前  言 

太原，2017年9月9日：中華醫學會神經外科學分會第十七次學術會議勝利閉幕。徠卡顯微系統（簡稱“徠卡”）攜手術顯微鏡M530 OHX與即將上市的AR熒光（增強現實熒光技術MFL800）亮相此會議。

眾多參會者對即將上市的AR熒光表現出極大的關注，成為血管熒光突破性新技術的見證者，共同見證“AR熒光”將不可能變成可能。AR熒光好地彌補了手術顯微鏡傳統成像及觀察方式的缺陷，是目前市場上可實現“實時可視”的白光血管造影，搭載徠卡M530系列顯微鏡，為您提供腦血管病的全新解決方案。

那下面就隨小編來了解徠卡可視化平臺—AR熒光在神經外科手術中的應用前景。

MFL800增強現實（AR）熒光

在血管神經外科手術中，手術顯微鏡用于放大、提供明亮的手術視野。雖然顯微鏡的圖像質量和光學放大效果令外科醫生受益匪淺，但目前其局限性促使外科醫生必須依靠他們的色彩敏銳度辨別不同的組織類型。挑戰之一是同時對組織結構和血流動態進行實時的觀察和評估。目前已開發出的熒光技術，比如近紅外（NIR）成像方法與吲哚菁綠（ICG）造影劑相結合，通過實現高對比度血流可視化為外科醫生提供了輔助手段。但是，這些技術也有局限，尤其是不能同時觀察血流和解剖結構細節，而且僅僅生成黑白圖像。

Leica推出的可視化新技術MFL800增強現實（AR）熒光利用了熒光與ICG結合所產生的高對比度，克服了之前技術的許多局限性，它可以提供血流和解剖結構的實時、多光譜顏色圖像，因此幫助外科醫生更加自信地開展和評估手術治療。

圖1：MLF800功能下的顱內血管動脈瘤熒光視圖。

當前血管內血流的可視化：

我們為何需要這一步

NIR熒光與ICG結合的應用，如Leica FL800血管熒光造影模塊，已經幫助神經外科醫生挽救了無數的生命。但是，由于傳統ICG血管熒光造影是將不可見光通過紅外攝像頭拍攝呈現在顯示屏上，并且只能是在顯示屏上進行呈現出黑白熒光圖像；而清晰的白光解剖圖像此時只能通過顯微鏡的目鏡進行觀察。

外科醫生需要分別觀看不同的成像模式，記錄每種模式下觀察到的有用特征，然后在大腦中將這些信息融合在一起，生成被觀察組織和血流的復合“圖像”。這項操作必須在開展治療（比如動脈瘤夾閉術）前完成。

圖2：動脈瘤夾閉術夾閉前圖像，外科醫生開展手術治療之前必須腦補合并后的圖像內容（FL800NIR熒光和白光）

NIR熒光圖像

白光圖像

這項任務造成外科醫生時間和精力過度消耗的問題，而且由于難以記住黑白NIR熒光圖像的所有空間特征，熒光圖像的一些細節可能被忽略掉。即使夾閉后問題仍然存在。

圖3：動脈瘤夾閉術夾閉后圖像，外科醫生評估手術治療之前必須腦補合并后的圖像內容（FL800NIR熒光和白光）。

NIR熒光圖像

白光圖像

使用NIR熒光問題更加復雜，因為熒光只產生微弱的信號，而且其測量受到顯微鏡工作距離和放大倍數強烈影響。外科醫生只能比較一幅圖像中的熒光強度，無法在不同病變位置之間進行比較。

Leica憑借MFL800增強現實AR熒光 技術，已經著手解決外科顯微鏡手術中遇到的這一重大難題。

MFL800增強現實AR熒光模塊

用于外科手術的優點

MFL800是來自Leica GLOW AR平臺的個產品，是一個克服上述局限性、增強操作體驗效果的新增強現實產品。它將吲哚菁綠（ICG）NIR熒光信號疊加到白光圖像上并合并成一張圖片。擁有了這項功能，外科醫生可以在同一時間對單幅圖像中的ICG熒光和白光信息一目了然 —— 醫生可以評估實時的血流和解剖結構。

MFL800增強現實AR熒光模塊

工作原理

Leica GLOW AR 平臺應用新的多光譜成像技術，該技術允許在白光或熒光模式下不同光譜帶中同時捕捉多個圖像。這項技術采用光譜多路復用技術實現白光和熒光照明，這樣一來，混合的白光和熒光激發光照射到組織上，與此同時，多光譜成像傳感器利用先進的過濾技術消除不同光譜帶之間可能存在的任何干擾。

具體而言，在MFL800增強現實AR熒光模塊中，白光成像照明包含波長約為400～700 nm的可見光和波長約為700～790 nm的近紅外光ICG熒光激發光。所有波長超過790 nm的光都被過濾掉，以免它們干擾熒光發射信號。MFL800多光譜傳感器使用濾光片實現四個光譜帶的單獨測量：白光圖像重建中涉及的紅光、綠光和藍光以及ICG熒光可視化中波長為835～880 nm的NIR發射光。 GLOW AR軟件對可見光和非可見NIR視頻流進行了合并。用戶可以看到手術部位的高清視頻，其中同時顯示熒光信號和白光解剖信息。

