性。

增强现实系统主要可分为三类：

显示器式增强现实系统。摄像机拍摄的真实世界图像输入到计算机中，与虚拟景象合成，并输出到显示器屏幕，用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。较头戴式显示器（Head-mounted displays，HMD）沉浸感较差。

光学透视式增强现实系统。使用光学穿透式头戴显示器（Optical See-through HMD），用户可穿过显示器直接看到真实场景，虚拟场景则直接输出至显示器，实现增强现实显示，沉浸感较好。

视频透视式增强现实系统。使用视频穿透式头戴显示器（Video See-through HMD），真实场景通过摄像头捕获，并输出至显示器与虚拟场景叠加，沉浸感较好。