以下譜圖（圖4）顯示人眼可見和不可見的光波長。非可見光范圍內的熒光團經激發后，人眼可透過MFL800模塊功能“看見”它們。

圖4：MFL800光譜：綠色曲線表示可見光（400～700 nm）

熒光激發

790 nm

熒光信號

835 nm

表1

MFL800增強現實AR熒光模塊使用視頻處理單元（VPU）采集、處理和顯示攝像頭（內置于顯微鏡光學頭）拍下的兩個視頻流數據。這種圖像處理提供如下關鍵功能。

將黑白熒光圖像白光化處理

NIR熒光的標準圖像只有黑白兩種顏色，但MFL800用戶可以根據個人喜好選擇7種不同的顏色（見下圖5和表2）以觀察白光熒光信號。

圖5：可視化熒光顏色概覽

表2

亮度均化

為了克服手術顯微鏡系統亮度分布的不均勻性，傳入的每一幀都使用均化處理，該處理系統基于顯微鏡設置（工作距離、放大倍數、光圈、照明）進行像素級分區，使測量亮度歸一化，如下圖6所示。系統使用與每個圖像成比例的補償系數。通過亮度均化，可以補償偏重中央區域的照明效果。均化值范圍為0%（無）～100%（大）。

圖6：非均化圖像和均化圖像。非均化圖像亮度不均勻，一些區域較暗，尤其是視野外側。在均化圖像中，全部區域亮度均勻，熒光信息在整個視野中更加穩定。

非均化圖像 

均化圖像 

此外，為了補償手術部位到兩個傳感器芯片之間光路的任何差異，熒光圖像在均化處理前進行旋轉、平移和縮放變換。運行時應用雙線性插值，從周圍像素推導非整數原點坐標處的熒光強度。

強度比例調節

所獲圖像的亮度隨工作距離和放大倍數的增大以及光強度的減弱而減小。為了補償該減小值，對熒光圖像使用比例系數。

強度相對于物體細節調節熒光對比度、亮度和透明度。強度值范圍為0%（剛好看見熒光/組織結構占主導地位）～100%（熒光可見度高，占主導地位）。

臨床實踐

通過使用Leica M530手術顯微鏡，MFL800增強現實AR熒光模塊使用戶能夠應用NIR熒光評估多光譜全色血流。激活MFL800模式時，徠卡顯微鏡的白光照明擴展到近紅外激發藥物（ICG）熒光，被過濾的（ICG）NIR熒光信號經由NIR敏感型攝像機采集，并在MFL800 VPU中處理。

圖7：圖1中的動脈瘤夾閉后的視圖。血流和解剖結構顏色鮮明，外科醫生可以更好地評估夾閉后的動脈瘤夾和血流。

MFL800增強現實AR熒光提供兩種不同的觀察模式：傳統熒光黑白圖像和AR圖像同時并列顯示視圖，或者僅黑白熒光視圖。在兩種觀察模式中，都可以通過徠卡手術顯微鏡視頻顯示器或顯微鏡目鏡（需配置Leica CaptiView圖像投射模塊）觀察熒光信號。

MFL800模塊使用增強現實算法實現高水平同步效果，確保顏色自然并*融入圖像中，無需考慮觀察工具——2D屏幕、3D1屏幕或顯微鏡目鏡（需配置CaptiView模塊）。這些算法還確保不出現異步運動或延遲。

MFL800模塊的這些功能使其成為外科醫生的有用工具，他們可以同時觀察血流和解剖組織。

圖8：動脈瘤夾閉前。

NIR熒光

相對應的“白光”

相對應的MFL800

圖9：動脈瘤夾閉后。

NIR熒光

相對應的“白光”

相對應的MFL800

GLOW AR平臺及未來應用

GLOW AR是一個新的增強現實平臺，是構成MFL800增強現實熒光模塊的基礎。它通過同時獲得白光和熒光信號，使所有工作流相關信息均可在單一增強現實視圖中顯示，從而提供新的外科可視化成像體驗。

如果沒有熒光信號，觀察到的組織為自然白光圖像；熒光出現后，觀察到明亮的熒光圖像，與組織的自然色調形成對比。專用的算法，加上使用直觀的組織發光效果顯示熒光強度，可確保組織解剖結構忠實呈現。并可同時使用不同的顏色觀察到多個熒光信號，無需切換模式或其他用戶干預。

此外，GLOW AR平臺提供熒光強度的可視化，而且這與照明和成像光學元件的工作距離、放大倍數及不均勻性無關。這種度使得外科醫生可以比較不同成像位置、手術甚至患者之間的熒光效果。

圖10：GLOW AR平臺：未來應用

MFL800模塊也可與GLOW400兼容，經相關監管部門批準后，可以通過升級提供GLOW400功能。

其它AR應用技術正在開發中，敬請期待！

關于徠卡顯微系統Leica Microsystems

徠卡顯微系統是顯微科技與分析科學儀器之，總部位于德國維茲拉(Wetzlar, Germany)。主要提供顯微結構與納米結構分析領域的研究級顯微鏡等專業科學儀器。自公司十九世紀成立以來，徠卡以其對光學成像的追求和不斷進取的創新精神始終得到業界廣泛認可。徠卡在復合顯微鏡、體視顯微鏡、數碼顯微系統、激光共聚焦掃描顯微系統、電子顯微鏡樣品制備和醫療手術顯微技術等多個顯微光學領域處于地位。

徠卡顯微系統在有七大產品研發與生產基地，在二十多個國家擁有服務支持中心。徠卡在一百多個國家設有區域分公司或銷售分支機構，并建有遍及的完善經銷商服務網絡體系。